車(chē)燦輝

(1.安徽省地礦局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽 蚌埠 233000； 2.安徽水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

滲透系數(shù)是水文地質(zhì)計(jì)算中的一個(gè)重要參數(shù)[1]。在富水地層中進(jìn)行深基坑工程建設(shè)時(shí)，其取值的正確與否對(duì)涌水量的估算、周邊環(huán)境的影響評(píng)價(jià)以及地下水控制技術(shù)的確定等起到至關(guān)重要的作用，特別是對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的型式、深度等的確定。滲透系數(shù)的測(cè)定方法很多，例如在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定、用物探方法測(cè)定等[1]，但最有效的辦法還是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)或注水試驗(yàn)[1-2]，根據(jù)流量與水位變化之間的關(guān)系，通過(guò)解析公式(Dupuit、Thies等)或數(shù)值法(有限差分、有限元)對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

解析法有很大的局限性，只適用于含水層幾何形狀規(guī)則、方程式簡(jiǎn)單、邊界條件單一的情況，例如均質(zhì)各向同性、等厚的含水層[3]。因此，利用解析法時(shí)，需將場(chǎng)地概化為均質(zhì)各向同性、等厚的含水層，求解的結(jié)果為等效滲透系數(shù)，不能反映出各地層的滲透性能差異。

對(duì)于含水層邊界形狀不規(guī)則、厚度變化、非均質(zhì)和各向異性、多種邊界條件同時(shí)存在等，解析法都無(wú)法適用。而數(shù)值法可將整個(gè)滲流區(qū)分割成若干個(gè)形狀規(guī)則的單元，這些單元可以近似地看成是均質(zhì)的，可以很容易建立起描述各個(gè)單元地下水流動(dòng)的關(guān)系式，把本來(lái)是形狀不規(guī)則的、非均質(zhì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為容易計(jì)算的形狀規(guī)則的、均質(zhì)問(wèn)題。各個(gè)單元可以根據(jù)需要選擇合適的水文地質(zhì)參數(shù)，單元形狀也可以不同，把所有單元合在一起就能表現(xiàn)出滲流區(qū)域在幾何上的不規(guī)則形狀和在水文地質(zhì)上的非均質(zhì)性，可以很方便地處理解析法難以解決的困難，適用于任何復(fù)雜的地下水流問(wèn)題[3-4]。

1 抽水試驗(yàn)概況

福州一地鐵車(chē)站全長(zhǎng)約280 m、寬約20 m、深6.5～18.5 m，位于倉(cāng)山區(qū)，距離烏龍江約800 m，周邊存在居民小區(qū)及大量管線。車(chē)站所處場(chǎng)地自上而下主要為〈2-5-2〉粗中砂(稍密)、〈2-5-2〉粗中砂(中密)、〈3-3〉中粗砂、〈3-8〉卵石層，厚度>50 m，為典型的非均質(zhì)潛水含水層，與烏龍江水存在水力聯(lián)系，存在降水難度大、周邊沉降控制難度大等風(fēng)險(xiǎn)。地下水的控制方式?jīng)Q定了工程的造價(jià)及安全性，因此，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，特進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，確定各層水文地質(zhì)參數(shù)，為地下水控制設(shè)計(jì)提供資料。

為真實(shí)地反映止水帷幕影響下的地下水流特征，以及準(zhǔn)確地獲取垂直方向的滲透系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)采用三軸攪拌樁施工面積20 m×10 m、深30 m的臨時(shí)懸掛式止水帷幕。在帷幕內(nèi)施工4口抽水井、1口觀測(cè)井，帷幕外施工1口抽水井、4口回灌井、7口水位觀測(cè)孔，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 試驗(yàn)井平面布置(單位：m)

圖2 試驗(yàn)井與地層剖面位置(單位：m)

根據(jù)場(chǎng)地地層特征，抽水井采用大口徑管井，孔徑600 mm、管徑325 mm，深度盡量接近開(kāi)挖階段生產(chǎn)井深度；觀測(cè)井孔徑300 mm、管徑150 mm、深度大于基坑深度，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)一覽

試驗(yàn)過(guò)程中，分別進(jìn)行帷幕外抽水、帷幕內(nèi)抽水、水位恢復(fù)、驗(yàn)證性抽水，具體見(jiàn)表2。帷幕外單井抽水時(shí)，抽水量約200 m3/h，主井水位降深僅為8 m，而最近觀測(cè)井最大水位降深僅約0.70 m，反映出場(chǎng)地地下水極其豐富。

現(xiàn)場(chǎng)采用穩(wěn)定流進(jìn)行抽水試驗(yàn)，為滿足非穩(wěn)定流計(jì)算要求，結(jié)合非穩(wěn)定流要求進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)。

2 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

2.1 穩(wěn)定流解析法

表2 試驗(yàn)過(guò)程一覽

經(jīng)過(guò)條件概化，帷幕外GC02單井抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)可近似滿足解析法適用條件。根據(jù)《供水水文地質(zhì)手冊(cè)(第二冊(cè))》，選擇以下計(jì)算公式：

其中：

l″=l0-0.5(S1+S2)

式中：S1、S2——觀測(cè)孔的水位降深值，m；r1、r2——觀測(cè)孔至抽水井間的中心距離，m；Q——抽水井涌水量，m3/h或m3/d；l0——濾管長(zhǎng)度，m。

利用觀測(cè)孔GC03、GC04、GC07水位數(shù)據(jù)求得綜合滲透系數(shù)為106.8～110.65 m/d，見(jiàn)表3。

表3 穩(wěn)定流計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)結(jié)果

2.2 數(shù)值法

2.2.1 概念模型

根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)特征，對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化，建立本工程水文地質(zhì)概念模型。平面上，西側(cè)烏龍江直接切割含水層，對(duì)含水層進(jìn)行補(bǔ)給，取烏龍江為模型西側(cè)邊界，設(shè)定為定水頭補(bǔ)給邊界；其余三側(cè)距離天然水文地質(zhì)邊界較遠(yuǎn)，為克服邊界的不確定性給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)影響，將其設(shè)置在抽水影響范圍以外，人為處理為零流量邊界；模擬區(qū)范圍約2300 m×2000 m，見(jiàn)圖3。剖面上，由于地層起伏變化，根據(jù)地層巖性、鉆孔柱狀資料對(duì)含水層組進(jìn)行劃分，見(jiàn)圖4。

圖3 三維模型及網(wǎng)格剖分

圖4 模型地層概化示意

2.2.2 數(shù)學(xué)模型

由于含水層組由多個(gè)含水介質(zhì)相差較大的含水層組成、厚度起伏變化且存在止水帷幕影響，地下水流復(fù)雜，三維模型能很好地刻畫(huà)此種情況下地下水的實(shí)際流動(dòng)情況，地下水流連續(xù)性方程及其定解條件如下：[4]

H(x,y,z,t)=H0(x,y,z,0) (x,y,z)∈Ω

H(x,y,z,t)|Γ1=H1(x,y,z,t) (x,y,z)∈Γ1

式中：Kxx、Kyy、Kzz——平行于主軸x、y和z方向的滲透系數(shù)，L/T；W——單位體積流量，用以代表流進(jìn)或流出的源匯項(xiàng)，m3/d；h——點(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻的水位，m；Ss——儲(chǔ)水率，L/m；Ω——滲流區(qū)域；H0(x,y,z,0)——研究區(qū)各層初始水頭值；H1(x,y,z,t)——研究區(qū)各層第一類邊界Γ1上的已知水頭函數(shù)，L；q(x,y,z,t)——第二類邊界Γ2上的單位面積法向流量[L2T-1]，對(duì)于隔水邊界，q=0。

2.2.3 網(wǎng)格剖分

采用六面體網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格大小25 m×25 m，在抽水井、臨時(shí)止水帷幕附近采用較小的網(wǎng)格距進(jìn)行再次剖分，大小約1 m×1 m，平面上剖分為84行、105列，共44100個(gè)網(wǎng)格。剖面上，根據(jù)地層巖性、鉆孔柱狀資料、臨時(shí)止水帷幕深度等對(duì)含水層組進(jìn)行劃分，分為6層(見(jiàn)圖4)。

2.2.4 參數(shù)反演

本次利用帷幕內(nèi)觀測(cè)井GC01以及帷幕外觀測(cè)井GC02、GC06的實(shí)測(cè)水位曲線與數(shù)值模擬計(jì)算的水位曲線進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)反復(fù)調(diào)整參數(shù)，得出圖5～7所示擬合情況較好的曲線。210組數(shù)據(jù)中，標(biāo)準(zhǔn)誤差0.006 m、殘差均值0.029 m，均方根0.096 m，標(biāo)準(zhǔn)均方根1.006%，相關(guān)系數(shù)達(dá)到1.0，僅3個(gè)數(shù)據(jù)誤差>5%(見(jiàn)圖8)。相應(yīng)的滲透系數(shù)見(jiàn)表4。

圖5 GC03觀測(cè)井水位擬合曲線

圖6 GC06觀測(cè)井水位擬合曲線

圖7 GC01觀測(cè)井水位擬合曲線

圖8 反演結(jié)果誤差分析

表4 水文地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)《水文地質(zhì)手冊(cè)(第二版)》，粗砂滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為25～50 m/d、礫砂為50～100 m/d、圓礫為75～150 m/d。本次抽水試驗(yàn)，采用穩(wěn)定流解析公式計(jì)算得到的綜合滲透系數(shù)約為110 m/d，采用數(shù)值反演得到的粗中砂層水平向滲透系數(shù)為65.7～100.07 m/d，遠(yuǎn)大于粗砂層滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值，似乎不合常理。

理論上，由于砂層密實(shí)程度的影響，上部稍密粗中砂層的透水性要大于中密粗中砂層；同時(shí)，在成井施工過(guò)程中，17 m以淺地層粘粒含量極少，幾乎無(wú)泥漿，17 m以深開(kāi)始出現(xiàn)少量粘粒；另外，在抽水過(guò)程中，深層水位觀測(cè)孔的水位降深要大于淺層觀測(cè)孔，這些均符合數(shù)值法反演結(jié)果中的上部粗中砂層的滲透系數(shù)大于下部粗中砂。

為模擬基坑開(kāi)挖階段的最大水位降深，后期又將帷幕內(nèi)的水位降至地面以下17 m(水位降深達(dá)12.65 m)，觀測(cè)到坑外水位降深約1.60 m，并逐漸停抽，觀測(cè)水位回升。同時(shí)也利用此次水位數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)，模型計(jì)算的曲線與實(shí)際觀測(cè)曲線吻合極好(見(jiàn)圖9)。

圖9 驗(yàn)證抽水階段GC01觀測(cè)井水位擬合曲線

從擬合圖中可以看出，數(shù)值模擬水位變化和實(shí)測(cè)水位變化規(guī)律基本一致，模擬結(jié)果基本反映了抽水過(guò)程中觀測(cè)井水位變化，較真實(shí)地反映了含水層的滲流特征，所建模型能夠代表場(chǎng)地的水文地質(zhì)特征，可以用于深基坑地下水控制計(jì)算。

另外，根據(jù)周邊居民反映，場(chǎng)區(qū)主要為人工堆填而成，上部砂層并非自然沉積而成，滲透系數(shù)超過(guò)經(jīng)驗(yàn)值屬于正常情況。

4 結(jié)論

(1)本次抽水試驗(yàn)周期長(zhǎng)，獲取了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并利用數(shù)值法反算了各層的水文地質(zhì)參數(shù)，為基坑地下水控制技術(shù)的確定提供了可靠的依據(jù)，經(jīng)后期基坑降水實(shí)踐，計(jì)算的滲透系數(shù)真實(shí)可靠。

(2)在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下進(jìn)行深基坑工程設(shè)計(jì)，有必要在前期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，為深基坑地下水控制提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。

(3)利用臨時(shí)止水帷幕進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，更能夠反映地下水的繞流特征，所計(jì)算的垂向滲透系數(shù)更具有代表性。