抽水試驗在中國上海地區(qū)深基坑工程中的應(yīng)用

王晨陽

上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，中國·上海 200092

1 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城市地鐵也不斷得到發(fā)展，基坑開挖深度也隨著線路交錯而不斷加深，由淺埋變成深埋。例如，中國上海地鐵13 號線淮海中路站埋深就深達33m，中國上海市蘇州河深隧云嶺西超深豎井開挖深度達58.65m。中國上海地區(qū)地下水豐富，與工程建設(shè)密切相關(guān)的主要為第四系地層中的潛水、微承壓水及承壓水。

隨著基坑開挖深度的加深，承壓水對基坑圍護設(shè)計及施工的影響就越加顯得突出。為使基坑范圍內(nèi)地下水降到基坑底板以下0.5～1.0m，一般可采用具有隔水功能的圍護墻體或隔水帷幕插入承壓水含水層并穿過該層進入隔水層，隔斷承壓水的補給，然后進行坑內(nèi)降水。當(dāng)承壓含水層很厚或者多層承壓含水層相連，如中國上海地區(qū)典型的⑦層（粉土及粉砂層）、⑨層（粉細砂）相連，甚至⑤2層（粉土或粉砂層）、⑦層（粉土及粉砂層）、⑨層（粉細砂）相連，導(dǎo)致承壓含水層難以隔斷，為準確掌握含水層的各項水文地質(zhì)特征，確保正式開挖施工過程中有效控制地下水，在降水設(shè)計以及正式開始基坑降水前，有必要進行現(xiàn)場水文地質(zhì)抽水試驗。

2 工程概況

某風(fēng)井位于中國浦東新區(qū)楊高南路東側(cè)、S20 外環(huán)高速公路南側(cè)，采用明挖法施工，全長約142.4m，最大埋深約31.05m，圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，地連墻插入深度為60m。場地現(xiàn)狀雖為拆遷空地，但北側(cè)臨近航油管，保護等級較高，場地周邊環(huán)境較為復(fù)雜。

2.1 工程地質(zhì)條件

2.1.1 地形地貌

擬建風(fēng)井場地位于上海市東南側(cè)，地勢較為平坦，場地標(biāo)高一般在4.5m 左右。根據(jù)上海市地貌單元劃分，場地屬濱海平原地貌類型。

2.1.2 地基土的構(gòu)成與特征

根據(jù)鉆探資料表明，在130m 深度范圍內(nèi)，場地土層自上至下可劃分為10 個大層和若干亞層，其中第①1層為填土層，第②～⑤層為全新世Q4 沉積層，第⑦～⑨層為晚更新世Q3 沉積層，第⑩～?層為中更新世Q2 沉積層，其中第⑤3-1層～⑤4層為古河道沉積層。

2.2 水文地質(zhì)條件

擬建場地揭露的地下水分為賦存于淺部土層中的潛水以及淺部⑤2層中的微承壓水、中下部⑤3-2、⑦2、⑨1、?層中的承壓水。

2.2.1 潛水

根據(jù)中國上海地區(qū)經(jīng)驗，淺部土層中的潛水位埋深一般為地表下0.3～1.5m，受降雨、潮汛、地表水的影響有所變化，年平均水位埋深為0.5～0.7m。

2.2.2 承壓水

根據(jù)中國上海地區(qū)經(jīng)驗，承壓水水位一般低于潛水位，年呈周期性變化，埋深3.0～12.0m。

第⑦2層為中國上海地區(qū)第一承壓含水層，層位埋深介于55.7～77.1m，其對擬建風(fēng)井影響較大。

3 試驗?zāi)康?/h2>

（1）通過抽水試驗，查明第⑦2層試驗期間水頭高度，計算本場地降承壓水的臨界開挖深度。

（2）通過現(xiàn)場抽水試驗，求取第⑦2層水文地質(zhì)參數(shù)（包含滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)等）。

（3）測定單井實際涌水量。

（4）通過抽水試驗，計算影響半徑。

4 試驗方案

針對⑦2層布置4 口抽水井，深度分別63m、65m、67m、69m，3 口觀測井，2 口深度63m，1 口深度68m，抽水井呈正四邊形分布，邊長20m。

試驗井的開孔終孔口徑一致，均為Φ650mm，一徑到底。填礫為D50 ＝d50（8～12 倍），濾料上部填5m 粘土球止水，粘土球上部回填粘性土至場地地面，考慮到回灌，抽水井周邊上部25m 范圍內(nèi)進行注漿加固。

5 ⑦2 層單井抽水試驗

5.1 試驗數(shù)據(jù)

2#井抽水的同時對其他觀測井進行地下水位動態(tài)觀測，總歷時約2876min，抽水8h 后，水位基本趨于穩(wěn)定。單井試驗出水量297.6m3/d，抽水井動水位約31.2m，單位出水量q為11.7m3/d.m。

各觀測井水位變化與時間關(guān)系曲線如圖1所示；水位降深與井距關(guān)系如圖2所示。

圖1 第⑦2 層第一組單井抽水試驗觀測井水位降變化歷時曲線

從圖2可以分析得出：

圖2 水位降深與井距關(guān)系圖

（1）水位降深隨距離增大而減小，但非線性關(guān)系，呈自然對數(shù)關(guān)系形式。

（2）根據(jù)上式對數(shù)關(guān)系，該組單井試驗影響半徑約為240m。

5.2 參數(shù)擬合計算

水文地質(zhì)參數(shù)是根據(jù)非穩(wěn)定流抽水試驗數(shù)據(jù)計算求得。含水層滲透系數(shù)是根據(jù)試驗場區(qū)的具體水文地質(zhì)條件，選擇相應(yīng)方法進行計算確定。

本次試驗地層有越流補給條件下的無界承壓含水層中非穩(wěn)定流抽水試驗，上下隔水層有越流補給，在巨厚含水層中，井結(jié)構(gòu)為非完整井，含水層為均質(zhì)、各向異性、側(cè)向無限延伸，厚度不變。選用Hantush 的計算方法，進行含水層的滲透系數(shù)（水平、垂直）、儲水系數(shù)以及導(dǎo)水系數(shù)、越流因子等進行求解。

根據(jù)實際的抽水井和觀測井的參數(shù)值，自動繪制一系列標(biāo)準雙對數(shù)曲線，同時根據(jù)單（群）井抽水試驗后觀測井水位下降，生成時間—降深的雙對數(shù)曲線，并對實測曲線與標(biāo)準曲線進行擬合，找出最佳的標(biāo)準雙對數(shù)曲線，計算含水層的各參數(shù)。

導(dǎo)水系數(shù)平均值：T=4.36E1m2/d；水平滲透系數(shù)平均值Kh=2.90m/d；垂直滲透系數(shù)平均值Kv=0.109★2.90=0.32m/d；儲水系數(shù)S=1.54E-3。擬合結(jié)果如圖3所示。

圖3 單井試驗標(biāo)準曲線

5.3 水位恢復(fù)試驗

停止抽水以后，觀測井水位恢復(fù)較快，距離抽水井越近，水位恢復(fù)速率越快，約5min 恢復(fù)10%左右，25min 水位基本能恢復(fù)至抽水試驗前的50%（如圖4所示）。

圖4 水位恢復(fù)曲線圖

5.4 ⑦2 層單井試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)3 組單井抽水試驗，不同抽水井深度抽水時，流量差異明顯，單井流量以及單位出水量隨井深增加而增大。

如表1所示，對比3 組單井試驗水位下降幅度變化情況，第一組單井抽水試驗時，觀測井水位下降幅度1.68～2.49m；第二組單井抽水試驗時，觀測井水位下降幅度3.18～4.67m；第三組單井抽水試驗時，觀測井水位下降幅度2.82～5.05m。

表1 三組單井試驗流量對比統(tǒng)計表

三組單井試驗抽水井單位出水量對比如圖5所示。

圖5 三組單井試驗抽水井單位出水量對比圖

6 結(jié)語

（1）根據(jù)本次試驗期間的水位監(jiān)測信息，本場地第⑦2層承壓含水層初始水位絕對標(biāo)高約為-1.24～-1.63m，⑦2層承壓水初始水位約在井口以下5.34～5.85m。

根據(jù)穩(wěn)定性計算，本場地第⑦2層臨界挖土深度為27.7m；基坑開挖到底時，第⑦2層水位需控制在11.1m。

（2）通過本次抽水試驗，查明了本地區(qū)承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，如表2所示。

表2 抽水試驗參數(shù)匯總表

根據(jù)不同求參方式比較，第⑦2層水平滲透參數(shù)2.90～4.23m/d，垂直滲透參數(shù)0.32～0.53m/d，貯水率1.03E-04～9.80E-05(l/m)。

（3）根據(jù)抽水試驗結(jié)果，⑦2層單井抽水試驗的影響半徑約為240m；影響半徑是隨著時間變化而變化的，同時圍護結(jié)構(gòu)施工后，影響半徑也將發(fā)生變化。

（4）⑦2層降水井深度63～69m，過濾器長3～9m，單井出水量約3.0～16.0m3/h，單位出水量約4.3～13.1m3/d.m。不同抽水井深度抽水時，流量差異明顯，單井流量以及單位出水量隨井深增加而增大。

（5）抽水試驗過程中，沉降的主要源頭是承壓含水層的水頭降低產(chǎn)生的瞬時沉降，進行大量抽水時，地面沉降隨著抽水時間的延長而不斷增大，當(dāng)抽水結(jié)束后，沉降不再增加，隨著水位的恢復(fù)，沉降出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。停止抽水以后，觀測井水位恢復(fù)較快，距離抽水井越近，水位恢復(fù)速率越快，約5min 恢復(fù)10%左右，25min 水位基本能恢復(fù)至抽水試驗前的50%；水位恢復(fù)至試驗前水平時，沉降回彈幅度約68%。

（6）后期實際工程降水過程中，隨著抽水持續(xù)時間增加，土體固結(jié)度增加，回彈的幅度將有所下降。應(yīng)在變形敏感區(qū)布置第⑦2層的回灌井，以保證周邊土體及建構(gòu)筑物的沉降控制。