某地下空間承壓含水層抽水試驗及成果分析

吳燁，謝世紅

某地下空間承壓含水層抽水試驗及成果分析

吳燁，謝世紅

（上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200072）

由于地下水突涌風(fēng)險，地下空間在施工作業(yè)中有必要通過抽水試驗確定承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。依據(jù)勘察報告的初步評價，基坑開挖15.5m時，場地內(nèi)第⑦1層承壓含水層有可能產(chǎn)生突涌，為確保工程安全施工，需開挖前進行承壓含水層抽水試驗，取得場地承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)及降水引起的沉降特征，為地下空間設(shè)計和施工提供可靠依據(jù)。本次布設(shè)抽水井、觀測井、分層沉降標(biāo)組、孔隙水壓力觀測孔及地面沉降觀測點，依據(jù)抽水試驗技術(shù)要求獲取滲透系數(shù)、抽水影響半徑等相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。最后，針對工程場地內(nèi)承壓水情況及特點進行分析，提出基坑開挖時的承壓水降壓建議方案。

承壓含水層；抽水試驗；滲透系數(shù)；成果分析

1 工程概況

工程地塊呈“L”型，由地下3層、地上1層（局部2層）組成。地下三層為車庫和設(shè)備用房，層高5.0m；地下二層為餐廳、商場、展廳和配電房，層高7.0m；地下一層為商場，層高5.5m。一層為商場，層高8.0m；一、二層之間設(shè)夾層，層高3.8m；二層局部為咖啡廳，層高5.7m。工作井埋深約為15.5m，因開挖深度較深、周邊環(huán)境復(fù)雜，對變形要求嚴格?？辈旖Y(jié)果，基坑開挖15.5m時，場地承壓水有發(fā)生突涌可能。為確保施工安全，需在基坑開挖前進行承壓水抽水試驗，取得場地承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)及降水引起沉降特征，為基坑工程設(shè)計和施工提供可靠依據(jù)。

表1 地層特征表

2 工程及水文地質(zhì)條件

場地地貌類型為濱海平原地貌，地勢平坦，已整平并澆筑了混凝土地面，地面標(biāo)高約4.20m。根據(jù)項目詳勘報告所揭露的地層資料，擬建場地55m深度范圍內(nèi)的地基土屬第四紀全新世、上更新世及中更新世飽和粘性土、粉性土及砂土沉積物組成。其中②1層因填土厚而局部缺失。本項目基坑開挖影響范圍內(nèi)地基土為第①～⑦層，場地各層地基土的分布及巖性特征見表1。

表2 完成的實物工作量

3 試驗井與監(jiān)測點的布置

抽水試驗?zāi)康膶訛棰?層砂質(zhì)粉土。進行單井抽水試驗，布設(shè)1口抽水井C1，3口同層觀測井G1～G3。布設(shè)2條80m射線地表沉降觀測點，點間距為10m，共17個點，相應(yīng)編號為D1～D17。在G1，G2觀測孔旁設(shè)置2組分層沉降觀測點，編號為F1～F2，孔深23m；每組分層沉降觀測點深度分別為23.0m、18.0m、14.5m、9.0m及6.0m。在2組分層沉降監(jiān)測點旁布設(shè)2組孔隙水壓力監(jiān)測點，編號為K1～K2；孔隙水壓力監(jiān)測點設(shè)置深度:23.0m、18.0m、14.5m、9.0m及6.0m（表2、圖1）。

圖1 試驗井與監(jiān)測點結(jié)構(gòu)示意圖

4 成井施工及其技術(shù)要求

采用GXY-1鉆機泥漿循環(huán)鉆進、鉆機吊裝下管成井施工工藝，技術(shù)要求如下：

1）測放井位：根據(jù)井點平面布置，設(shè)備測放井位誤差小于30cm。

2）鉆機安裝：鉆機底座應(yīng)安裝穩(wěn)固水平，大鉤對準孔中心，大鉤、轉(zhuǎn)盤、與孔中心成三點一線。

3）鉆進：采用自然造漿鉆進，遇砂層較厚時，應(yīng)人工制備泥漿護壁;泥漿密度控制在1.15～1.25。當(dāng)提升鉆具或臨時鉆停時，孔內(nèi)應(yīng)壓滿泥漿，防止孔壁坍塌。

4）清孔換漿：鉆至設(shè)計深度后，鉆具提升至距孔底20～30cm處，開動泥漿泵清除孔內(nèi)沉渣，孔內(nèi)沉淤厚度應(yīng)小于20cm，同時調(diào)整泥漿密度至1.15以下。

5）下井管：鉆機自吊法下管。下管前應(yīng)檢查井管及濾水管，需符合質(zhì)量要求。下管時濾水管上下兩端應(yīng)設(shè)置扶正器，以保證井管居中，井管應(yīng)焊接牢固，垂直，不透水，下到設(shè)計深度后井口固定居中。

6）回填礫料與止水回填：投送濾料的過程中，應(yīng)四周均勻投入礫料且邊投邊測投料高度，直至礫料下入預(yù)定位置為止。

礫料段上用粘土球止水，止水高度5.0m，以上部分用當(dāng)?shù)卣承酝粱靥睢?/p>

7）洗井：采用活塞洗井法與空壓機聯(lián)合洗井法，先采用活塞法洗井，通過鉆桿向孔內(nèi)邊注水邊拉動活塞，以沖擊孔壁泥皮，清除濾料段泥砂，待孔內(nèi)泥砂基本出凈后改用空壓機洗井，直至水清砂凈為止。

8）安裝抽水設(shè)備：成井施工結(jié)束后，下入水泵進行試抽水，檢查成井質(zhì)量。

5 抽水試驗

第一階段，采用定流量非穩(wěn)定流試驗，為水文地質(zhì)求參階段。采用單井抽水試驗，每次抽水試驗分抽水階段與水位恢復(fù)階段兩部分。根據(jù)試抽水結(jié)果，由于目的含水層涌水量較小，抽水試驗進行二落程抽水試驗，分別采用4.0m3/h、5.5m3/h流量進行定量非穩(wěn)定流抽水試驗，每個落程穩(wěn)定延續(xù)時間不少于8h。穩(wěn)定標(biāo)準為：在穩(wěn)定時間段內(nèi)，涌水量波動值小于正常流量的5%，抽水孔水位波動值不超過水位降低值的1%，觀測孔水位波動值不超過2~3cm。第二落程抽水試驗結(jié)束后進行水位恢復(fù)觀測，時間為24小時。

第二階段，水位恢復(fù)觀測結(jié)束后進行5.2m3/h定流量的單井抽水試驗，抽水時間6天。在抽水試驗的同時，進行分層沉降和孔隙水壓力觀測。

6 抽水試驗數(shù)據(jù)分析

6.1 第一階段水文地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計及建議值

抽水試驗現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，對原始數(shù)據(jù)進行分類整理，采用AquiferTest軟件生成水位隨時間降深曲線。采用Hantush-Jacob和Theis Recovery兩種方法求取水文地質(zhì)參數(shù)。

此外，承壓水計算公式采用巴布什金公式計算滲透系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)（）：

根據(jù)Hantush-Jacob和Theis Recovery兩種方法及經(jīng)驗公式得出⑦1層承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)見表3。

表3 水文地質(zhì)參數(shù)表

注：經(jīng)驗公式得出值為第一落程和第二落程的計算平均值

6.2 影響半徑

理論上在無限延伸的承壓含水層中抽水影響半徑為無限大，是不存在“影響半徑”的，但實際在一定范圍外影響可以忽略。引入穩(wěn)定流影響半徑概念，預(yù)估抽水影響范圍，一般采用公式法計算影響半徑：

上式中：—影響半徑（m）；s1、s2—觀測孔內(nèi)水位降深（m）；r1、r2—觀測孔距抽水井的距離（m）。

根據(jù)上式并利用C1井抽水試驗G1、G2觀測孔最大降深數(shù)據(jù)進行計算得到影響半徑R=166.25m。

6.3 第二階段抽水試驗數(shù)據(jù)分析

抽水試驗現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，對原始數(shù)據(jù)進行分類整理，采用AquiferTest軟件生成水位隨時間降深曲線。抽水條件下水位動態(tài)特征表明：第Ⅰ承壓含水層（⑦1層）抽水時動水位穩(wěn)定時間較短水位恢復(fù)較快，水位降落漏斗浸潤曲線較陡，抽降水影響范圍不大。

6.4 分層沉降監(jiān)測結(jié)果

本次抽水試驗在G1、G2號觀測孔旁埋設(shè)了分層沉降監(jiān)測標(biāo)。

監(jiān)測結(jié)果表明：抽水期間，F(xiàn)1、F2監(jiān)測點上部隔水層累計沉降分別為0.209、0.217mm，上部各土層沉降基本在抽水第一天內(nèi)即完成，各層沉降值在0.023~0.07 mm之間。

6.5 孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果

本次群井抽水試驗期間，在G1、G2號觀測孔旁埋設(shè)了孔隙水壓力計，監(jiān)測結(jié)果見圖2~3。

圖2 K1孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果

圖3 K2孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果

K1、K2孔隙壓力監(jiān)測結(jié)果表明：抽水試驗引起的孔隙水壓力變化發(fā)生在抽水含水層及上部相鄰隔水層，在沉降計算模型中，若考慮短期沉降，可僅計算含水層及上部相鄰隔水層的沉降量，壓力變化可取水位變化；若計算長時間沉降，應(yīng)計算含水層及整個上部土層沉降，壓力變化可取水位變化。

6.6 地面沉降監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場情況及抽水試驗技術(shù)要求，本次試驗布設(shè)2條80m射線地表沉降觀測點，點間距為10m，共17個點，相應(yīng)編號為D1～D17。

地面沉降監(jiān)測結(jié)果表明：地面沉降小于分層沉降總和，地面監(jiān)測點最大沉降1.5mm，在抽水井40m范圍外少于1.0mm。沉降主要發(fā)生在抽水初期，在降深不大的情況下，沉降隨抽水時間變化不明顯。

7 基坑減壓降水分析

7.1 基坑突涌可能性分析

本項目通道井開挖深度約15.5m，試驗期間第I承壓含水層（⑦1層）高水位高程為-4.593m，室外設(shè)計地坪標(biāo)高4.0m，則第I承壓含水層高水位埋深為8.593m。根據(jù)詳勘報告，⑦1層層頂板最淺埋深為28.4m。

根據(jù)上海市《巖土工程勘察規(guī)范》（DGJ08-37-2012）第12.3.3條，按不利情況采用Pcz/Pwy值驗算坑內(nèi)地基土抗承壓水頭的穩(wěn)定性，確定基坑突涌可能性。

圖4 D1～D17地面沉降點監(jiān)測結(jié)果

Pcz/Pwy=（H·γs）/（γw·h）

式中：Pcz—基坑底至承壓含水層頂板間土壓力（Pa）；Pwy—承壓水頭高度至承壓含水層頂板間的水壓力（Pa）；H—基坑底至承壓含水層頂板間距離（m）；γs—基坑底至承壓含水層頂板間土的加權(quán)平均重度（KN/m3）；h—承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離（m）；γw—水的重度（KN/m3），取10KN/m3。

考慮不利情況，計算承壓水位取實測高水位加近三年年變幅最大值2.66m計算，基坑底至承壓含水層頂板間土的加權(quán)平均重度為18.5 KN/m3。依據(jù)上述條件對本工作井開挖深度15.5m時的基坑突涌可能性計算如下：Pcz/Pwy=（28.4-15.5）×18.5/((28.4-8.593+2.66)×10)=1.062>1.05，基坑開挖不會發(fā)生突涌。

7.2 設(shè)計（開挖）超深（Hcw）

本次試驗結(jié)果表明：基坑開挖15.5m不會發(fā)生突涌，但安全儲備不高，由于本項目設(shè)計仍在進行中，以及考慮施工中可能出現(xiàn)的超挖現(xiàn)象，有必要提出設(shè)計（開挖）超深（Hcw）限制。按不利情況進行設(shè)計（開挖）超深（Hcw）計算：

Pcz/Pwy=（（28.4-15.5-Hcw）×18.5）/（（28.4-8.593+2.66）×10）=1.05

則：Hcw=（28.4-15.5）-（（28.4-8.593+2.66）×10×1.05/18.5）=0.148m

本工作井在現(xiàn)設(shè)計開挖深度15.5m條件下不能再超深設(shè)計或施工中超挖0.148m，并應(yīng)在基坑開挖過程中對該層地下水進行監(jiān)測，當(dāng)水位埋深低于臨界預(yù)警值（Hcr）時應(yīng)采取措施減壓，確?；影踩_挖。

7.3 水位埋深臨界預(yù)警值（Hcr）

取抽水井C1的井口（高程4.411m）為水位量測起點，按公式Pcz/Pwy=1.05計算水位臨界預(yù)警值（Hcr）：

Pcz/Pwy=（（28.4-15.5）×18.5）/（（28.4-Hcr0）×10）=1.05

則：Hcr0=28.4-（（28.4-15.5）×18.5））/(1.05×10)=5.671m

Hcr= Hcr0+（4.41-4.0）=6.081m

因此，當(dāng)基坑開挖至15.5m時，若監(jiān)測水位埋深低于6.081m，應(yīng)采取減壓措施，確?；影踩_挖。

8 結(jié)論

1）以室外地坪標(biāo)高4.0m計，本通道井基坑開挖15.5m時不會發(fā)生突涌，但安全儲備不高，設(shè)計（開挖）超深（Hcw）值僅為0.148m，超深設(shè)計時需采取可靠措施并嚴格控制施工超挖?；娱_挖最后一層土?xí)r須對該層地下水進行監(jiān)測，當(dāng)水位埋深低于臨界預(yù)警值（Hcr）6.081m時（從管口起測，相應(yīng)標(biāo)高為-1.670m），應(yīng)采取減壓措施，確保基坑安全開挖。降水深度視監(jiān)測水位確定，從抽水試驗結(jié)果看，配備的泵出水能力在20m3/hr可滿足要求，但該層水位恢復(fù)較快，應(yīng)有備用泵及應(yīng)急電源。

2）⑦1層綜合滲透系數(shù)為1.50m/d，導(dǎo)水系數(shù)為150 m2/d，貯水系數(shù)為4.5E-9，短時間單井抽水影響半徑（R）為166.25m。

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[3] DGJ08-37-2012, 巖土工程勘察規(guī)范[S].

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Pumping Test and Result Analysis of a Confined Aquifer in Underground Space

WU Ye XIE Shi-hong

(Shanghai Institute of Geotechnical Engineering Co., Ltd., Shanghai 200072)

It is necessary to determine the hydrogeological parameters of confined aquifer by pumping test in an underground space construction due to the risk of groundwater gushing. According to the preliminary evaluation of the survey report, when the foundation pit is excavated at 15.5 m, groundwater gushing may occurs in the confined aquifer ⑦1. In order to ensure the safety of the project construction, a pumping test of the confined aquifer is carried out before excavation to obtain the hydrogeological parameters of confined aquifer and the settlement characteristics caused by precipitation, so as to provide a reliable basis for the design and construction of underground space. Pumping wells, observation wells, stratified subsidence benchmark groups, pore water pressure observation holes and ground subsidence observation points are laid out. According to the technical requirements of the pumping test, relevant hydrogeological parameters such as permeability coefficient and influencing radius of pumping are obtained. Finally, according to the characteristics of confined water in the engineering site, the results are analyzed, and the suggestions on reducing confined water pressure in foundation pit excavation are made.

confined aquifer; pumping test; permeability coefficient; result analysis

2019-05-02

吳燁（1984-），女，江蘇人，工程師，從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)方面的工作

P642.26，P641

A

1006-0995（2020）01-0107-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.022