穆清君, 陳誠(chéng)

(中交第二航務(wù)工程局有限公司， 湖北 武漢 430012)

城市建設(shè)的發(fā)展日新月異，有限的地上土地資源難以滿足社會(huì)進(jìn)步的需要，地下空間的進(jìn)一步開發(fā)利用已迫在眉睫，基建項(xiàng)目中基坑的開挖深度也越來越深，基坑地下水處理的合理與否直接關(guān)系到整個(gè)工程的進(jìn)度和成敗，有效降水+止水聯(lián)合應(yīng)用控制基坑地下水的方法，早已成為廣大工程界的共識(shí)[1-4]。富水砂卵石地區(qū)具有地下水儲(chǔ)量豐富、含水層滲透性強(qiáng)且補(bǔ)水速率快等特點(diǎn)，在該區(qū)域?qū)嵤┚c(diǎn)降水，即便采用止水帷幕也難以隔斷地下水的補(bǔ)給，施工難度很大。因此，在施作止水帷幕隔斷場(chǎng)外地下水之前，采用合理的方法預(yù)測(cè)降水效果，對(duì)于確保場(chǎng)內(nèi)深基坑施工邊坡穩(wěn)定具有重要的意義[5-8]。

對(duì)于施工降水成效，解析法存在較大的局限性，其不能較好地運(yùn)用于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，而有限元分析法能夠較好地模擬非均質(zhì)及不等厚等水文地質(zhì)條件，因而更加普遍應(yīng)用于分析地下水的控制，許多學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域做了大量研究。徐永亮等[9]采用數(shù)值模擬方法論證并分析了北京某開放式深基坑工程的降水方案，指出在未能閉合圍降的場(chǎng)地降水，井的布設(shè)間距最低為6 m，且單井的出水量需大于等于43 m3/h；袁斌等[10]對(duì)比分析了在富水砂礫地層中，不采用擋水帷幕以及采用不同深度的擋水帷幕條件下，將深基坑降水至安全水位時(shí)的總抽水量、基坑內(nèi)外水位及降水引起的坑外地表沉降，得出了擋水帷幕深度對(duì)降水后環(huán)境影響的規(guī)律，并在綜合考慮工程對(duì)環(huán)境影響后，得到了最優(yōu)化的基坑降水方案；馬昌慧等[11]采用數(shù)值模擬軟件Visual Modflow研究了武漢某深基坑工程的地下滲流場(chǎng)，并利用分層總和法分析其地基變形場(chǎng)，通過研究發(fā)現(xiàn)，基坑外的水頭與距基坑的距離成正比，地基沉降變形與距基坑的距離成反比，距離越遠(yuǎn)水頭越大，呈逐級(jí)遞增的變化趨勢(shì)，另外，止水帷幕落底越深降水效果越好，且可以有效減小地表沉降及降低對(duì)基坑周邊滲流場(chǎng)的紊亂影響；楊強(qiáng)等[12]亦通過Visual Modflow軟件模擬了實(shí)際基坑降水過程，充分利用了軟件對(duì)基坑中井位、井?dāng)?shù)、井結(jié)構(gòu)、涌水量、井徑等靈活確定的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了可視化、預(yù)期化的操作。

該文依托湖北襄陽(yáng)某深基坑工程，其基坑開挖平均深度約25 m，該區(qū)域存在滲透性極強(qiáng)的砂卵石潛水含水層，設(shè)計(jì)降水深度大于12 m?，F(xiàn)采用降水試驗(yàn)輔以數(shù)值模擬分析，論證能否達(dá)到設(shè)計(jì)降深要求并驗(yàn)證滲透系數(shù)，為后續(xù)選擇合適的止水帷幕方案提供合理的依據(jù)。

1 工程背景

湖北襄陽(yáng)某深基坑工程最大開挖深度約25.5 m，此次為生產(chǎn)性降水試驗(yàn)，降水井在后期可繼續(xù)使用，因此井位布置時(shí)盡量不影響基坑的正常開挖。綜合考慮，此次試驗(yàn)井橫向布置4排，即布置在邊坡平臺(tái)及坡腳位置，具體降水井?dāng)?shù)量可通過預(yù)測(cè)的基坑總涌水量及單井出水能力計(jì)算。

計(jì)算得出此次試驗(yàn)段共需布置降水井36口，如圖1所示，環(huán)向封閉布設(shè)，內(nèi)環(huán)縱向間距約25 m，外環(huán)間距約15 m。36口試驗(yàn)井中包含了6口觀測(cè)井兼做備用井，暫定為JS01、JS08、JS14、JS21、JS31、JS36，為了解群井外側(cè)不同距離處以及污水處理廠附近地下水位下降情況，另在群井外側(cè)(JS14觀測(cè)井)與污水處理廠之間按間距約60 m/口布置了5個(gè)水位監(jiān)測(cè)孔(SW01～SW05)。試驗(yàn)井孔徑為600 mm、井管直徑為325 mm，其他細(xì)節(jié)如圖2所示。

注：JS表示降水；CJ表示沉降；SW表示水位。

圖2 試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

2 無止水條件下降水試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

依托工程深基坑段主要為強(qiáng)透水性的砂卵石層，厚度為55～72 m，且與漢江水存在密切的水力聯(lián)系。此次選取東汊干塢段K12+567.5～K12+667.5長(zhǎng)約100 m的距離為試驗(yàn)段，在無止水措施條件進(jìn)行試降水，旨在觀測(cè)敞開式條件下，能否將試驗(yàn)段水位降低至基底以下1 m(標(biāo)高約51.00 m)，并對(duì)滲透系數(shù)進(jìn)行復(fù)核。通過計(jì)算，降水井深取值為30 m。

2.2 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

地面沉降觀測(cè)點(diǎn)與水位觀測(cè)井(孔)成組布設(shè)，每個(gè)水位觀測(cè)井(孔)附近埋設(shè)一個(gè)地面沉降觀測(cè)點(diǎn)(CJ01～CJ11)，以獲取水位下降引起的地表沉降差。

2.3 抽水工況安排

擬采用單井和群井兩種降水模式分階段進(jìn)行。

(1) 第一階段：?jiǎn)尉樗?/p>

擬選取JS17為抽水井，進(jìn)行1個(gè)降深抽水，分別在平行、垂直河流方向進(jìn)行水位下降觀測(cè)，暫選取JS14、JS16、JS18、JS20、JS34、JS36為此階段水位觀測(cè)井，待水位穩(wěn)定24 h后停止抽水，并進(jìn)行水位恢復(fù)觀測(cè)。

(2) 第二階段：群井抽水

分3個(gè)降深進(jìn)行，第一次開啟18口，為奇數(shù)號(hào)井，JS01、JS21、JS31兼做觀測(cè)井，更換開啟JS02、JS20、JS24，直至水位穩(wěn)定；第二次加開至30口井抽水；第三次除了預(yù)留作為觀測(cè)井的JS36號(hào)之外，其余35口全部開啟。群井圍合范圍內(nèi)水位降至要求水位后，維持抽水3～5 d，繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，待水位和地表沉降變化穩(wěn)定后停止抽水，并進(jìn)行水位恢復(fù)觀測(cè)。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

2.4.1 靜止水位觀測(cè)

在正式抽水前先做好地下水靜止水位的原始記錄。觀測(cè)頻率為每30 min一次，當(dāng)出現(xiàn)4 h內(nèi)水位無持續(xù)上升或下降趨勢(shì)，且變幅不超過2 cm時(shí)，記錄此時(shí)的水位，即為靜止水位。

2.4.2 動(dòng)水位、水量觀測(cè)

(1) 第一階段抽水開始后，對(duì)涌水量和動(dòng)水位進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)頻率宜為抽水開始后逐級(jí)遞增，第1 min、2 min、3 min、4 min、6 min、8 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、40 min、50 min、60 min、80 min、100 min、120 min各測(cè)一次，以后隔30 min測(cè)一次，直到水位穩(wěn)定。抽水結(jié)束后，觀測(cè)恢復(fù)水位的時(shí)間也按此要求。

(2) 第二階段開始進(jìn)行群井抽水時(shí)，觀測(cè)頻率宜為抽水開始后每5 min測(cè)一次，其后宜每隔30 min或60 min測(cè)一次；抽水停止后進(jìn)行恢復(fù)水位觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間間隔同抽水水位觀測(cè)。

2.4.3 沉降觀測(cè)

大范圍持續(xù)降水會(huì)對(duì)地表沉降產(chǎn)生影響，在整個(gè)試驗(yàn)抽水過程中，對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地表進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，觀測(cè)頻率為1次/d。為了降低抽水過程中的擾動(dòng)影響，垂直觀察控制點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離抽水范圍。

2.5 抽水試驗(yàn)設(shè)備

抽水試驗(yàn)設(shè)備及配套裝置如表1所示。

表1 抽水試驗(yàn)及水位觀測(cè)設(shè)備

3 單井降水試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 靜止地下水位

抽水試驗(yàn)過程中，每階段抽水前均記錄靜止地下水位，單井降水、群井降水工況下水位標(biāo)高平均約62.80 m。單井抽水期間，出現(xiàn)暴雨天氣，導(dǎo)致恢復(fù)水位較初始水位高約0.20 m，說明地表透水性好，雨水對(duì)地下水影響較大。

3.2 單井降水工況

現(xiàn)場(chǎng)于2018年7月26日07:58選取JS17作為抽水主井，開始單井降水試驗(yàn)。分別對(duì)6個(gè)觀測(cè)孔進(jìn)行水位觀測(cè)，抽水持續(xù)時(shí)間30 h，測(cè)得平均抽水量約為3 210 m3/d，最大水位降深約0.70 m，試驗(yàn)結(jié)果見圖3及表2。

圖3 JS17單井抽水試驗(yàn)Q-t、S-t曲線

表2 JS17單井單降深抽水試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知：

(1) 抽水開始約3.5 h，觀測(cè)井水位已逐步趨于穩(wěn)定，但持續(xù)抽水6～8 h后，天氣突降暴雨，地表水匯集導(dǎo)致觀測(cè)井水位線性上漲，至停止抽水時(shí)，水位上漲16～20 cm，水位恢復(fù)結(jié)束后，較試驗(yàn)前上漲19～24 cm，進(jìn)一步表明該區(qū)域地層透水性好，地表雨水補(bǔ)給地下水迅速。

(2) 抽水過程中，水位較快穩(wěn)定，恢復(fù)也很快，且曲線的拐點(diǎn)明顯，反映了含水層分布較廣、透水性較好、水量補(bǔ)給較為充沛的特點(diǎn)。

4 群井降水試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 降水工況

(1) 2018年7月27日07：00，單井試驗(yàn)結(jié)束且水位已恢復(fù)，開始進(jìn)行18口井的單井抽水試驗(yàn)，但由于抽水量大、現(xiàn)場(chǎng)排水系統(tǒng)不通暢，無法將抽出的水排除場(chǎng)外，群井試驗(yàn)被迫中止，進(jìn)行排水系統(tǒng)修建。

(2) 至2018年8月11日08：30，現(xiàn)場(chǎng)重新進(jìn)行群井試驗(yàn)：① 第1次先開啟18口降水井，抽水36 h后，群井中心(JS36號(hào)觀測(cè)井)水位降深約5.93 m；② 第2次開啟30口降水井，抽水21 h，JS36觀測(cè)井水位降深約7.91 m；③ 第3次開啟35口降水井，抽水27.5 h，總出水量7.6萬m3/d，JS36觀測(cè)井水位降深約9.02 m，未達(dá)到要求水位標(biāo)高；④ 抽水主井內(nèi)動(dòng)水位較高，單井未達(dá)到最大出水能力，因此，準(zhǔn)備更換更大功率的抽水泵，停止抽水并進(jìn)行水位恢復(fù)觀測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果見圖4、5。

圖4 群井降水試驗(yàn)觀測(cè)井S-t曲線

圖5 JS36、SW01觀測(cè)井水位恢復(fù)曲線

(3) 2018年8月21日下午17：40，現(xiàn)場(chǎng)更換了12臺(tái)37 kW水泵(額定流量200 m3/h)抽水后，水位仍未達(dá)到要求的水位標(biāo)高(+51.00 m)，具體見圖6。群井外圍觀測(cè)孔水位下降約0.6 m(較上次)，中心水位下降約0.10 m(較上次)，并且呈緩慢下降趨勢(shì)。

圖6 更換水泵后各觀測(cè)井水位降深-時(shí)間曲線

更換了大功率的抽水泵后，原有功率15 kW的23臺(tái)水泵出水量均變小，平均為85 m3/h，12臺(tái)37 kW的水泵抽水量也只能達(dá)到140 m3/h，總抽水量約8.7萬m3/d。

4.2 數(shù)據(jù)分析

(1) 編號(hào)JS的觀測(cè)井位于抽水井附近，在抽水前期水位下降迅速，表明該區(qū)域地層透水性好；而編號(hào)為SW的外側(cè)觀測(cè)井在抽水進(jìn)行一段時(shí)間后才開始緩慢出現(xiàn)水位下降，特別是SW03、SW04、SW05約在抽水30 min后出現(xiàn)水位下降，表明前期以消耗地層靜水儲(chǔ)量為主，含水層給水度大。

(2) 當(dāng)開啟了30口抽水井后，觀測(cè)井水位先下降到一定深度，隨后出現(xiàn)一定程度的上漲，上漲幅度與距離觀測(cè)井的距離成正比，距離越近，漲幅越明顯，這表明在持續(xù)抽水過程中，地層中的地下水獲得了新的水源補(bǔ)給。同時(shí)周邊池塘水位出現(xiàn)明顯下降，至停止抽水時(shí)，池塘水位下降約0.80 m；停止抽水后，水位繼續(xù)下降約0.20 m。

池塘水位下降進(jìn)一步表明該區(qū)域地層透水性強(qiáng)，地表水與地下水之間存在明顯的水力聯(lián)系，地下水位降深越大，水頭差導(dǎo)致地表水滲入越快。

根據(jù)衛(wèi)星地圖量測(cè)，離試驗(yàn)區(qū)最近池塘面積約58 000 m2，按水位下降0.8 m計(jì)算，考慮池塘底部不平整，按修正系數(shù)90%換算，滲透量約為11 800 m3/d，占抽水量的15.5%，此次尚未考慮遠(yuǎn)處池塘的補(bǔ)給量。

更換大功率抽水泵后，池塘水位進(jìn)一步快速下降，至停止抽水塘底基本暴露，水位下降約1.6 m。

(3) 停止抽水后，最初4 h內(nèi)水位恢復(fù)比較快，JS36號(hào)觀測(cè)井回水約3.55 m，后期恢復(fù)速率變慢，至130 h，水位未回升至初始地下水位(圖7)。

圖7 不同降深條件下的水位恢復(fù)速率圖

(4) 由于排水溝底部直接為地層上部的砂層，溝底未做防水處理，根據(jù)池塘水位下降情況，排水溝內(nèi)的水也會(huì)大量回滲至地層中。為獲取排水溝的入滲量，2018年8月28日，在排水溝進(jìn)行了一次回滲數(shù)據(jù)觀測(cè)，9 h內(nèi)觀測(cè)到水位回升0.51 m，整個(gè)排水溝面積約8 000 m2，初步估計(jì)總?cè)霛B量為10 880 m3/d。此次為停抽時(shí)的入滲量，地下水位已經(jīng)有所回升，降水時(shí)水位降深大，入滲量將大于此次預(yù)估值。

(5) 此次將抽水井圍合區(qū)域概化為一口大井，JS36假定為井內(nèi)水位降深，利用群井降水?dāng)?shù)據(jù)繪制抽水量與水位降深曲線(Q-S)曲線，如圖8所示。

圖8 群井抽水Q-S曲線示意圖

圖8表明：曲線呈現(xiàn)下凹形，表明隨抽水量的增加，水位降深增量很小，也說明在抽水過程中，水位降深越大，水頭差越明顯，補(bǔ)給也越迅速，地下水獲得了新的補(bǔ)給源。

5 水文地質(zhì)參數(shù)演算

5.1 穩(wěn)定流方法演算

采用穩(wěn)定流解析法計(jì)算水位地質(zhì)參數(shù)時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)趨于穩(wěn)定后測(cè)得的流量Q，以及抽水井或觀測(cè)井水位降深S代入相應(yīng)公式，即可求出相應(yīng)參數(shù)。

對(duì)于滲透系數(shù)K，分別利用JS16、JS14，JS18、JS20，JS34、JS36共3組觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最后取平均滲透系數(shù)為56.97 m/d；對(duì)于影響半徑R，在無限延伸的含水層中，理論上不存在“影響半徑”，但習(xí)慣性引入影響半徑的概念，經(jīng)過計(jì)算，得出其平均值為278.80 m(表3)。

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

此次單井試驗(yàn)降深較小，實(shí)際基坑降水過程中，降深及抽水時(shí)間均大于此次試驗(yàn)，影響半徑值將遠(yuǎn)超此次計(jì)算值。

5.2 非穩(wěn)定流方法演算

根據(jù)提供的場(chǎng)地水文地質(zhì)信息可以看出，整個(gè)地層包含了復(fù)雜的含水系統(tǒng)，此次將其概化為巨厚的均質(zhì)各向異性潛水含水層，計(jì)算時(shí)，將觀測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)采集的降深-時(shí)間數(shù)據(jù)輸入Aquifer Test軟件，并與Neuman標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行匹配，即可得到相應(yīng)水文地質(zhì)參數(shù)。由于抽水試驗(yàn)后期受到降雨及周邊地表水體補(bǔ)給的影響，對(duì)參數(shù)計(jì)算影響較大，此次利用抽水前期約6 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的滲透系數(shù)為61.2～67.7 m/d、平均64.5 m/d，給水度為0.103～0.265、平均為0.204，Neuman公式擬合結(jié)果如表4所示。實(shí)際降深時(shí)間曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合結(jié)果見圖9，除了前期有2～3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)較為偏離標(biāo)準(zhǔn)曲線外，其余各點(diǎn)均接近標(biāo)準(zhǔn)曲線。

表4 Neuman公式擬合結(jié)果

(a) JS16、JS14觀測(cè)孔

6 結(jié)論

(1) 在實(shí)施落地止水帷幕前，在基坑范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)降水，從降深結(jié)果可知：已完成的36口降水井從井位和數(shù)量上均不能滿足要求，表明該區(qū)域含水層給水度大，抽水前期以消耗地層靜水儲(chǔ)量為主；池塘水位下降進(jìn)一步說明地層透水性好，地表水與地下水之間存在明顯的水力聯(lián)系，水位降深越大，水頭差越明顯，地表水滲入越快。

(2) 單井抽水試驗(yàn)時(shí)，水位降深較小，水頭差異不明顯，使前期周邊池塘和排水溝入滲的影響也相對(duì)較弱，此時(shí)計(jì)算得到的水文地質(zhì)參數(shù)較能反映地層滲透性能；當(dāng)降水井?dāng)?shù)量和位置一定的前提下，地下水位降至設(shè)計(jì)降深前適當(dāng)選擇大功率水泵抽水，可有效縮短工期；地下水位降至設(shè)計(jì)降深后，可按需降水，在保證地下水位滿足設(shè)計(jì)降深時(shí)，適當(dāng)減小開啟水泵的數(shù)量，可保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，減少地下水資源浪費(fèi)。