李大寧 趙 剛 韓冬冰

(1.北京市政路橋股份有限公司，北京 100045；2.北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院，北京 100101； 3.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

隨著城市地下空間開發(fā)利用的迅速發(fā)展，地下工程的埋置深度越來越大，為保證基坑施工干槽作業(yè)需要[1]，所需抽排的地下水越來越多，給城市地下水保護(hù)提出了更高的要求。降水與回灌結(jié)合作為一種有效解決措施應(yīng)運(yùn)而生。

本文采用GMS軟件對(duì)基坑降水與回灌過程進(jìn)行模擬分析，并以“房山線北延工程某區(qū)間風(fēng)井降水回灌工程”為例，分析探討模型分析的可行性及準(zhǔn)確性，并研究回灌對(duì)坑外水位變化及地面沉降的影響。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

該區(qū)間風(fēng)井位于豐臺(tái)區(qū)。場地位于永定河沖洪積扇的中部，為永定河沖洪積平原地貌。擬建場地地形較為平坦，地面標(biāo)高為40.2 m～44.97 m。區(qū)間自房山線北延工程某站北端引出，設(shè)置有正線及折返線共四條線，折返線段設(shè)有風(fēng)井一座。區(qū)間風(fēng)井兼做區(qū)間暗挖工作井，區(qū)間在風(fēng)井明挖結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行暗挖施工。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場地各土層土性特征如下：①雜填土、素填土，層厚3.0 m～7.40 m；③細(xì)中砂，層厚0 m～2.10 m；④圓礫，層厚5.70 m～5.80 m；⑤卵石，層厚5.50 m～7.40 m；⑥卵石，層厚16.70 m～18.10 m；⑦-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖，層厚3.70 m～3.80 m，場地典型地層剖面見圖1。區(qū)域內(nèi)共一層地下水，類型為潛水。地下水主要賦存于卵石層中，潛水含水層主要為卵石⑥層。

2 基坑降水與回灌設(shè)計(jì)

地下水位在結(jié)構(gòu)底板以上約6.545 m，對(duì)施工影響較大，故采用降水方案，共布置160眼降水井(含區(qū)間風(fēng)井)，井徑600 mm，井深40 m，平均井間距為7 m。

根據(jù)現(xiàn)場情況，選取距地鐵區(qū)間風(fēng)井東北側(cè)650 m處，新豐草河下游段河道南岸作為回灌區(qū)，該區(qū)域東西長350 m，南北寬14 m。該場區(qū)空曠，周邊建筑物少，具備輸水管線鋪設(shè)條件，是回灌場地的理想選擇?；毓嗑凑彰颗?2眼井，東西向每眼井間距8 m，共計(jì)兩排。兩排井南北向間距10 m,共計(jì)84眼。采用φ529 mm的鋼管井，孔隙率為18%～20%。

3 基坑降水與回灌的三維數(shù)值建模

3.1 數(shù)值建模建立

根據(jù)本場地水文地質(zhì)條件，將模擬區(qū)域水文地質(zhì)滲流系統(tǒng)概化、單元剖分，建立與之相適應(yīng)的地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型[2]。本次模型采用單層巨厚卵石地層模型，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際降水與回灌情況水量情況，考慮區(qū)域內(nèi)地下水位年內(nèi)和年際變化，選定數(shù)值模型模擬的時(shí)間選擇在2017年3月～2018年11月。模擬期劃分為9個(gè)應(yīng)力期，第1個(gè)應(yīng)力期為5 d，第2個(gè)應(yīng)力期為25 d，后8個(gè)應(yīng)力期為一個(gè)自然月。在模型模擬計(jì)算中，第1個(gè)與第2個(gè)應(yīng)力期，計(jì)算步長為1.2。后8個(gè)應(yīng)力期，為了達(dá)到較高的穩(wěn)定性和模擬效果，計(jì)算的時(shí)間步長為10。模型計(jì)算中需要的主要水文地質(zhì)參數(shù)有：潛水含水層滲透系數(shù)、含水層初始水位。根據(jù)巖土工程勘察資料，該層含水層的滲透系數(shù)為420 m/d。初始水位標(biāo)高為21 m。

3.2 模型可靠性分析

為驗(yàn)證數(shù)值模型合理性，將本次模型模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。選用模擬區(qū)域內(nèi)6眼長期觀測孔實(shí)測資料進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果見圖2。

擬合結(jié)果顯示，模型計(jì)算值實(shí)際觀測值整體上擬合較好，能夠較好的反映該點(diǎn)地下水位動(dòng)態(tài)，滿足GB/T 14497—33地下水資源管理模型工作要求，擬合計(jì)算時(shí)間段內(nèi)，水位變化值小于10%的節(jié)點(diǎn)占已知水位節(jié)點(diǎn)的70%以上的要求。表明該模型能夠可靠有效地反映該區(qū)域水文地質(zhì)條件，水文地質(zhì)參數(shù)的選取合理，模型可靠。

4 基坑降水與回灌的數(shù)值模擬分析

4.1 降水回灌對(duì)地下水位的影響

通過數(shù)值模型計(jì)算生成地下水達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的水位等值線圖，見圖3。

由地下水位等值線可知，回灌9個(gè)月地下水位達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，區(qū)間降水區(qū)水位最低為18 m，回灌區(qū)水位最高為25 m，由于降水與回灌的相互影響，區(qū)間降水區(qū)與回灌區(qū)之間地下水位線密集，形成了較大的水力梯度，回灌后部分地下水會(huì)回流至基坑內(nèi)，并導(dǎo)致原降水涌水量增加(見圖4)。

4.2 回灌對(duì)坑外地面沉降的影響

根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程7.5.1條可知，降水引起的地層壓縮變形量可按下式計(jì)算：

降水引起的漏斗中心處沉降計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 沉降計(jì)算主要參數(shù)表

經(jīng)計(jì)算，降水漏斗中心的最大沉降約為6.75 mm，總沉降量較小。本次數(shù)值沉降分析是基于地下水位分析的基礎(chǔ)上開展，繪制得沉降剖面圖見圖5。

由計(jì)算結(jié)果可知，地表位移在降水區(qū)附近為沉降，在回灌區(qū)附近為隆起。最大沉降值為4.65 mm，位于降水漏斗中心，最大隆起值為3.3 mm，位于回灌區(qū)中心。

5 結(jié)論及建議

1)利用GMS軟件模擬基坑降水與回灌，可通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)校正模型，提高模型準(zhǔn)確性；2)數(shù)值模擬方法，充分考慮過程中降水與回灌的相互影響，是解決降水回灌等復(fù)雜問題的重要手段；3)通過數(shù)值分析及現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測可知，回灌顯著影響區(qū)間風(fēng)井基坑外地下水位，并形成了較大的水力梯度;4)通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測，利用三維非穩(wěn)定流模型預(yù)測地下水位及地表沉降，具有較高的準(zhǔn)確性。