孫劍平，許瑞健，江宗寶，邵廣彪，

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東建大工程鑒定加固研究院，山東 濟(jì)南250014）

0 引言

深基坑工程進(jìn)行坑內(nèi)降水時(shí)將大量抽取地下水，止水帷幕滲漏及地下水的繞滲將會(huì)影響基坑周圍場地地下水平衡而產(chǎn)生固結(jié)沉降［1］，同時(shí)大量抽取地下水也將會(huì)造成水資源浪費(fèi)。如濟(jì)南西客站片區(qū)距離中心區(qū)約為10 km的范圍內(nèi)，長期穩(wěn)定的地下水位埋深約為2.0～3.0 m，隨著該片區(qū)近年來的大規(guī)模水位下降的影響，目前總體地下水位埋深已穩(wěn)定在6.0～8.0 m，水位下降造成的大范圍地面沉降將對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生較為不利的影響，同時(shí)也不利于地下水資源的保護(hù)。因此，發(fā)展人工回灌技術(shù)既可以有效控制地下水位的穩(wěn)定，減小土體固結(jié)沉降，避免周邊環(huán)境沉降事故，也可以將坑內(nèi)降水再次回灌于地下，有效地保護(hù)水資源，避免城市沉降漏斗的產(chǎn)生。

目前，地下水控制技術(shù)規(guī)范對(duì)回灌設(shè)計(jì)及施工進(jìn)行了相關(guān)的規(guī)定［2］，但由于地層的差異性及復(fù)雜性，回灌理論計(jì)算與工程實(shí)際相比仍有一定的差距。隨著城市地下工程建設(shè)力度的日益增加，對(duì)基坑周邊環(huán)境保護(hù)及地下水回灌引起更多學(xué)者的關(guān)注，主要在理論分析、現(xiàn)場試驗(yàn)和工程應(yīng)用等方面進(jìn)行了相應(yīng)的研究。毛根海等［3］利用勢流理論和鏡像原理，推導(dǎo)了完整及非完整抽—注水井耦合作用時(shí)浸潤線的計(jì)算公式；鄭剛等［4］在天津某地鐵基坑工程場地開展了單井抽灌試驗(yàn)和群抽群灌試驗(yàn)，全面研究了天津第二粉土粉砂微承壓含水層回灌特性；吳建中等［5］對(duì)防治上海市地面沉降進(jìn)行了人工回灌試驗(yàn)研究；俞建霖等［6］采用水頭線性疊加的方法提出了5步驟的回灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為工程應(yīng)用提供參考方法；趙志航等［7］進(jìn)行深層承壓水回灌數(shù)值研究，表明深層承壓水層回灌能有效控制保護(hù)區(qū)水位變化和地表沉降；王國富等［8］采用模糊層次分析和專家調(diào)查法，研究了濟(jì)南地鐵車站基坑的回灌適宜性，確定含水層滲透系數(shù)及厚度為地下水回灌最重要的因素；瞿成松等［9］基于下負(fù)荷面劍橋理論，建立地面沉降的數(shù)學(xué)模型，科學(xué)預(yù)測了人工回灌下深基坑工程的地面沉降，與實(shí)際數(shù)據(jù)較為吻合；李罡［10］以濟(jì)南軌道交通R1線工程為背景，針對(duì)濟(jì)南的水文地質(zhì)條件，歸納總結(jié)了回灌技術(shù)的實(shí)施要點(diǎn)；牛磊等［11］通過對(duì)比地下水回灌前后的各項(xiàng)實(shí)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行回灌可以有效地保證基坑與周邊建筑物的穩(wěn)定；曾超峰等［12］研究了主、副回灌井布置條件下，副回灌井的回灌量對(duì)組合回灌引起的土體變形的影響，并從控制土體變形方面對(duì)回灌井的布置提出了建議。

上述研究，雖然針對(duì)地下水回灌的不同方面開展了相關(guān)研究，但對(duì)于承壓水層場地單井常壓條件下回灌影響半徑及回灌能力尚未有系統(tǒng)的研究。文章利用濟(jì)南西客站片區(qū)某工程建設(shè)場地，對(duì)于該地區(qū)多層承壓含水砂層非均質(zhì)場地，開展實(shí)際場地的多次單井常壓回灌試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析，修正了該場地條件下單井回灌影響半徑及回灌能力計(jì)算方法。

1 濟(jì)南多層承壓含水層回灌場地概況

1.1 試驗(yàn)場地簡介

濟(jì)南西客站片區(qū)某商業(yè)開發(fā)項(xiàng)目共有兩個(gè)地塊，分列于規(guī)劃道路東、西兩側(cè)，其中東地塊后期建設(shè)，地塊內(nèi)空曠，經(jīng)協(xié)商后可利用西側(cè)地塊抽取的地下水在東地塊進(jìn)行回灌試驗(yàn)研究，從而為試驗(yàn)提供了較為有利的場地條件。

為減少工程浪費(fèi)，回灌研究時(shí)東地塊擬建建筑已設(shè)計(jì)完畢，故在現(xiàn)場可根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行后期降水井施工，試驗(yàn)時(shí)則利用此次施工的降水井開展回灌研究，由于該場地?zé)o任何地下結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)?zāi)芊从匙杂蓤龅亟邓盎毓嗵匦?。達(dá)到了開工節(jié)點(diǎn)，上述降水井再投入到實(shí)際工程中。

1.2 場地地質(zhì)條件

根據(jù)場地勘察報(bào)告，場地區(qū)域地貌類型屬山前沖積平原，地層以粉質(zhì)黏土和粗砂層為主，場地典型地層剖面如圖1所示。

圖1 場地典型地質(zhì)剖面圖

對(duì)于粗砂層，④層粗砂主要為黃褐色，其松散、濕且局部飽和，主要礦物成分為石英、長石，其呈亞圓狀、顆粒均勻、級(jí)配不良，平均厚度為1.08 m。⑦層粗砂主要為黃褐色，其稍密、局部密實(shí)且飽和，主要礦物成分為石英、長石，其呈亞圓狀、顆粒均勻、級(jí)配不良，含黏性土團(tuán)塊及圓礫，并局部含圓礫較多；該層局部呈泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，巖芯呈短柱狀、塊狀，泥質(zhì)膠結(jié)處較易鉆進(jìn)，巖芯手可掰開；鈣質(zhì)膠結(jié)處較難鉆進(jìn)，巖芯錘擊不易碎，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)程度不一，呈不規(guī)律分布，其平均厚度為1.20 m。

對(duì)于粉質(zhì)黏土層，②和③層均有描述局部夾粉土薄層，厚度為20～40 cm；⑤和⑥層均有描述局部含姜石或少量粗砂及圓礫。

場地地下水屬于第四系空隙潛水，勘察期間測得地下水穩(wěn)定水位埋深約為7.5 m，水位標(biāo)高為19.60 m。④與⑦層粗砂層總厚度為2.28 m，其滲透系數(shù)遠(yuǎn)超出其上下粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)，故此兩層可視為該場地的透水層和主要回灌層。另外，由于上下隔水層的存在，粗砂層具有一定的微承壓性；由黏性隔水層和中粗砂透水層間隔分布，形成濟(jì)南地區(qū)西部常見的多層非均質(zhì)場地，其主要地層分布及滲透系數(shù)見表1。

表1 場地土層參數(shù)表

2 多層承壓含水層回灌試驗(yàn)布置

在地下水抽取過程中，地下水位曲線逐漸呈漏斗狀，水的滲流帶是原始地下水位以下及井內(nèi)水位以上的土層；在回灌的情況下，地下水位曲線呈倒漏斗狀，水的滲流帶是周圍地下水位以上及井內(nèi)水位以下的土層，降水與回灌影響曲線如圖2所示。由于滲透系數(shù)是場地固有特性，影響范圍受滲透系數(shù)的影響顯著，為確?；毓嘣囼?yàn)的順利實(shí)施，取得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將根據(jù)地層相關(guān)參數(shù)計(jì)算后，繼續(xù)回灌井的布置。

圖2 降水與回灌影響曲線示意圖

2.1 場地滲透系數(shù)

場地滲透系數(shù)可根據(jù)各土層滲透系數(shù)加權(quán)平均計(jì)算，見表1。可得到場地的埋深＜20 m，即地表至⑦層粗砂層底部范圍內(nèi)的等效滲透系數(shù)k為0.68m／d。

由于工程項(xiàng)目西地塊正在進(jìn)行降水施工，可利用實(shí)際單井降水量計(jì)算滲透系數(shù)。在西側(cè)場地取5眼降水井滿負(fù)荷抽水，抽水穩(wěn)定一周后，單井最大抽水量為28 m3／d，單井平均抽水量為221 m3／d。管井的單井出水能力由式（1）［2］表示為

式中：q0為管井的單井出水能力，取值為221 m3／d；rs為過濾器半徑，取值為0.175m；l為過濾器進(jìn)水部分長度，取值為2.3 m；k為含水層滲透系數(shù)，m／d。

將相關(guān)參數(shù)代入式（1），計(jì)算可得k為3.07m／d。

以上兩種方法得到的滲透系數(shù)相差較大，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)取得的資料進(jìn)行滲透系數(shù)計(jì)算，更符合地下水層流運(yùn)動(dòng)的假設(shè)條件，后期計(jì)算均采用該滲透系數(shù)值。

2.2 回灌影響半徑

根據(jù)規(guī)范中的庫薩金公式可以進(jìn)行降水井影響半徑的計(jì)算［2］，潛水含水層和承壓水含水層的降水井影響半徑R1、R2分別由式（2）和（3）表示為

式中：sw為井水位降深，m；k為含水層滲透系數(shù)，m／d；H0為潛水含水層厚度，m。

假設(shè)初始水位位于地表，則實(shí)際水位相當(dāng)于井水位降深sw為7.5 m；如按潛水含水層考慮，則潛水含水層的厚度H0為12.5 m，代入式（2）計(jì)算，可得降水影響半徑R1為124.2 m。如按承壓水考慮，則降水影響半徑R2為131.4 m，降水的影響半徑稍大。

回灌是抽水的逆過程，假定回灌和抽水條件下的影響因素相同，相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式也適用于回灌井流［13］，可以根據(jù)式（2）和（3）進(jìn)行回灌影響范圍的簡單理論計(jì)算。

2.3 回灌試驗(yàn)井布置

考慮初步計(jì)算的回灌影響范圍為124.2～131.4 m，則按照正?；咏邓贾猛耆軌驖M足回灌試驗(yàn)要求。根據(jù)現(xiàn)場情況，在東地塊場地南側(cè)按照后期的降水井進(jìn)行布設(shè)，先期施工試驗(yàn)井有13眼，井水平間距為13 m、井深為20 m、井徑為600 mm和濾管內(nèi)徑為350 mm。

先期試驗(yàn)井布置如圖3所示，該13眼試驗(yàn)井可以選擇某一眼井進(jìn)行回灌，其余試驗(yàn)井作為水位觀測井以量測地下水位。

圖3 試驗(yàn)井布置平面圖／m

為進(jìn)一步精細(xì)化反映回灌過程中地下水位的變化，后期在9＃與10＃井之間增設(shè)了6眼水位觀測井，編號(hào)為a～f，井間距、井徑分別為1.9 m和220 mm。

3 濟(jì)南多層承壓含水層場地單井回灌實(shí)驗(yàn)

3.1 常規(guī)單井回灌試驗(yàn)

3.1.1 單井最大回灌量

先對(duì)4＃井進(jìn)行自然回灌，重點(diǎn)觀察1～7＃井水位回升情況。開始回灌時(shí)，4＃井內(nèi)水位標(biāo)高為19.60 m，而地面標(biāo)高約為27.10 m。

表2 單井日回灌量試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)日回灌量達(dá)到110 m3／d時(shí)，回灌井內(nèi)水位基本處于地表位置，如再增大回灌量，井內(nèi)地下水溢出，該回灌井最大回灌量約為110 m3／d。

相鄰場地單井最大日抽水量為286 m3，單井平均日抽水量為221 m3，而回灌量僅有110 m3／d，兩者相比可得單井常壓條件下實(shí)際回灌率約為30%～50%，略大于某深層承壓水層約為28%的回灌率［14］，這可能與場地存在兩層承壓水層有一定關(guān)系。如要滿足基坑降水全部回灌的要求，則回灌井的數(shù)量至少應(yīng)為降水井的兩倍。

3.1.2 回灌影響范圍初判

根據(jù)試驗(yàn)觀測，在4＃井進(jìn)行回灌過程中，即使日回灌量由20m3／d增加到110m3／d，在其左、右兩側(cè)的6個(gè)觀測井水位均無明顯變化。由此可見，此工程場地條件下單井常壓回灌的影響范圍＜13.0 m。

與利用庫薩金公式計(jì)算的影響半徑相比，實(shí)際回灌影響半徑遠(yuǎn)小于理論值，因此進(jìn)行回灌工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的回灌試驗(yàn)，以確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，為適應(yīng)新時(shí)代社會(huì)的發(fā)展，要求學(xué)生全面提高素質(zhì)能力，對(duì)學(xué)生增加了學(xué)業(yè)的壓力，每個(gè)學(xué)校都以成績制定門檻，只有取得好成績，學(xué)生才能走進(jìn)理想的大學(xué)，在嚴(yán)肅的教育下，無形地增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力。與此同時(shí)，還有很多家長及教師，對(duì)自己的孩子以及學(xué)生有著更高的期盼，從而對(duì)青少年苛刻要求，使學(xué)生在心理上產(chǎn)生了極大的負(fù)擔(dān)，使其不能靈活面對(duì)問題，長此以往，抑制了青少年發(fā)揮自身的個(gè)性特點(diǎn)，產(chǎn)生了影響學(xué)生成長的心理問題，例如抑郁、過度緊張等。

3.1.3 單井回灌穩(wěn)定水頭分析

根據(jù)相關(guān)研究［13，15］，對(duì)場地多層承壓含水層，水流進(jìn)入回灌井后，隨著井內(nèi)地下水位逐漸隆起，在井周圍形成軸對(duì)稱的地下水丘，然后水流將主要進(jìn)入地下含水粗砂層，此時(shí)豎向流動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平流運(yùn)動(dòng)，該流動(dòng)為滿足裘布依公式的層流，符合達(dá)西定律的條件為連續(xù)穩(wěn)定流，因此承壓含水層回灌井內(nèi)的穩(wěn)定水位可由式（4）［2］表示為

式中：Q為回灌井回灌量，m3／d；h0為回灌時(shí)井內(nèi)的動(dòng)水位，即回灌時(shí)穩(wěn)定水頭至含水層底板高度，m；H0為自然狀態(tài)下含水層底板至井內(nèi)水位高度，m；h0－H0為穩(wěn)定水頭差，m；M為承壓砂層厚度，取值為2.28 m；影響半徑R2取值為13.0 m；rw為濾水管半徑，m。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，4＃井回灌量和井內(nèi)的穩(wěn)定水頭差變化如圖4所示，可見在場地兩層粗砂層條件下，單井回灌過程表現(xiàn)為承壓含水層穩(wěn)定層流現(xiàn)象，實(shí)測回灌量與井內(nèi)穩(wěn)定水頭差呈線性上升趨勢，與式（4）計(jì)算結(jié)果的趨勢基本符合；同時(shí)當(dāng)回灌量增大到一定程度，井內(nèi)穩(wěn)定水頭差增長趨緩，實(shí)際與理論計(jì)算的水頭差差距增大。

圖4 回灌井穩(wěn)定水頭差隨日回灌量變化曲線圖

3.2 精細(xì)化單井回灌試驗(yàn)

如圖3所示，9＃與10＃井之間增設(shè)6眼井，實(shí)際井間距約為1.9m，通過加密井位布置對(duì)回灌效果進(jìn)行精細(xì)化研究。

3.2.1 精細(xì)回灌試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)9＃井進(jìn)行常壓自然回灌，在保證井內(nèi)水滿而不溢的情況下回灌量最大值為117 m3／d，試驗(yàn)持續(xù)一周，對(duì)a～f井及10＃井共7眼井的水位進(jìn)行觀測，并對(duì)初始、第3、5及7穩(wěn)定水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3，并將表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如圖5所示。

表3 精細(xì)回灌試驗(yàn)結(jié)果表／m

圖5 單井回灌水位曲線圖

根據(jù)表3和圖5分析可知，時(shí)間約為5 d時(shí)，單井自然回灌周邊地下水位基本達(dá)到穩(wěn)定；隨著水平距離增大，回灌引起的水位升高迅速衰減；該場地條件下，單井最大回灌量時(shí)產(chǎn)生的回灌影響距離約為11.0 m，驗(yàn)證了前期觀測井間距為13.0 m時(shí)，無法反映回灌后周邊土體地下水位變化情況。

3.2.2 回灌影響半徑

由回灌試驗(yàn)所得到的影響半徑約為11.0 m，與庫薩金公式計(jì)算結(jié)果相差較大，也反映了回灌過程與抽水過程存在一定差異，因此需將主要用于降水試驗(yàn)的庫薩金公式進(jìn)行折減修改后用于回灌影響半徑的計(jì)算。

考慮承壓水層條件，計(jì)算影響半徑為131.4 m，實(shí)際試驗(yàn)尚不到10%，因此需對(duì)式（3）進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以用于回灌實(shí)際影響半徑計(jì)算。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，考慮承壓含水層厚度M的影響，承壓含水層條件下單井回灌影響半徑可由式（5）表示為

利用式（5）進(jìn)行回灌影響計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

3.2.3 單井回灌能力

實(shí)際工程在進(jìn)行回灌井?dāng)?shù)量設(shè)計(jì)時(shí)，需預(yù)估單井回灌能力，對(duì)承壓含水層回灌井，仍利用式（4）進(jìn)行單井回灌量的計(jì)算，計(jì)算時(shí)僅考慮承壓含水層的厚度M，并根據(jù)精細(xì)回灌試驗(yàn)，實(shí)際單井回灌影響半徑取11.0 m。

利用4＃井回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同回灌強(qiáng)度下的理論回灌能力計(jì)算，見表4，實(shí)際回灌量約為理論計(jì)算的1.3倍，說明實(shí)際場地除承壓砂層外，其余地層也有一定的滲透作用，并隨著回灌井內(nèi)水頭差的增大，實(shí)際回灌量進(jìn)一步增大，最高穩(wěn)定水頭時(shí)達(dá)到1.38倍，因此進(jìn)行回灌能力估算時(shí)，可根據(jù)隔水層厚度和滲透系數(shù)等情況將理論回灌量增加30%。

表4 單井回灌量實(shí)測與理論計(jì)算結(jié)果比較表

4 結(jié)論

文章對(duì)濟(jì)南地區(qū)多層非均質(zhì)承壓含水層場地單井常壓回灌進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算公式，分析了單井回灌的穩(wěn)定水頭、影響范圍及回灌量的計(jì)算公式及方法，總結(jié)了相應(yīng)的回灌規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

（1）試驗(yàn)場地單井回灌為承壓含水層穩(wěn)定流，實(shí)測回灌量與井內(nèi)穩(wěn)定水頭差呈線性上升趨勢，與理論公式計(jì)算趨勢基本符合。同時(shí)，當(dāng)回灌量增大到一定程度，井內(nèi)穩(wěn)定水頭差增長趨緩，實(shí)際與理論計(jì)算的水頭差差距增大。

（2）在同場地條件下，單井常壓回灌量約為抽水量的30%～50%，因此常壓回灌時(shí)應(yīng)通過試驗(yàn)合理確定單井回灌量。另外，常壓回灌效率較低，難以實(shí)現(xiàn)水資源的合理保護(hù)，因此應(yīng)對(duì)加壓回灌進(jìn)行深入研究和推廣應(yīng)用。

（3）作為回灌設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要參數(shù)，實(shí)際回灌影響半徑遠(yuǎn)小于理論計(jì)算，在實(shí)際工程中應(yīng)通過場地試驗(yàn)確定該參數(shù)，才能合理確定回灌井間距。