張 偉，定培中，肖 利，盛小濤

(長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 概述

引江濟(jì)漢渠道進(jìn)口段位于長(zhǎng)江荊江河段龍洲垸，渠道及節(jié)制泵站深基坑直接毗鄰長(zhǎng)江，基礎(chǔ)為典型的二元結(jié)構(gòu)地層，上部為黏性土層，厚度7 m左右，滲透性微弱，下部為細(xì)砂和砂卵石，厚度60 m左右，屬?gòu)?qiáng)透水地層。區(qū)域內(nèi)地下水豐富，受長(zhǎng)江水位的影響明顯，汛期地下水具承壓性。如果采用封閉的防滲墻進(jìn)行處理，造價(jià)極高，且施工難度較大，為此，在實(shí)際施工中采用了純井點(diǎn)降水方案，目前工程正在施工中。

采用純井點(diǎn)降水在建筑基坑中比較常見(jiàn)［1－4］，但在臨河渠道深基坑中采用還不多見(jiàn)，近期南水北調(diào)有些類似工程初期采用純井點(diǎn)降水，后來(lái)因?yàn)閷?duì)砂卵石滲透系數(shù)估計(jì)不足以及降水難度很大而不得不重新增加防滲墻［5］。引江濟(jì)漢渠道工程建設(shè)各方也擔(dān)心基坑降水效果，一是基坑挖深大，基坑底部直接位于砂卵石層中，且砂卵石滲透系數(shù)大小直接影響降水效果以及降水方案的確定;二是基坑緊鄰長(zhǎng)江，長(zhǎng)江水通過(guò)砂卵石向基坑范圍內(nèi)地下水的補(bǔ)給明顯，這就增加了降水的難度，也成為基坑施工中重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題［6，7］。

為了解決上述問(wèn)題，確?；邮┕ぐ踩Y(jié)合基坑實(shí)際施工，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)降水試驗(yàn)［8］，一方面進(jìn)一步驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)階段的地層滲透系數(shù)，為后期降水方案提供基本參數(shù);另一方面檢驗(yàn)降水效果，驗(yàn)證降水模型。結(jié)果表明，砂卵石滲透系數(shù)比初步設(shè)計(jì)階段大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，降水量顯著增加，降水費(fèi)用遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)概算，為此進(jìn)行了專項(xiàng)審查，及時(shí)調(diào)整了降水方案;并采用數(shù)值模擬對(duì)降水試驗(yàn)進(jìn)行了擬合，進(jìn)一步驗(yàn)證了初步設(shè)計(jì)階段建立的滲流模型。

2 降水試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次試驗(yàn)?zāi)康闹饕?個(gè):①利用單井降水試驗(yàn)確定地層水文地質(zhì)參數(shù)和單井排水能力，復(fù)核地質(zhì)勘察報(bào)告中的有關(guān)參數(shù);②根據(jù)不同組合條件下群井抽水試驗(yàn)結(jié)果，分別評(píng)價(jià)深層群井抽水和淺層群井抽水的降水效果，并提出群井抽水條件下單井出水量;③為驗(yàn)證數(shù)值模型和降水實(shí)施方案提供基本數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)降水試驗(yàn)基礎(chǔ)資料的整理分析:對(duì)地勘資料進(jìn)行詳細(xì)的分析，查閱相關(guān)資料［1－7，9－11］，初步確定降水試驗(yàn)參數(shù)，如井?dāng)?shù)、井位、井深、花管段長(zhǎng)度、井間距、降水方案等。

(2)單井降水試驗(yàn):在不同降深條件下進(jìn)行降水試驗(yàn)，觀測(cè)流量、降深以及水位變化。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，采用公式法和反演方法求得含水層的滲透系數(shù)、影響半徑等參數(shù)。

(3)降水試驗(yàn)數(shù)值模擬計(jì)算分析:針對(duì)降水試驗(yàn)1和試驗(yàn)3第三降深結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，求得合理的計(jì)算參數(shù)，率定數(shù)學(xué)模型，為實(shí)際工程降水方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 降水試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次降水試驗(yàn)布置在引江濟(jì)漢進(jìn)口段(其平面布置見(jiàn)圖1)節(jié)制泵站下游側(cè)渠道軸線兩側(cè)，其平面布置見(jiàn)圖2，降水井結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖3，觀測(cè)孔結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖4。

圖3中，J01，J02為深井，花管段設(shè)置在砂卵石層中，用于測(cè)定砂卵石滲透系數(shù);J03，J04為淺井，花管段設(shè)置在細(xì)砂層中，用于測(cè)定細(xì)砂滲透系數(shù)。圖4中，觀測(cè)孔G01，G02，G03花管段進(jìn)入砂卵石層中5 m，用于深井降水試驗(yàn)的水位觀測(cè);觀測(cè)孔G04花管段設(shè)置在細(xì)砂中，用于淺井降水試驗(yàn)水位觀測(cè)。

圖1 進(jìn)口段平面布置圖Fig.1 Layout of the entrance region

圖2 降水井及觀測(cè)孔平面布置圖Fig.2 Layout of dewatering wells and observation holes

圖3 降水井結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of dewatering wells

2.4 降水試驗(yàn)方案

共進(jìn)行8組現(xiàn)場(chǎng)降水試驗(yàn)，其中4組為單井降水試驗(yàn)，4組為群井降水試驗(yàn)。本文僅介紹用于求參的4組單井降水試驗(yàn)。

試驗(yàn)1:以J01井作為降水試驗(yàn)井，進(jìn)行單井降水試驗(yàn)。除了專門的觀測(cè)孔外，J02井，J03井和J04井也作為觀測(cè)孔進(jìn)行水位觀測(cè)，并以G01，G03觀測(cè)結(jié)果為主。

圖4 觀測(cè)孔結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of observation holes

試驗(yàn)2:以J02井作為降水試驗(yàn)井，進(jìn)行單井降水試驗(yàn)，其余降水井和觀測(cè)孔進(jìn)行水位觀測(cè)，并以G01，G03觀測(cè)結(jié)果為主。

試驗(yàn)3:以J03井作為降水試驗(yàn)井，進(jìn)行單井降水試驗(yàn)，其余降水井和觀測(cè)孔進(jìn)行水位觀測(cè)，并以J04，G04觀測(cè)結(jié)果為主。

試驗(yàn)4:以J04井作為降水試驗(yàn)井，進(jìn)行單井降水試驗(yàn)，其余降水井和觀測(cè)孔進(jìn)行水位觀測(cè)，并以J03，G04觀測(cè)結(jié)果為主。

其中試驗(yàn)1，2是用于求取砂卵石滲透系數(shù)，試驗(yàn)3，4用于求取細(xì)砂的滲透系數(shù)。

3 降水試驗(yàn)結(jié)果整理分析

3.1 試驗(yàn)1

試驗(yàn)1得到的井內(nèi)降深隨時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5，圖中還給出了該降深條件下的抽水量。圖6是觀測(cè)孔孔內(nèi)降深隨時(shí)間的變化曲線，其變化規(guī)律與圖5一致。

圖5和圖6表明，試驗(yàn)1分為3個(gè)流量抽水，降水井中降深遠(yuǎn)大于觀測(cè)孔降深，且降深都隨著流量增加而增加，曲線呈現(xiàn)明顯的3個(gè)階梯。

采用規(guī)范［10］推薦的2種計(jì)算方法計(jì)算砂卵石層的滲透系數(shù)。

(1)以降水井井內(nèi)水位降深計(jì)算砂卵石滲透系數(shù)K，其計(jì)算公式為

圖5 J01井降深曲線Fig.5 History curve of water level decrease of well J01

圖6 觀測(cè)孔G01和G03降深曲線Fig.6 History curves of water level decrease of observation hole G01 and G03

式中:K為滲透系數(shù)，單位為m/d;M為含水層厚度，單位為m;L為過(guò)濾器長(zhǎng)度，單位為m;R為抽水影響半徑，單位為m;r為降水井半徑，單位為m;Q為抽水量，單位為m3/d;S為井內(nèi)降深，單位為m。

計(jì)算時(shí)，可依據(jù)地質(zhì)資料以及抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)的參數(shù)。根據(jù)式(1)計(jì)算出所測(cè)含水層滲透系數(shù)，其中含水層厚度M按地質(zhì)剖面圖揭示試驗(yàn)區(qū)域砂卵石層平均厚度取為55 m，R根據(jù)式(2)確定。由式(1)和式(2)通過(guò)迭代計(jì)算含水層水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基于降水井J01觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的參數(shù)Table 1 Calculated parameters based on observed data of dewatering well J01

(2)通過(guò)2口距降水井不同距離觀測(cè)孔井內(nèi)水位降深來(lái)計(jì)算砂卵石滲透系數(shù)K，其計(jì)算公式為

式中:r1和r2為第一、二口觀測(cè)孔中心距降水井中心距離，單位為m;S1和S2為第一、二口觀測(cè)孔井內(nèi)水位降深，單位為m;其余符號(hào)同公式(1)和(2)。

根據(jù)觀測(cè)孔G01和G03井的觀測(cè)數(shù)據(jù)，按公式(3)計(jì)算砂卵石滲透系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。G01和G03井距降水井J01的直線距離分別為25，105 m。

由于降水井J01在成井施工過(guò)程中采用泥漿護(hù)壁，井損效應(yīng)明顯，對(duì)于采用公式(1)和(2)進(jìn)行計(jì)算得到的表1結(jié)果影響較大，井內(nèi)降深越大，井損效應(yīng)越大，計(jì)算得到的滲透系數(shù)越小;采用不同距離觀測(cè)孔水位計(jì)算得到的滲透系數(shù)(表2)克服了井損影響，隨著井內(nèi)降深的增加，兩觀測(cè)孔水位差變化相對(duì)平穩(wěn)(見(jiàn)圖6)，得到的滲透系數(shù)稍有增加，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖得到的砂卵石隨著深度的增加，砂含量減少，意味著隨著深度的增加，其滲透系數(shù)逐步增加，這也是滲透系數(shù)隨著降深增加而增加的原因之一。因此，認(rèn)為采用公式(3)的計(jì)算結(jié)果更為合理(下同)，基坑降水方案設(shè)計(jì)中，推薦采用表2中計(jì)算結(jié)果作為砂卵石的滲透系數(shù)。試驗(yàn)得到砂卵石的滲透系數(shù)范圍值為25.75 ～40.26 m/d。

表2 基于觀測(cè)孔G01和G03數(shù)據(jù)計(jì)算得到的滲透系數(shù)Table 2 Calculated coefficients of permeability based on observed data of hole G01 and G03

3.2 試驗(yàn)2

試驗(yàn)2作為試驗(yàn)1的平行試驗(yàn)，測(cè)得的井內(nèi)降深隨時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖7，圖中給出了該降深條件下的抽水量。表3是抽水量相對(duì)穩(wěn)定時(shí)觀測(cè)孔的降深。采用公式(3)計(jì)算得到砂卵石滲透系數(shù)見(jiàn)表4。

圖7 J02井降深曲線Fig.7 History curve of water level decrease of well J02

表3 觀測(cè)孔J01，G01和G03降深Table 3 Water level decrease of observation hole J01，G01，and G03

表4 基于觀測(cè)孔J01，G01和G03計(jì)算得到的滲透系數(shù)Table 4 Calculated coefficients of permeability based on observed data of hole J01，G01，and G03

對(duì)比表4中結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用不同的觀測(cè)孔組合進(jìn)行計(jì)算得到的滲透系數(shù)具有一定差別，與觀測(cè)孔間距離有關(guān)，距離越大，越能反映砂卵石層滲透系數(shù)的真實(shí)值，同時(shí)減少井損的影響，因此建議采用G03與G01組合計(jì)算值，滲透系數(shù)范圍為18.84～46.14 m/d，與試驗(yàn)1結(jié)果一致。

3.3 試驗(yàn)3

試驗(yàn)3用于測(cè)定粉細(xì)砂的滲透系數(shù)。井內(nèi)降深隨時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖8。表5是抽水量相對(duì)穩(wěn)定時(shí)觀測(cè)孔的降深。采用公式(3)計(jì)算得到細(xì)砂滲透系數(shù)見(jiàn)表6。

圖8 J03井降深曲線Fig.8 History curve of water level decrease of well J03

表5 觀測(cè)孔J04和G04降深Table 5 Water level decrease of observation hole J04 and G04

表6 基于觀測(cè)孔G04和J04計(jì)算得到的滲透系數(shù)Table 6 Calculated coefficients of permeability based on observed data of hole G04 and J04

分析表6結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，隨著降深的增加或抽水量的增加，計(jì)算得到的滲透系數(shù)逐步降低，考慮到觀測(cè)孔(表5)降深觀測(cè)結(jié)果，在第一、二降深條件下，觀測(cè)孔G04降深較小，因此建議取第三降深條件下的滲透系數(shù)作為細(xì)砂的滲透系數(shù)，即10.11 m/d。

3.4 試驗(yàn)4

作為試驗(yàn)3的平行試驗(yàn)，試驗(yàn)4得到井內(nèi)降深隨時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖9。表7是抽水量相對(duì)穩(wěn)定時(shí)觀測(cè)孔的降深。采用公式(3)計(jì)算得到粉細(xì)砂滲透系數(shù)見(jiàn)表8。

圖9 J04井降深曲線Fig.9 History curve of water level decrease of well J04

表7 觀測(cè)孔J03和G04降深Table 7 Water level decrease of observation hole J03 and G04

表8 基于觀測(cè)孔G04和J03計(jì)算得到的滲透系數(shù)Table 8 Calculated coefficients of permeability based on observed data of hole G04 and J03

表8表明，隨著降深的增加或抽水量的增加，計(jì)算得到的滲透系數(shù)逐步降低，這與試驗(yàn)3揭示的規(guī)律一致。取第三降深條件下的滲透系數(shù)，即細(xì)砂的滲透系數(shù)為11.40 m/d，與試驗(yàn)3十分接近。

試驗(yàn)得到細(xì)砂的滲透系數(shù)偏大，主要原因可能是實(shí)際成井中沒(méi)有很好地控制砂卵石與細(xì)砂的分界面位置，部分花管段進(jìn)入砂卵石層，且花管段主要位于降水井下部，使得試驗(yàn)結(jié)果偏大，考慮到細(xì)砂滲透系數(shù)不是控制基坑降水的主要地層(見(jiàn)本文后面表述)，試驗(yàn)沒(méi)有重復(fù)再做。

4 降水試驗(yàn)的擬合計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型邊界條件

降水試驗(yàn)擬合計(jì)算模型是渠道初步設(shè)計(jì)階段建立的，并應(yīng)用于渠道施工期基坑降水方案的研究，其計(jì)算模型見(jiàn)圖10。模型周邊為定水頭邊界，其中左邊界以及前后邊界(荊江大堤外側(cè))取長(zhǎng)江水位39.40 m，右邊界取荊江大堤內(nèi)側(cè)常年地下水位32 m，底部(高程－39 m)邊界為隔水邊界。本次降水試驗(yàn)區(qū)域位于計(jì)算模型中部的節(jié)制泵站基坑內(nèi)。

圖10 降水試驗(yàn)擬合計(jì)算模型Fig.10 Model of numerical simulation

4.2 擬合計(jì)算結(jié)果及分析

考慮到平行試驗(yàn)結(jié)果一致的情況，這里分別選取試驗(yàn)1和試驗(yàn)3的第三降深進(jìn)行了數(shù)值擬合計(jì)算，在大量試算的基礎(chǔ)上，列出了代表性計(jì)算方案和計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表9。其中，J01－3－1 至 J01－3－3 是對(duì)降水試驗(yàn)1 擬合計(jì)算方案，J03－3－1 至J03－3－4是對(duì)試驗(yàn)3的擬合計(jì)算方案。黏壤土層滲透系數(shù)取地質(zhì)建議值 0.042 m/d。

表9 擬合計(jì)算方案及參數(shù)Table 9 Plans and parameters of the numerical simulation

降水試驗(yàn)1的擬合計(jì)算結(jié)果列于表10，降水試驗(yàn)3的擬合計(jì)算結(jié)果列于表11。

比較表10中觀測(cè)孔G01實(shí)測(cè)水位與擬合水位可知，實(shí)測(cè)水位介于J01－3－2和J01－3－3擬合水位之間，即砂卵石滲透系數(shù)介于51.84～69.12 cm/d之間。以觀測(cè)孔 G03為例，砂卵石滲透系數(shù)取69.12 m/d，擬合水位最接近實(shí)測(cè)值。

表10 試驗(yàn)1的擬合計(jì)算結(jié)果Table 10 Results of numerical simulation for test 1

表11 試驗(yàn)3的擬合計(jì)算結(jié)果Table 11 Results of numerical simulation for test 3

分析表11的擬合計(jì)算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，粉細(xì)砂層滲透系數(shù)變化一個(gè)量級(jí)，擬合水位變化很小，說(shuō)明整個(gè)降水區(qū)域內(nèi)水位變化受到粉細(xì)砂滲透系數(shù)的影響較小，這與實(shí)際工程情況相符，一是粉細(xì)砂層厚度較小，對(duì)整個(gè)計(jì)算域降水影響很小;二是實(shí)際工程中基坑降水均低于粉細(xì)砂層，即粉細(xì)砂層將成為疏干區(qū)，對(duì)降水流量的影響也較小。由此也說(shuō)明，粉細(xì)砂層滲透系數(shù)大小對(duì)于降水方案的影響甚微，主要取決于砂卵石的滲透系數(shù)。

5 節(jié)制泵站基坑降水效果分析

5.1 關(guān)于砂卵石滲透系數(shù)

從上述初步分析可以知道，渠道基坑降水的關(guān)鍵是砂卵石的滲透系數(shù)。初步設(shè)計(jì)階段地質(zhì)建議砂卵石滲透系數(shù)取0.86 m/d，由此得到基坑降水量?jī)H2 300 m3/d左右，因此，初步設(shè)計(jì)審查時(shí)，對(duì)于降水費(fèi)用沒(méi)有單列，僅考慮臨時(shí)工程排水，并按此進(jìn)行了節(jié)制泵站工程施工招標(biāo)?？紤]到南水北調(diào)工程中已經(jīng)遇到的基坑降水問(wèn)題［5］，為慎重起見(jiàn)，結(jié)合節(jié)制泵站基坑進(jìn)行了初步分析，得到砂卵石滲透系數(shù)與基坑抽水量的關(guān)系曲線見(jiàn)圖11，可見(jiàn)，基坑抽水量與砂卵石滲透系數(shù)成正比，也說(shuō)明砂卵石滲透系數(shù)是基坑降水成敗的關(guān)鍵。

圖11 砂卵石滲透系數(shù)與基坑抽水量關(guān)系曲線Fig.11 Relationship between permeability coefficients of sand gravels and foundation pit dewatering amount

5.2 基于降水試驗(yàn)的基坑降水方案及降水效果

降水試驗(yàn)得到砂卵石滲透系數(shù)為 25.92～69.12 m/d，遠(yuǎn)大于渠道初步設(shè)計(jì)階段基坑降水方案設(shè)計(jì)采用的滲透系數(shù)，這樣，實(shí)際降水量是初步設(shè)計(jì)階段的30倍以上，顯然，采用初步設(shè)計(jì)階段的降水方案難以保證基坑施工期降水安全，為此需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)降水試驗(yàn)對(duì)砂卵石滲透系數(shù)進(jìn)行綜合分析，對(duì)初步設(shè)計(jì)階段砂卵石滲透系數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整。為此，降水試驗(yàn)結(jié)束后甲方多次組織專家咨詢會(huì)，綜合現(xiàn)場(chǎng)降水試驗(yàn)結(jié)果以及數(shù)值擬合計(jì)算結(jié)果，最終確定砂卵石滲透系數(shù)按30.24 m/d，并按照初步設(shè)計(jì)階段確定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行不同降水方案的降水效果計(jì)算分析，確定實(shí)際工程降水井52口，給出了設(shè)計(jì)水位條件下，整個(gè)基坑抽水量為6.8萬(wàn)m3/d，也遠(yuǎn)大于初步設(shè)計(jì)階段的基坑抽水量2 300 m3/d。由于基坑運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，降水費(fèi)用很大，為此，設(shè)計(jì)進(jìn)行了變更并經(jīng)過(guò)相關(guān)單位審查，為基坑安全運(yùn)行提供了安全保障。

施工單位按照現(xiàn)有的降水方案進(jìn)行了實(shí)施，在長(zhǎng)江水位較低情況下，實(shí)測(cè)基坑抽水量最大達(dá)5.2萬(wàn)m3/d，與預(yù)測(cè)基坑抽水量接近，且基坑內(nèi)水位下降19 m左右，有效保證了基坑干地施工。目前節(jié)制泵站基坑底板混凝土澆筑完成，并成功封底，這為臨河渠道基坑采用純降水方案積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，可供類似工程借鑒。尤其是南水北調(diào)中線工程陶岔-沙河南渠道目前已經(jīng)招標(biāo)施工［12］，其中遇到很多類似渠道基坑降水問(wèn)題，可以借鑒本工程的成功經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)于臨河渠道強(qiáng)透水砂基以及豐富地下水區(qū)域進(jìn)行深基坑開(kāi)挖，采用純降水方案來(lái)保證渠道及其建筑物基坑的干地施工，技術(shù)難度很大。本項(xiàng)目的成功實(shí)施，對(duì)類似工程，尤其是對(duì)近期南水北調(diào)中線工程大面積施工中遇到的高地下水以及強(qiáng)透水渠基基坑降水方案的制定具有重要借鑒作用。

(2)進(jìn)行必要的施工期降水試驗(yàn)以及數(shù)學(xué)模型擬合計(jì)算分析，一方面檢驗(yàn)初設(shè)階段地層參數(shù)取值的合理性，另一方面可以通過(guò)對(duì)降水試驗(yàn)的擬合計(jì)算分析，進(jìn)一步檢驗(yàn)初設(shè)階段的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而準(zhǔn)確進(jìn)行基坑降水方案設(shè)計(jì)以及降水效果預(yù)測(cè)，為類似工程準(zhǔn)確制定降水方案提供了一種新方法。

(3)采用多個(gè)觀測(cè)孔數(shù)據(jù)進(jìn)行滲透系數(shù)的求解，可以減少降水井井損的影響。

(4)影響降水效果的因素很多，依據(jù)具體工程進(jìn)行分析，抓住主要因素進(jìn)行研究(如本工程中砂卵石滲透系數(shù))，方能準(zhǔn)確提出基坑降水方案，并預(yù)測(cè)降水效果。

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