張英英 徐辰春 沈 馳
長(zhǎng)江三角洲地區(qū)分布有巨厚的第四紀(jì)松散沉積層,其間發(fā)育有多層厚度較大的孔隙承壓含水層,構(gòu)成一復(fù)合含水層系統(tǒng)。承壓水位埋深淺,深基坑施工時(shí)圍護(hù)深度難以深入至含水層底板[1],減壓降水為一大技術(shù)難題。制定科學(xué)有效的減壓降水設(shè)計(jì)方案可以降低工程風(fēng)險(xiǎn)及提高施工效率[2]。本文以上海市虹梅南路—金海路通道越江段工程奉賢段基坑減壓降水工程為例,運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)結(jié)果,反演出含水層水文地質(zhì)參數(shù),并采用Visual Modflow三維有限差分計(jì)算軟件模擬減壓降水期間基坑內(nèi)外地下水位分布,得到減壓降水最優(yōu)布井方案。
上海市虹梅南路—金海路通道越江段奉賢段~FX04區(qū)段,長(zhǎng)約129 m,寬為35 m~48 m。奉賢工作井開挖深度達(dá)29.62 m,底板已揭穿上海地區(qū)第一承壓含水層的頂板,圍護(hù)深度為50.327 m;FX01~FX04區(qū)段開挖深度為25.935 m ~17.857 m,圍護(hù)深度為44 m~33 m。
場(chǎng)地主要土層自上而下依次為:①1雜填土、②1粉質(zhì)粘土、②2粉質(zhì)粘土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④淤泥質(zhì)粘土、⑤1-1粘土、⑥粉質(zhì)粘土、⑦1-1粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、⑦1-2砂質(zhì)粉土、⑦2粉砂、⑧1粉質(zhì)粘土夾粉砂、⑧2粉砂與粉質(zhì)粘土互層、⑨粉細(xì)砂。
場(chǎng)地淺部地下水屬潛水類型,潛水位主要補(bǔ)給來源為大氣降水、黃浦江和周邊河道。潛水位埋深一般為地表下0.3 m~1.5 m。
要使基坑底板保持穩(wěn)定必須滿足基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力。即:
其中,h為基坑底至承壓含水層頂板間距離,m;γs為基坑底至承壓含水層頂板間土的重度,kN/m3;H為承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離;γw為水的重度,kN/m3,取10 kN/m3;Fs為抗突涌安全系數(shù),本次計(jì)算取1.10。
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果,驗(yàn)算時(shí)⑦層初始水位標(biāo)高取-3.81 m;⑧2層初始水位標(biāo)高?。?.90 m。按照不利原則,選取代表性勘探孔作為計(jì)算參考,⑦2層頂板標(biāo)高?。?9.54 m,⑧2層頂板標(biāo)高?。?0.78 m。
據(jù)此,驗(yàn)算結(jié)果如表1,表2所示。
表1 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算(⑦層)
表2 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算(⑧2層)
抽水試驗(yàn)在奉賢工作井及FX01區(qū)段內(nèi)進(jìn)行,抽水試驗(yàn)的目標(biāo)層是⑦層及⑧2層。試驗(yàn)井Y1~Y7,YG1分別為⑦層減壓井、觀測(cè)井,其中Y1~Y3井深48 m,Y4~Y7,YG1井深45 m;試驗(yàn)井Y8-1,YG8-1分別為⑧2層減壓井、觀測(cè)井,井深均為64 m。
抽水試驗(yàn)安排分三個(gè)階段:第一階段分別以減壓井Y3和Y8-1進(jìn)行⑦層及⑧2層單孔抽水,由此可確定各承壓含水層的靜止水位、降深和單井涌水量。另外可知,針對(duì)⑧2層采用額定出水量為50 m3/h的抽水泵單井抽水即可滿足水位降深需求。第二階段以Y1~Y3(抽水泵額定出水量均為50 m3/h)同時(shí)抽水,其水位降深隨時(shí)間的變化如圖1所示,并在Y1~Y3停止抽水后,對(duì)YG1的水位進(jìn)行了跟蹤觀測(cè),水位恢復(fù)比率歷時(shí)曲線見圖2。第三階段選取Y1~Y7(Y1,Y3抽水泵額定出水量分別為80 m3/h,100 m3/h,Y2,Y4~Y7抽水泵額定出水量均為50 m3/h)同時(shí)抽水,其水位降深隨時(shí)間的變化如圖3所示。
圖1 Y1~Y3抽水,YG1水位降深隨時(shí)間變化曲線
三井停抽后,觀測(cè)井YG1前6分鐘水位恢復(fù)約6.3 m,恢復(fù)率約38.7%。因此,后期正式運(yùn)行時(shí)應(yīng)采用減壓降水運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)智能控制系統(tǒng),有效控制承壓水降水運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
3.3.1 數(shù)值模擬范圍與邊界條件
本次數(shù)值模擬計(jì)算采用三維數(shù)值模型,將上覆潛水含水層以及下伏承壓含水層組一起納入模型參與計(jì)算,并將其概化為三維空間上的非均質(zhì)各向異性水文地質(zhì)概念模型。通過試算,本次計(jì)算以整個(gè)基坑的東、西、南、北最遠(yuǎn)邊界點(diǎn)為起點(diǎn),各向外擴(kuò)展約400 m,即實(shí)際計(jì)算平面尺寸為(1000×800)m2。
圖2 觀測(cè)井YG1水位恢復(fù)比率歷時(shí)曲線
圖3 Y1~Y7抽水,YG1水位降深隨時(shí)間變化曲線
3.3.2 模型離散處理
根據(jù)相關(guān)勘察、抽水試驗(yàn)、圍護(hù)設(shè)計(jì)等資料對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散,建立三維數(shù)值模型。在網(wǎng)格剖分中,對(duì)基坑區(qū)域范圍進(jìn)行了局部加密[4],水平方向上將整個(gè)模型剖分為72行、134列,垂向?qū)⑵淦史譃?6層。減壓降水過程中,基坑外的地下水將通過基坑周圍的地下連續(xù)墻底繞流進(jìn)入基坑,地下水流態(tài)為三維非穩(wěn)定流,基坑內(nèi)減壓井為唯一的源、匯項(xiàng)。
3.4.1 水文地質(zhì)參數(shù)反演
為獲得準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù),選取一組觀測(cè)效果比較理想的群抽試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非穩(wěn)定流水文地質(zhì)參數(shù)反演。本次選取三井群抽試驗(yàn)數(shù)據(jù),即將Y1~Y3抽水時(shí),YG1的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中,反演獲得的各含水層水文地質(zhì)參數(shù)如表3所示。
表3 反演獲得的水文地質(zhì)參數(shù)
3.4.2 水文地質(zhì)參數(shù)校核
為驗(yàn)證反演獲得的各含水層水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性,利用七井試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證,即選取Y1~Y7抽水時(shí)YG1的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入到利用三井試驗(yàn)調(diào)整好的模型中。
采用反演出的各層水文地質(zhì)參數(shù)驗(yàn)證七井試驗(yàn)結(jié)果時(shí),計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位擬合良好,說明反演出的水文地質(zhì)參數(shù)可靠性較高,其模型可作為模擬預(yù)測(cè)基坑降水引起地下水滲流場(chǎng)變化的依據(jù)。
根據(jù)基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果,基于現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)成果,運(yùn)用調(diào)整后的地下水滲流三維數(shù)值模型進(jìn)行分析計(jì)算,確定減壓降水最優(yōu)布井方案。經(jīng)計(jì)算,在滿足各層承壓水位降深要求的前提下,需在奉賢工作井~FX04區(qū)段內(nèi)針對(duì)⑦層共布設(shè)12口減壓井,編號(hào)為Y1~Y12,兩口備用兼觀測(cè)井,編號(hào)為YG1,YG2。井深分別為:Y1~Y3井深48 m,Y4~Y12,YG1,YG2井深45 m。12口⑦層減壓井群抽水位穩(wěn)定后降深等值線參見圖4。另外,由前期抽水試驗(yàn)第一階段結(jié)果可知,采用1口⑧2層減壓井、1口備用兼觀測(cè)井,編號(hào)分別為Y8-1,YG8-1,便可滿足⑧2層的減壓降水設(shè)計(jì)要求。模擬計(jì)算分析時(shí),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)時(shí)抽水泵的配備情況,合理設(shè)置不同井結(jié)構(gòu)的單井出水量。該模擬計(jì)算結(jié)果經(jīng)后續(xù)工程驗(yàn)證正確、可靠。
圖4 ⑦層減壓井群抽水位穩(wěn)定后降深等值線分布圖
長(zhǎng)江三角洲地區(qū)第四紀(jì)沉積層厚度大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,深基坑減壓降水設(shè)計(jì)難度大。通過實(shí)地非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)結(jié)合三維數(shù)值模型進(jìn)行模擬分析,可反演獲得各承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù),再運(yùn)用數(shù)值模擬方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)成果可實(shí)現(xiàn)減壓降水方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該計(jì)算分析方法通過在上海市虹梅南路—金海路通道越江段奉賢工作井~FX04區(qū)段實(shí)際應(yīng)用,證明其模擬結(jié)果準(zhǔn)確、可靠,有效解決了超深基坑施工過程中的一大難點(diǎn),滿足了基坑開挖的安全需求,為類似后續(xù)超深基坑減壓降水方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。
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