陸建生

(上海廣聯(lián)建設(shè)發(fā)展有限公司，上海200438)

0 引言

上海、北京等城市的部分深基坑工程使用回灌管井控制地下水水位，在建(構(gòu))筑物的沉降控制方面取得了一定的成效［1～5］。但各類基坑工程回灌目的的差異性、回灌管井在空間布置上的局限性和回灌運(yùn)行時間的短期性，決定了基坑工程地下水回灌管井技術(shù)有其特殊性［6，7］，如管井運(yùn)行控制模式及原則的特殊性［6］、管井設(shè)計參數(shù)的特殊性［6］以及管井空間布設(shè)的特殊性［7］等?；庸芫毓嘈杩紤]基坑降水與回灌的同步協(xié)調(diào)設(shè)計及運(yùn)行控制，文獻(xiàn)［5］中介紹了相關(guān)的基坑降水回灌一體化設(shè)計實踐及其在控制沉降中的作用。

盡管如此，目前人工回灌在工程降水領(lǐng)域的應(yīng)用仍屬于探索階段［8］，多本技術(shù)規(guī)范［9，10］將基坑回灌定義為一種控制因降水而引起的沉降的措施，對其概念進(jìn)行了敘述，但尚無專門的成熟設(shè)計方法作為參考。實際工程應(yīng)用中管井回灌的設(shè)計及運(yùn)行控制仍以個人主觀判斷為主;在回灌壓力取值、回灌管井結(jié)構(gòu)等方面仍存在較大的誤區(qū);對如何評價基坑工程回灌的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能，如何優(yōu)化回灌管井設(shè)計，尚缺乏相對可靠的綜合指標(biāo)用以評估。

本文將探討不同基坑回灌類型的差異，基于滲流分析的回灌設(shè)計原則、抽灌設(shè)計流程以及相關(guān)回灌管井設(shè)計參數(shù)的取值問題;通過285組基坑水文地質(zhì)數(shù)值模型，對比分析不同滲透各向異性系數(shù)、回灌井結(jié)構(gòu)、回灌井位置和保護(hù)建(構(gòu))筑物位置下的地下水滲流特征，在此基礎(chǔ)上提出回灌設(shè)計綜合指數(shù)，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及施工難度角度綜合評估回灌對保護(hù)建(構(gòu))筑物及坑內(nèi)降水的雙重作用，以期利用該指數(shù)作為基坑工程回灌優(yōu)化設(shè)計的指導(dǎo)參數(shù)。

1 基坑工程回灌類型

據(jù)回灌目的含水層的差異可以分為承壓水回灌和潛水回灌。在上海等軟土地區(qū)，由于潛水含水層基本被隔斷，本文所述回灌均指承壓水回灌，潛水回灌可借鑒執(zhí)行。

據(jù)回灌目的的差異可分為基于環(huán)境控制和基于水資源保護(hù)這2類不同控制要求的地下水回灌［6］。

據(jù)基坑地下水控制類型差異可分為無帷幕下、懸掛式帷幕下和隔斷式帷幕下的基坑回灌。

據(jù)止水帷幕功效發(fā)揮的差異可分為2類:

(1)繞流補(bǔ)償性回灌。抽水時因止水帷幕的作用，地下水水流從止水帷幕底部進(jìn)入基坑內(nèi)側(cè)，因繞流作用，坑外水位仍有一定下降而進(jìn)行的回灌補(bǔ)償。

(2)滲透破壞補(bǔ)救性回灌。因止水帷幕缺陷而引起坑內(nèi)外地下水的水平滲流補(bǔ)給，進(jìn)而引起坑外水位下降而進(jìn)行的回灌。該類型回灌必須嚴(yán)格控制回灌水頭及回灌井位置，避免因回灌引起止水帷幕缺陷擴(kuò)大化，以及二次不利變形的發(fā)生。

以上2類回灌在實際工程中往往同時存在，回灌設(shè)計時應(yīng)有針對性的進(jìn)行回灌管井設(shè)計。

2 基坑抽灌一體化設(shè)計

2．1 基坑抽灌一體化設(shè)計原則

基坑工程抽灌運(yùn)行控制的指標(biāo)包括不同開挖階段基坑內(nèi)水位控制值和保護(hù)建(構(gòu))筑區(qū)的水位控制值。抽灌一體化設(shè)計應(yīng)遵循以下原則:(1)以控制保護(hù)建(構(gòu))筑區(qū)地下水水位變化最小為原則，地下水水位抬升后水位應(yīng)不超過保護(hù)建(構(gòu))筑物處初始水位，同時必須保證基坑內(nèi)水位滿足降水設(shè)計要求;(2)當(dāng)坑內(nèi)外水位設(shè)計存在矛盾時，首要任務(wù)是使基坑內(nèi)水位滿足設(shè)計要求，在此基礎(chǔ)上盡量減弱保護(hù)建(構(gòu))筑物區(qū)的地下水水位變化。

回灌設(shè)計控制指標(biāo)參數(shù)包括以下3個(不含坑內(nèi)控制指標(biāo))。

控制設(shè)計低限值Sdl:建(構(gòu))筑物處最大水位降深允許值。該值的選取應(yīng)通過水文地質(zhì)特征、建(構(gòu))筑允許變形及變形特征綜合確定。

控制設(shè)計高限值SdH:建(構(gòu))筑物處最大水位抬升允許值。該值一般按抬高至初始水位考慮，如超過初始水位過多，則對變形控制也可能是不利的，比如建(構(gòu))筑物可能出現(xiàn)的上抬，或回灌停止后的建(構(gòu))筑物可能出現(xiàn)的變形。

回灌可調(diào)節(jié)限值Sdd:不同工況條件下回灌可抬高的最高水位值?；毓嗑牟荚O(shè)在平面上受到多方限制［10］，同時又必須考慮基坑內(nèi)水位降深要求，因此回灌井在不同工況所能調(diào)節(jié)的水位值有著嚴(yán)格的限制條件。

回灌設(shè)計的目標(biāo)是在基坑內(nèi)部滿足降水要求時，同時滿足以下公式:

滿足式(1)時，回灌對建(構(gòu))筑物處含水層水位控制是完全可靠的，消除了坑內(nèi)降水對建(構(gòu))筑物的影響，其回灌設(shè)計安全系數(shù)高。

當(dāng)由于基坑周邊環(huán)境的復(fù)雜性及受限于建筑紅線等問題，回灌井并非能按理論設(shè)計布設(shè)，其結(jié)果只能滿足式(2)或式(3)。

滿足式(2)時，回灌對建(構(gòu))筑物處含水層水位控制具有一定的可靠度，其主要作用是減弱水位降深對建(構(gòu))筑物的影響，使其影響在建(構(gòu))筑物允許的變形范圍內(nèi)，其回灌設(shè)計安全系數(shù)可接受。

滿足式(3)時，回灌只能一部分減弱水位降深對建(構(gòu))筑物的影響，需要增補(bǔ)其它措施才能確保建(構(gòu))筑物因降水引起的變形在允許范圍內(nèi)，其回灌設(shè)計安全系數(shù)較低。

在實際工程中，回灌作為一種輔助措施，其受限條件多。在基坑開挖不同階段，回灌可能分別滿足式(1)、(2)和(3)，因此在不同階段需設(shè)置不同的配套措施，綜合系統(tǒng)性地控制因水位下降引起的建(構(gòu))筑物變形。

2．2 主要水文地質(zhì)參數(shù)的獲取

抽灌一體化設(shè)計的前提是通過掌握現(xiàn)有水文地質(zhì)條件，分析現(xiàn)有水文條件下抽灌對環(huán)境變形的控制，設(shè)計中主要水文地質(zhì)參數(shù)包括如下幾個。

滲透系數(shù)(Kh，Kv):基坑區(qū)域面積小，地層起伏相對較大且受止水帷幕阻水等影響，地下水三維滲流特征明顯，因此采用Kh和Kv兩個參數(shù)值反映地下水滲流在水平向和垂直向上的差異。而目前國內(nèi)開展的普通抽水試驗一般是以解析法為基礎(chǔ)，求解單一滲透系數(shù)，缺少滲透系數(shù)在水平和垂向上的差異分析［11］，難以反映地下水三維流特征。滲透各向異性系數(shù)(Kv/Kh)較好地反映了地層在水平和垂向上的滲透差異。

儲水系數(shù)(μ):單位水平面積承壓含水層柱體，當(dāng)水頭下降1個單位時所釋放的水量。該值越大，水位降深幅度越小，此系數(shù)直接決定水位的升降及升降速率，同時該值與地面沉降間也存在一定的關(guān)系［12］。

管井單位涌水量(qc):抽水井井內(nèi)水位下降1 m，所對應(yīng)的管井平均出水量。通過該參數(shù)可計算出單井涌水量，對于工程本身具有較大的實際意義。管井單位涌水量除以對應(yīng)濾管的長度即為單米單位涌水量，該參數(shù)是抽水井濾管長度定量設(shè)計的一個重要參數(shù)。

管井單位回灌量(qh):回灌井井內(nèi)水位上抬1 m所對應(yīng)的平均回灌量。它是回灌設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)，一般的水文地質(zhì)勘察報告不會提供，在實際工程設(shè)計中可借鑒管井單位涌水量qc計算，理論上qh≈qc，但抽水與回灌時井壁四周的受力差異性大，且qh受施工的影響變幅相對較大，因此回灌設(shè)計時單位回灌量可按下式計算:

式中:η——阻力系數(shù)比，為保證設(shè)計的安全性，該值可取為1/2～1/3，滲透系數(shù)大的可取較大值。

在條件允許的情況下，應(yīng)通過單井三次定流量回灌試驗確定管井單位回灌量。管井單位回灌量除以對應(yīng)濾管的長度即為單米單位回灌量，該參數(shù)是回灌井濾管長度定量設(shè)計的一個重要參數(shù)。

2．3 抽灌設(shè)計流程

抽灌一體化設(shè)計流程如圖1所示，首先在掌握基本的水文地質(zhì)條件、基坑開挖概況、基坑圍護(hù)和環(huán)境條件后，進(jìn)行基坑降水設(shè)計，降水設(shè)計方法可參考文獻(xiàn)［13～14］。其次，通過計算預(yù)測基坑內(nèi)滿足不同降深時，保護(hù)建(構(gòu))筑物處的水位降深及區(qū)域內(nèi)的水位降深變化趨勢，分析坑內(nèi)降水對坑外環(huán)境的影響，判斷是否需要設(shè)置回灌井。如需進(jìn)行回灌，則先確定單井回灌設(shè)計量，然后依據(jù)現(xiàn)場條件分析影響管井平面布設(shè)的關(guān)鍵因素［7］，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行回灌井的概念設(shè)計。實際工程中，回灌管井的布設(shè)受到多方面因素的影響，迫使管井的布設(shè)不能按理想狀態(tài)布設(shè)，因此管井的布設(shè)應(yīng)通過地下水三維滲流計算，通過流場的再分布分析回灌管井布設(shè)的可靠性。對于需要進(jìn)行回灌設(shè)計的工程，建議針對工程的重要性及回灌的難易程度，開展不同程度等級的回灌試驗。

圖1 回灌設(shè)計流程圖

2．4 單井回灌設(shè)計量的確定

單井回灌設(shè)計量是影響回灌井后期布設(shè)的關(guān)鍵參數(shù)，它與回灌前建(構(gòu))筑物處含水層水位、回灌施加壓力相關(guān)，回灌前建(構(gòu))筑物處水位可通過降水設(shè)計計算獲得。回灌壓力的取值可參考文獻(xiàn)［6］中的最大安全回灌水頭Hsaf(原文獻(xiàn)在推導(dǎo)結(jié)果中遺忘了h2):

式中:Fl——回灌安全系數(shù);K0——靜止土壓力系數(shù);h2——粘土球分隔層底至地面間分隔層的厚度，m;γs——粘土球分隔層底至地面間各分隔層的平均重度，kN/m3;γw——水的重度，一般取 10 kN/m3。

如含水層層頂埋深為30 m，上部土體平均重度按 18 kN/m3考慮，則

當(dāng)Fl=1.0時Hsaf=10.00 m，即回灌壓力最大值約為0.1 MPa;

當(dāng)Fl=1.1時Hsaf=6.36 m，即回灌壓力最大值約為0.063 MPa;

當(dāng)Fl=1.2時Hsaf=3.33 m，即回灌壓力最大值約為0.033 MPa;

由式(5)可知，在淺層承壓水回灌中可施加的回灌壓力較小。當(dāng) h2=60 m，F(xiàn)l=1.0時，Hsaf=20.00 m，也即回灌壓力最大值約為0.2 MPa。而目前規(guī)范［11］中提出的加壓回灌值偏大，與實際現(xiàn)場所能達(dá)到值差別較大。

上海第Ⅰ承壓含水層層頂埋深一般約為30 m，第Ⅱ承壓含水層層頂埋深約為60 m，考慮到施工因素，為避免回灌井井壁冒水的現(xiàn)象，筆者認(rèn)為上海地區(qū)針對第Ⅰ承壓水的回灌壓力不宜超過0.1 MPa，建議設(shè)計值取0.06 MPa;針對第Ⅱ承壓水的回灌壓力不宜超過0.2 MPa，建議設(shè)計值取0.13 MPa。

在獲取回灌壓力設(shè)計值后可求取相應(yīng)的管井回灌量。回灌井的最大可回灌量是評估回灌井能力的一個關(guān)鍵參數(shù)。

回灌井的可回灌量可由下式計算:

式中:h0——無回灌狀態(tài)下的地下水水位埋深值，為負(fù)數(shù)值，m。

將式(5)代入式(6)得:

根據(jù)各地區(qū)施工條件及地層情況，可選取相應(yīng)的回灌安全系數(shù)，作為對應(yīng)的單井設(shè)計回灌量。

在上海地區(qū)建議將當(dāng)Fl=1.0時對應(yīng)的Qp為回灌井的最大單井可回灌量;當(dāng)Fl=1.1時對應(yīng)的Qp為回灌井的最大單井設(shè)計可回灌量。

如按 h2=30 m，γs=18 kN/m3，h0= －7 m，qh=0.4 m3/(h·m)考慮，則

當(dāng)Fl=1.0時，最大單井可回灌量Qp≈6.8 m3/h;

當(dāng)Fl=1.1時，最大單井設(shè)計可回灌量Qp≈5.4 m3/h;

當(dāng)需考慮群井回灌效應(yīng)時，可通過調(diào)節(jié)h0來計算群井作用下的單井可回灌量。

3 回灌管井結(jié)構(gòu)及位置布設(shè)分析

在基坑工程地下水控制的3種類型中［13］，懸掛式帷幕下的地下水抽灌流場、回灌管井結(jié)構(gòu)及位置布設(shè)相對復(fù)雜，本節(jié)將開展針對基坑懸掛式帷幕的抽水－回灌一體化設(shè)計的分析，并從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及施工難度角度提出優(yōu)化分析。

3．1 基坑懸掛式帷幕抽灌數(shù)值模型

圖2 模型概念平面布置示意圖

計算概念模型如圖2和圖3所示，抽水井(C1)位于基坑中間，基坑尺寸20 m×200 m，止水帷幕厚1.0 m，深度至 －45.0 m，離止水帷幕 5.0、10.0、15.0、20.0、30.0、40.0、50.0 和 60.0 m 的位置分別設(shè)置回灌井(H1～H8)，同時在基坑內(nèi)設(shè)置含水層觀測孔 F1，坑外離止水帷幕 2.5、7.5、12.5、17.5、25.0、35.0、45.0和55.0 m的位置分別設(shè)置含水層觀測孔(F2～F9)，各水位觀測點在剖面上分別位于埋深 －30.0、－35.0、－40.0、－45.0、－50.0、－55.0、－60.0 m 處。

圖3 水文地質(zhì)概念模型剖面示意圖

為分析不同滲透各向異性系數(shù)對回灌的影響，假設(shè)水平滲透系數(shù)為6.0 m/d，垂向滲透系數(shù)分別取0.5、1.0、2.0、4.0 和 6.0 m/d，對應(yīng)的滲透各向異性系數(shù)(Kv/Kh)分別為 0.083、0.167、0.333、0.667 和1(即 K1=0.083，K2=0.167，K3=0.333，K4=0.667，K5=1)。承壓含水層位于 －30.0～ －61.0 m間，初始水位埋深－5.0 m。

為分析不同回灌井結(jié)構(gòu)對基坑內(nèi)及建(構(gòu))筑物區(qū)的水位變化影響，回灌井濾管采用以下7類作為對比分析的基礎(chǔ)。A1類:濾管位置位于－30.0～－40.0 m;A2類:濾管位置位于－40.0～－50.0 m;A3類:濾管位置位于－50.0～－60.0 m;B類:濾管位置位于－30.0～－45.0m;C類:濾管位置位于－30.0～－50.0 m;D類:濾管位置位于－30.0～－55.0 m;E類:濾管位置位于－30.0～－60.0 m。抽水井濾管位置位于－30.0～－40.0 m。

假設(shè)含水層均一，不同深度處滲透系數(shù)相等，回灌井單米單位回灌量相等，抽水井單米單位涌水量為3倍單米單位回灌量，回灌井采用加壓回灌，回灌壓力為0.1 MPa(Hsaf=10 m)，據(jù)式(7)可得到不同回灌井類型下的單井回灌量，如表1所示。

表1 回灌井類型及相應(yīng)參數(shù)設(shè)置

3．2 模擬流程

依據(jù)前述的水文地質(zhì)概念模型進(jìn)行單井抽水模擬和單井抽水－單井回灌模擬(見表2)。

表2 模型設(shè)置

3．3 數(shù)值模擬計算與分析

為簡化計算，基坑抽水回灌過程中不考慮抽水井和回灌井井周地下水流場的特殊性，假設(shè)抽水－回灌過程中地下水在含水層中的運(yùn)動完全服從達(dá)西定律，回灌井作為一種補(bǔ)給源考慮，因此以連續(xù)性原理和達(dá)西定律為基礎(chǔ)，建立了三維地下水非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型［13］。數(shù)值計算分析采用modflow程序。

3．3．1 懸掛式帷幕下的坑內(nèi)抽水流場特征

圖4為坑內(nèi)單井抽水時坑內(nèi)外監(jiān)測點(F1和F2)不同埋深處的水位降深值，坑內(nèi)含水層(F1點)上部(濾管段)水位降深最大，其次為濾管底至止水帷幕段，止水帷幕下部的含水層水位降深最小。距離基坑較近的觀測點(F2)在不同深度處的水位降深存在明顯的差異，止水帷幕底附近的水位降深值最大，說明坑外地下水流場受到止水帷幕影響在一定區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)明顯的三維流特征。

圖4 抽水條件下的坑內(nèi)外水位降深值

由圖4可知，滲透各向異性系數(shù)的取值直接影響坑內(nèi)外的地下水流場特征，各向異性系數(shù)越大，坑內(nèi)水位降深越小，坑外水位降深越大;各向異性系數(shù)越小，坑內(nèi)水位降深越大，坑外水位降深越小，同時坑內(nèi)不同埋深處的水位降深差異越大(特別是濾管段)，三維流特征越明顯。

3．3．2 懸掛式帷幕下的抽灌流場特征

圖5為單井抽水－單井回灌時的坑內(nèi)外水位降深值，其中回灌井H1開啟，回灌井結(jié)構(gòu)采用A1型，此時不同埋深處的地下水流場趨勢與抽水時基本一致?？油釬2點處受到回灌井的影響，與抽水時相比三維流特征更加明顯，滲透各向異性系數(shù)越小，對應(yīng)的變化越大。

圖5 抽灌條件下的坑內(nèi)外水位降深值(H1回灌)

圖6為抽灌條件下回灌井(H1)回灌引起的坑內(nèi)外水位抬升值，H1回灌時坑內(nèi)水位抬升明顯，也即須考慮回灌對坑內(nèi)降水的不利影響?；毓鄷r，坑外F2處引起的水位抬升值受到井結(jié)構(gòu)、止水帷幕位置和滲透各向異性參數(shù)影響明顯，濾管段水位抬升值最大，其次為濾管底至止水帷幕段，止水帷幕下部的含水層水位抬升最小。滲透各向系數(shù)越小，坑外不同埋深處的水位抬升差異越大，即其值越小，越有利于抬升濾管段對應(yīng)的含水層水位。

圖6 抽灌條件下回灌井回灌引起的坑內(nèi)外水位抬升值(H1回灌)

3．3．3 不同回灌井結(jié)構(gòu)對地下水流場的影響

圖7為抽灌條件下回灌井H1分別采用不同井結(jié)構(gòu)回灌時引起的坑內(nèi)F1點處的水位抬升值，對坑內(nèi)含水層頂水位抬升由大到小的回灌井型分別為E、D、C、B、A2、A3、A1，同時不同埋深處的水位抬升值差異也較大，其值受到止水帷幕深度和回灌井結(jié)構(gòu)的綜合影響。

圖7 抽灌條件下回灌井H1分別采用不同濾管類型回灌引起的坑內(nèi)F1點水位抬升值

圖8為抽灌條件下回灌井H1分別采用不同井結(jié)構(gòu)回灌時引起的坑外F5點處水位抬升值，其值在不同埋深處存在一定差異，也即存在三維流特征。各類型結(jié)構(gòu)中，E型管的回灌對各點的水位抬升效果最大，對比A1、A2、A3這三類井管可知，當(dāng)回灌量相等時，濾管段對應(yīng)的含水層水位抬升值最大。

3．3．4 回灌井與基坑距離對地下水流場的影響

圖9為分別開啟回灌井H1至H8這8口回灌井時，坑內(nèi)F1點處的水位抬升值，由圖9可知，離基坑越近，對坑內(nèi)水位抬升越明顯，但受到止水帷幕和各向異性系數(shù)的影響，坑內(nèi)含水層層頂水位抬升值各階段相差較小。

圖8 抽灌條件下回灌井H1分別采用不同濾管類型回灌引起的坑外F5處水位抬升值

圖9 不同回灌井位置回灌時對坑內(nèi)水位抬升值影響(B型回灌井)

圖10 不同回灌井位置回灌時對坑外F5處的水位抬升值影響(B型回灌井)

圖10為分別開啟回灌井H1至H8這8口回灌井時，對坑外F5點處的水位抬升值，由圖10可知，離監(jiān)測點最近的H3和H4回灌時，水位抬升值最大，H1和H5與F5的距離相等，但受到止水帷幕的影響，H1對F5點的水位抬升效果更加明顯，但由圖9可知，H1回灌對坑內(nèi)水位降水更不利，因此回灌井位置的設(shè)置直接影響保護(hù)建(構(gòu))筑處的水位和基坑內(nèi)部的水位，如何評估優(yōu)化其設(shè)置是一個值得探討的問題。

3．4 討論

3．4．1 回灌因素討論

基于環(huán)境控制的基坑回灌的主要目的是在保證基坑安全的同時，減少坑外保護(hù)建(構(gòu))筑物處因地下水變化引起的地層擾動，減少對周邊環(huán)境的影響［6］。因此，回灌過程必須控制好基坑內(nèi)和保護(hù)建(構(gòu))筑物區(qū)的水位，也就是抽水－回灌應(yīng)控制好各點位處的地下水流場變化。由前述數(shù)值模擬分析可知，對于一個特定工程，影響其地下水流場分布特征的主要因素包括:水文地質(zhì)條件、基坑形狀、懸掛式止水帷幕深度、管井(抽水井和回灌井)結(jié)構(gòu)和回灌管井井位設(shè)置。

水文地質(zhì)條件是影響回灌目的能否完成的前提條件，包括含水層厚度、地下水水位、地下水排補(bǔ)給條件、滲透系數(shù)及其各向異性系數(shù)、儲水系數(shù)、含水層的滲透變形關(guān)系、含水層上下的土層特性以及含水層補(bǔ)給等因素。

其中滲透各向異性系數(shù)是關(guān)系懸掛式帷幕基坑抽灌運(yùn)行設(shè)計是否正確的關(guān)鍵參數(shù)之一，由前述計算可知，滲透各向異性系數(shù)越小，坑內(nèi)抽水對坑外水位下降的影響越小，同時坑外回灌對坑內(nèi)水位上抬的影響也越小。為準(zhǔn)確進(jìn)行抽灌一體化設(shè)計，在水文地質(zhì)勘察中應(yīng)準(zhǔn)確的提供該參數(shù)。

抽灌作用下，基坑附近的地下水流場具有明顯的三維流特征，含水層上下相鄰的土層中水壓力也將產(chǎn)生變化，也即該部分土層特性也將直接影響降水引起的環(huán)境變形，抽水回灌期間，需考慮不同土層的特性，避免只單一分析抽水含水層，而未找到降水引起環(huán)境變形的多土層因素。

前述計算可得到以下幾個結(jié)論。

(1)在抽灌運(yùn)行設(shè)計中止水帷幕的深度直接影響地下水流場變化，其設(shè)計應(yīng)建立在可靠的三維滲流分析基礎(chǔ)上。

(2)不同管井結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的地下水流場變化差異較大，濾管越長，回灌量越大，回灌效果也越好，但其經(jīng)濟(jì)性差，對坑內(nèi)的影響也越大，因此如何評估何種管井結(jié)構(gòu)更為合理需要一個綜合判斷指數(shù)。

(3)回灌井應(yīng)盡量布置于保護(hù)建(構(gòu))筑物處，為提高回灌效果，在距保護(hù)建(構(gòu))筑相同距離范圍內(nèi)，可將回灌井設(shè)置于靠近基坑側(cè)，以有效利用止水帷幕的作用，但此時回灌對坑內(nèi)的影響也將相應(yīng)增加，如何平衡兩種效果是值得探討的一個問題。

3．4．2 回灌設(shè)計評估參數(shù)探討

為進(jìn)一步分析討論抽灌設(shè)計的可行性及經(jīng)濟(jì)性，本文將對回灌效率值f、回灌影響基坑降水的不利因素f1、回灌影響坑外環(huán)境的有益因素f2、抽水水位降深比η、回灌水位抬升比μ和回灌設(shè)計綜合指標(biāo)F進(jìn)行相關(guān)定義。

回灌效率值f:通過管井回灌某處水位恢復(fù)百分比，其值為:

式中:S——抽水時監(jiān)測點處的水位降深值，m;Sh——抽灌一起作用時監(jiān)測點處的水位降深值，m。

抽灌一體化水位控制屬于雙水位控制，其中坑內(nèi)水位是指基坑內(nèi)含水層層頂?shù)乃?，屬于定點水位，回灌期間回灌將對坑內(nèi)安全造成不利影響;基坑外某點水位是指影響建構(gòu)筑物變形的含水層厚度范圍內(nèi)的加權(quán)平均水位降深值，回灌對其影響是有益的。

對于回灌影響基坑降水的不利因素f1定義為:

式中:Sd——抽水時基坑內(nèi)監(jiān)測點含水層層頂處的水位降深值，m;Sdh——抽灌一起作用時監(jiān)測點含水層層頂處的水位降深值，m。

對于回灌影響坑外環(huán)境的有益因素f2可設(shè)為:

坑外回灌對坑內(nèi)地下水水位控制屬于不利因素，對坑外水位控制屬于有利因素，各種不同回灌井對其影響各有差異，為評價某類井在某一條件下的優(yōu)越性，本文將定義回灌設(shè)計綜合指標(biāo)F。

回灌設(shè)計綜合指標(biāo)F:將影響建構(gòu)筑物變形的土層厚度范圍內(nèi)的加權(quán)平均水位降深值減小至特定值，同時坑內(nèi)含水層層頂水位達(dá)到設(shè)計水位降深值時所需增設(shè)的降水井及回灌井的經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合評估值。其值越低，對應(yīng)的抽灌設(shè)計經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合優(yōu)勢越高。

抽水回灌是一個循環(huán)運(yùn)行的過程，假設(shè)η和μ為常數(shù)，考慮滿足坑內(nèi)水位要求而增加的抽水量，當(dāng)抬高建(構(gòu))筑物處1 m水頭時回灌井需抬高的實際水位值為:

式中:a1——采用回灌井抬高1 m水頭(平均降深)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，與回灌井?dāng)?shù)量和井深等有關(guān);a2——采用抽水井下降1 m水頭(含水層層頂)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，與抽水井水量和井深有關(guān);l1——回灌井井深，m;l2——抽水井井深，m;C1和 C2——分別為回灌井和抽水井的單米造價價格指數(shù)，當(dāng)需要反應(yīng)抽水井與回灌井的運(yùn)行風(fēng)險差異或施工難度等級時，可通過調(diào)整C1和C2完成。

3．4．3 F 指標(biāo)探討

本節(jié)將利用前述計算結(jié)果，計算相應(yīng)的F指標(biāo)，探討F在抽灌設(shè)計中的應(yīng)用。其中C2=1，C1=1.5，Sd和Sdh分別為單井抽水和單井抽－單井灌作用時F1點處含水層層頂水位降深值分別為單井抽水和單井抽－單井灌作用時監(jiān)測點(F2～F9)在含水層(－30～－60 m)不同深度上的算數(shù)平均水位降深值。井結(jié)構(gòu)參數(shù)見模型。

3．4．3．1 不同回灌井結(jié)構(gòu)在F值中的反映

圖11為H1采用不同回灌井結(jié)構(gòu)回灌時，不同觀測點處計算得到的F值曲線圖，由圖可見，在H1回灌時，離其最近的F2觀測點處的F值最小，F(xiàn)9處的F值最大，E型井管所對應(yīng)的F值最小。在H4回灌時，具有同樣的趨勢。

3．4．3．2 回灌井與基坑位置差異在F值中的反映

圖12為B型回灌井在不同點位處回灌所對應(yīng)的F值。由圖可知，保護(hù)建(構(gòu))筑物位于不同點位時，所對應(yīng)的F值差異較大。位于F2和F3點時，F(xiàn)值隨距離增加而增加;位于F9點時，F(xiàn)值隨距離增加而減小;其余各點F值曲線為凹形曲線，最低值位于一定距離內(nèi)。可見如要優(yōu)化回灌井井位的布設(shè)必須綜合考慮基坑位置及保護(hù)建(構(gòu))筑物的位置，而F值較好的考慮了該因素對回灌在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的影響。

圖11 H1采用不同回灌井型時的F值

圖12 B型回灌井在不同點位處回灌所對應(yīng)的F值

3．4．3．3 滲透各向異性系數(shù)對F值的影響

圖13是H4采用B型井回灌時不同滲透各向異性系數(shù)所對應(yīng)的F值。由圖可知，各向異性系數(shù)越小，F(xiàn)值越小，對回灌越有利。

圖13 不同滲透各向異性系數(shù)對F值的影響

3．4．3．4 影響建(構(gòu))筑物變形的含水層厚度范圍在F中的反映

由圖14可知，E型井管所對應(yīng)的F值最小，分析其原因主要是本次計算中取為含水層各監(jiān)測點的平均值，如影響建(構(gòu))筑物變形的含水層厚度范圍變成含水層層頂上段10 m，則對應(yīng)的F值如圖14所示，當(dāng)保護(hù)建(構(gòu))筑物位于F2和F3點，則采用B型井管最為合理，當(dāng)位于F4～F9這6個位置時則采用E型管最為合理。因此規(guī)范中要求回灌管井濾管底不低于止水帷幕，這一規(guī)定是不合適的。采用何種管型需在合理確定影響建(構(gòu))筑物變形的含水層厚度范圍基礎(chǔ)上計算回灌設(shè)計綜合指數(shù)后確定。

圖14 含水層變化后H1采用不同回灌井型時的F值

4 結(jié)語

探討了不同基坑回灌類型的差異性，按止水帷幕功效發(fā)揮的差異將基坑回灌分為繞流補(bǔ)償性回灌和滲透破壞補(bǔ)救性回灌。

探討了回灌設(shè)計中的控制指標(biāo)問題以及抽灌設(shè)計流程。

提出了最大回灌壓力的計算，并認(rèn)為現(xiàn)行規(guī)范中的回灌壓力取值偏大，筆者認(rèn)為上海地區(qū)針對第Ⅰ承壓水(含水層頂板埋深約為30 m)的回灌壓力不宜超過0.1 MPa，建議設(shè)計值取0.06 MPa;針對第Ⅱ承壓水(含水層頂板埋深約為60 m)的回灌壓力不宜超過0.2 MPa，建議設(shè)計值取0.13 MPa。

滲透各向異性系數(shù)是關(guān)系懸掛式帷幕基坑抽灌運(yùn)行設(shè)計是否正確的關(guān)鍵參數(shù)之一，滲透各向異性系數(shù)越小，坑內(nèi)抽水對坑外水位下降的影響越小，坑外回灌對坑內(nèi)水位上抬的影響也越小。為準(zhǔn)確地進(jìn)行抽灌設(shè)計，在水文地質(zhì)勘察中應(yīng)準(zhǔn)確提供該系數(shù)。

不同管井結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的地下水流場變化差異較大，濾管越長，回灌量越大，回灌效果越好，但其經(jīng)濟(jì)性較差，對坑內(nèi)的影響也越大。

提出了回灌設(shè)計綜合指數(shù)F，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及施工難度角度綜合評估回灌對保護(hù)建(構(gòu))筑物以及對坑內(nèi)降水的雙重作用，為后期進(jìn)行回灌的優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。通過綜合指數(shù)的分析認(rèn)為在實際設(shè)計中必須合理確定影響建(構(gòu))筑物變形的含水層厚度范圍;規(guī)范中要求回灌管井濾管底不低于止水帷幕，這一規(guī)定是不合適的。采用何種管型最合理可通過回灌設(shè)計綜合指數(shù)的計算對比選取。

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