李奇濤,田 野,董海洲,張玉鑫,程夢龍
(1. 中交隧道工程局有限公司,北京 100102;2. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210024)
地鐵車站地下連續(xù)墻施工及基坑開挖過程中,地下水滲漏會對其造成不利影響[1-3]。滲漏水處理不當(dāng)會導(dǎo)致泥沙流失出現(xiàn)空洞或造成周圍地層地下水位下降,引起地面沉降,進而影響基坑穩(wěn)定,危及施工安全。示蹤連通試驗可用來確定地層不同位置的水力聯(lián)系,判斷地下水滲漏來源,在水庫[4-5]、基坑[6]、礦井[7]、隧道[8]、巖溶[9-10]等工程地下水滲漏研究都得到了應(yīng)用。鉆孔示蹤流速測試可以測定地層中地下水的滲透流速,相關(guān)探測理論和技術(shù)也得到大量的研究和應(yīng)用[11-13]。這2種探測方法都是進行地下水滲流調(diào)查的有力工具,但在地下連續(xù)墻滲流研究中應(yīng)用示蹤連通試驗較多,同時進行流速測試很少,也就是很少把兩者結(jié)合起來進行應(yīng)用。實際上,在進行示蹤連通試驗時,需要在基坑外鉆孔中投放示蹤劑,然后在基坑內(nèi)抽水孔中觀測是否有示蹤劑滲流過來,以此判斷地下連續(xù)墻的滲漏位置。而在此過程中,也可以同時監(jiān)測坑外鉆孔中的示蹤劑濃度變化,據(jù)此計算孔中地下水的滲透流速。
本文基于現(xiàn)場示蹤連通試驗,結(jié)合流速測試結(jié)果進行對比分析,以某地鐵車站地下連續(xù)墻為例,對地下連續(xù)墻是否存在滲漏隱患以及滲漏部位、深度等進行研究,并提出防滲處理建議。提出的示蹤連通試驗和流速測試相結(jié)合的測量方法可應(yīng)用于類似工程。
某地鐵車站為地下兩層島式站,車站長283.6 m,標(biāo)準段寬20.7 m,站臺寬12 m,采用兩層雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)。該地鐵車站地下連續(xù)墻中有一幅墻體在澆筑過程中出現(xiàn)欠方情況,墻身存在滲漏隱患,在后期基坑開挖時可能會出現(xiàn)涌水涌砂等滲漏問題,故需開展地下水滲漏探測研究。
本文中地下水滲漏探測深度為深度23 m以上地層,研究區(qū)域地基土屬第四紀沖湖積相、海陸交互相及沖湖相沉積物,主要由黏性土、粉土及沙土組成,一般呈水平向分布。該地區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水,按形成時代、成因和水理特征可劃分為潛水含水層、微承壓水含水層及承壓水含水層。與本次研究區(qū)域密切相關(guān)的含水層為潛水含水層、淺部微承壓含水層以及中部、深部承壓含水層,其中,潛水穩(wěn)定埋深為1.3~2.4 m,微承壓水埋深為1.01 m,絕對標(biāo)高為1.04 m。
示蹤連通試驗指在含水層上游某滲漏點投入適量示蹤劑,并在其下游檢測孔或出水點處進行連續(xù)檢測,得到示蹤劑時間-濃度曲線,根據(jù)檢測到的示蹤曲線變化規(guī)律,綜合分析地下水滲流場特征,以分析地下水的補給來源。
地層中若存在集中滲漏問題,往往呈現(xiàn)若干支流匯流至主滲漏通道,然后再分散為若干支流的現(xiàn)象,如圖1所示。地下水的滲流路徑可進一步簡化如圖2所示。
示蹤連通試驗的示蹤劑投放可假定將示蹤劑投放在上游某支流中,然后在下游支流中接收。投放方式分為2類,即瞬時投放和持續(xù)投放[14]。瞬時投放指在某一時刻投放示蹤劑,在接收點監(jiān)測示蹤劑濃度并得到“峰狀”濃度-時間曲線如圖3所示;持續(xù)投放則指在某一時間段內(nèi)持續(xù)向鉆孔內(nèi)投放示蹤劑,而其接收點監(jiān)測所得濃度-時間曲線如圖4所示。根據(jù)示蹤連通試驗所得示蹤劑濃度-時間曲線,便可確定兩點之間的水力聯(lián)系,查明滲流途徑,判斷滲漏通道。
在鉆孔中可以投放示蹤劑進行地下水流速測試,其基本原理是孔中均勻投放示蹤劑后,其濃度會被地下水滲流所稀釋且稀釋速度與地下水流速相關(guān),監(jiān)測示蹤劑濃度的變化就可以計算出地下水的滲透流速。如圖5所示,在對應(yīng)有地下水滲流的含水層部位,孔中示蹤劑濃度受水流稀釋作用而下降較快,所計算出的流速也較大,而隔水層部位的流速則較小。這種測試方法可以在單個鉆孔中進行,故稱為單孔稀釋法。
示蹤劑濃度稀釋與地下水流速呈指數(shù)關(guān)系,由此可得到含水層滲透流速為[15]:
式(1)中,Vf為滲透流速,即含水層中達西滲透流速;r為濾水管內(nèi)半徑;C1、C2分別為測量時間t1、t2時示蹤劑濃度;Δt=t1-t2;α為因濾水管在含水層中的存在引起流場畸變的校正系數(shù),通常取值為2。
本次試驗在研究區(qū)域共設(shè)置5個鉆孔(1個抽水孔C1和4個觀測孔G1~G4),鉆孔具體布設(shè)位置見圖6(待檢測地下連續(xù)墻編號為WQ1-36)。其中,抽水孔設(shè)于基坑內(nèi)部,距地下連續(xù)墻內(nèi)邊緣2 m。觀測孔均平行布設(shè)在基坑外側(cè),觀測孔1、觀測孔2及觀測孔3孔中心位置距地下連續(xù)墻外邊緣2 m,觀測孔4距地下連續(xù)墻外邊緣3 m;兩側(cè)鉆孔(觀測孔1、觀測孔3)距地下連續(xù)墻兩端各1 m,觀測孔2對應(yīng)該幅地下連續(xù)墻中心位置。
考慮到研究區(qū)域周邊環(huán)境及場地地下水環(huán)境背景值等因素,現(xiàn)場試驗選用飽和食鹽水作為示蹤劑,應(yīng)用單孔稀釋法進行孔內(nèi)地下水流速測定,同時孔內(nèi)所投放的食鹽亦可用來進行觀測孔與抽水孔之間的連通試驗。
本次研究依次向4個觀測孔內(nèi)投入示蹤劑,間隔一段時間后對觀測孔及抽水孔進行連續(xù)觀測,并記錄示蹤劑濃度變化情況,得到各孔示蹤劑時間-濃度曲線。示蹤劑投放方法為:將示蹤劑與水混合并充分攪拌,待其充分溶解后投放至各孔中。
現(xiàn)場共進行了2個階段試驗,第一階段試驗于2021年1月24日開始,至2021年1月29日結(jié)束;第二階段試驗于2021年3月10日開始,至2021年3月16日結(jié)束。階段試驗期間均對抽水孔進行抽水作業(yè)。
在第一階段和第二階段初期現(xiàn)場示蹤試驗中,根據(jù)測量所得的4個觀測孔的溫度、電導(dǎo)率以及流速測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),觀測孔1及觀測孔2內(nèi)地下水流速較快,而觀測孔3及觀測孔4內(nèi)流速則相對較慢,說明觀測孔1和觀測孔2所處位置地下水滲流較快,地下連續(xù)墻隱患部位更靠近觀測孔1及觀測孔2,圖7和圖8分別為2個階段各孔流速對比圖。投放示蹤劑后,在觀測孔-4 m至-6 m高程段存在較大的示蹤劑濃度變化,且該段流速也相對較大,說明地下連續(xù)墻缺陷位置位于該段的可能性較大。
由上述結(jié)果判斷觀測孔1和觀測孔2處于基坑外部向基坑內(nèi)部的滲漏通道上,故著重觀測這2個觀測孔與抽水孔之間的示蹤連通試驗情況。在2021年3月13日至16日抽水試驗期間,抽水孔表層地下水電導(dǎo)率隨時間變化曲線如圖9所示。從圖中可以看出,孔內(nèi)地下水電導(dǎo)率有2處明顯的增高過程(見圖中橢圓區(qū)域),而這2 次電導(dǎo)率增大的原因分別對應(yīng)2次事件:①3月14日9 : 55至10 : 14分別向觀測孔1及觀測孔2內(nèi)投放食鹽水,對應(yīng)了左側(cè)橢圓區(qū)域內(nèi)的增高過程;②3月15日11 : 08至11 : 17在觀測孔1和觀測孔2中注水,后于14 : 37至14 : 41時間段內(nèi)向觀測孔1內(nèi)注水,對應(yīng)右側(cè)橢圓區(qū)域內(nèi)的增高過程。該電導(dǎo)率變化曲線表明觀測孔與抽水孔之間存在水力聯(lián)系,且由于2次電導(dǎo)率增高過程發(fā)生在抽水孔表層,故推測觀測孔內(nèi)的食鹽水不可能經(jīng)由地下連續(xù)墻底部繞滲至抽水孔內(nèi),其只可能是穿越地下連續(xù)墻上部缺陷位置滲流至抽水孔中。
與此同時,根據(jù)流速測試結(jié)果,觀測孔內(nèi)流速較大的孔段位于高程 -6 m附近,而抽水孔中含有鹽分的地下水入滲位置高于抽水后的抽水孔水位,即其是從孔壁入滲后流入抽水孔內(nèi)地下水的表層,造成抽水孔表層電導(dǎo)率的升高,其滲流路徑如圖10所示。
從圖9中還可以看出,抽水孔內(nèi)地下水電導(dǎo)率的增高幅度較小,說明地下連續(xù)墻雖然存在滲漏缺陷,但在基坑尚未進行大規(guī)模降水的情況下,其滲漏還是比較微弱的。然而,在后期基坑開挖降水的過程中,隨著時間的延長及在基坑外部高水頭壓力的作用下,該滲漏通道可能會進一步發(fā)展,其滲透性會有所增強,故建議在基坑開挖降水前對該幅地下連續(xù)墻采用旋噴樁等方式進行防滲加固處理。
本文基于現(xiàn)場示蹤連通試驗,通過對比分析各示蹤參數(shù),對地下連續(xù)墻是否存在滲漏隱患以及滲漏部位、深度等進行深入研究,并得到以下結(jié)論。
(1)由單孔稀釋法所測各孔流速探測結(jié)果可以看出:觀測孔1與觀測孔2流速相對較高,觀測孔3及觀測孔4流速相對較慢,說明觀測孔1和觀測孔2所處位置地下水滲流較快,其更靠近地下連續(xù)墻缺陷處。
(2)投放示蹤劑后,在觀測孔-4 m至-6 m高程段存在較大的流速,說明地下連續(xù)墻缺陷位置位于-4 m至-6 m高程段的可能性較大。
(3)示蹤連通試驗結(jié)果表明,向觀測孔中投入食鹽后,抽水期間在抽水孔表層測出了較高的電導(dǎo)率,表明有地下水從觀測孔穿透地下連續(xù)墻滲入抽水孔;且抽水孔中含有鹽分的地下水入滲位置高于抽水后的抽水孔水位,即從孔壁入滲后流入孔中地下水的表層,造成抽水孔表層電導(dǎo)率升高。
(4)抽水孔內(nèi)地下水電導(dǎo)率增高的幅度較小,說明地下連續(xù)墻雖存在滲漏缺陷,但在目前基坑尚未大規(guī)模降水的條件下,其滲漏比較微弱,但基坑開挖降水后滲漏量可能增大,故需要進行防滲處理。