基于大口徑穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的基坑降水方案設(shè)計(jì)

近年來，隨著長江沿線城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的不斷加快，基坑深度也在不斷增加，高水頭承壓水深基坑問題亟待解決。在勘察過程中，一般采取大口徑多井、群井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，獲取承壓含水層準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)，以防止基坑突涌、管涌等事故的發(fā)生，這對基坑的安全建設(shè)具有重要意義。本文以江陰—靖江過江通道北岸盾構(gòu)井工程抽水試驗(yàn)為例，開展多井（一抽多觀）與群井（多抽多觀）承壓水穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，對基坑底部Ⅱ?qū)映袎汉畬舆M(jìn)行研究，將得到的多組水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行對比，綜合分析給出Ⅱ?qū)映袎汉畬訙?zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)，以此為基礎(chǔ)計(jì)算基坑涌水量、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)降水方案，并用數(shù)值模擬的方法動態(tài)模擬基坑降水過程，以期為基坑設(shè)計(jì)施工提供依據(jù)。

1.工程概況

江陰—靖江過江通道長江北岸盾構(gòu)井基坑位于靖江市六圩村，基坑尺寸30.4m×56m，基坑開挖深度28.9m；工程場區(qū)范圍內(nèi)地面標(biāo)高2.5m，地下水主要為潛水（水位標(biāo)高2.2m）、Ⅰ層承壓水(水位標(biāo)高0.86m)、Ⅱ?qū)映袎核?水位標(biāo)高0.21m)，由于止水帷幕穿Ⅰ層承壓水進(jìn)入其下的相對隔水層，場區(qū)潛水及Ⅰ層承壓水對工程影響不大；Ⅱ?qū)映袎核挥诨拥撞?，水頭高、水量豐富，該層承壓含水層對基坑施工安全影響較大。本文主要對Ⅱ?qū)映袎核M(jìn)行研究，場區(qū)地層巖性自上往下依次為新近堆積（Q4ml）的松散～稍密狀人工填土，厚度1m—2m；全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl) 成因的流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度5.5m—9.0m；全新統(tǒng)沖洪積 (Q4al+pl) 成因的軟狀粉質(zhì)黏土，頂面埋深7.3m—11.7m，厚度4.0m—7.4m；全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)成因的稍密狀粉細(xì)砂，頂面埋深14.9m—16.5m，厚度5.0m—8.0m，該層是本場區(qū)Ⅰ、Ⅱ?qū)映袎核畬樱簧细陆y(tǒng)沖積—海積（Q3al+mc）成因的可塑狀粉質(zhì)黏土，頂面埋深20.7m—22.8m，厚度5.6m—7.5m，該層為兩層承壓含水層間的隔水層；上更新統(tǒng)沖積—海積（Q3al+mc）成因的密實(shí)狀粉細(xì)砂，頂面埋深28.2m—29.4m，厚度20.9m—21.8m，該層是本場區(qū)Ⅱ?qū)映袎核畬?；底部為上更新統(tǒng)沖積-海積（Q3al+mc）成因的硬塑狀粉質(zhì)黏土，頂面埋深49.1m—51.2m，勘察過程中未提示該層底板。場區(qū)代表性剖面如圖1所示。

圖1 北岸盾構(gòu)井工程地質(zhì)剖面圖

2.試驗(yàn)方案

2.1 影響試驗(yàn)方案的因素

工程場區(qū)位于長江北側(cè)，距長江約1.5km，Ⅱ?qū)映袎核畬优c長江水之間可能存在水力聯(lián)系，在Ⅱ?qū)映袎汉畬又写嬖诘牧鲌鰧?dǎo)致該層平行與垂直長江方向的水文地質(zhì)參數(shù)存在差異，因此在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)能分別得到平行與垂直長江方向的上水文參數(shù)；從剖面圖上看，Ⅰ、Ⅱ?qū)映袎汉畬娱g由隔水層隔開，但兩層間的隔水層在更大尺度上可能呈透鏡體狀，即Ⅰ、Ⅱ?qū)映袎核赡艽嬖谥苯铀β?lián)系，對Ⅱ?qū)映袎核M(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)，Ⅰ層承壓水會補(bǔ)給Ⅱ?qū)映袎核?。因此，判斷兩層承壓水間是否存在水力聯(lián)系及水力聯(lián)系的強(qiáng)弱，對試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及計(jì)算公式選擇的影響很大。

2.2 水文鉆孔布置方案

沿平行長江和垂直長江方向布置兩條水文試驗(yàn)鉆孔，觀測孔與抽水孔距離為5m—10m。所有抽水井均為承壓水完整井，深度55m、井徑600mm、濾管直徑273mm；觀測井除Ⅰ-G01外均為Ⅱ?qū)映袎核^測井，深度42m、井徑600mm、濾管直徑273mm；觀測井Ⅰ-G01為Ⅰ層承壓水觀測井，深度25m、井徑600mm、濾管直徑273mm。按該方案布置水文孔，通過抽水試驗(yàn)可以得到Ⅱ?qū)映袎汉畬釉诖怪迸c平行長江兩個(gè)方向上的水文參數(shù)，從而能判斷該層在兩個(gè)方向上水力學(xué)性質(zhì)是否存在明顯差異；另外，在抽水試驗(yàn)的同時(shí)可以觀察Ⅰ層承壓水水頭的變化，以此判定兩層承壓水之間水力聯(lián)系強(qiáng)弱。水文鉆孔平面布置圖如圖2所示。

2.3 試驗(yàn)過程

2.3.1 成井工藝

在盾構(gòu)井基坑場區(qū)開展了多井（一抽多觀）及群井抽水試驗(yàn)，采用多種試驗(yàn)方法比較驗(yàn)證，以獲取含水層準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)。所有水文試驗(yàn)井均采用反循環(huán)鉆機(jī)鉆進(jìn)成孔，鉆進(jìn)過程中不使用黏土粉，依靠鉆進(jìn)過程中自造的泥漿。成孔后趁泥漿稀薄，及時(shí)下井管，并在試驗(yàn)段充填中粗砂，在試驗(yàn)段以上充填黏土球并搗實(shí)，成井后采用活塞洗井，并采用空壓機(jī)洗井至水清、砂凈。洗孔完畢后靜置24小時(shí)，待水位恢復(fù)后開始進(jìn)行抽水試驗(yàn)。水文孔深度、濾管位置及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2.3.2 多井抽水試驗(yàn)

此次多井抽水試驗(yàn)從平行長江方向與垂直長江方向兩組分別進(jìn)行，每組多井抽水試驗(yàn)分3組降深（因篇幅所限，本文只展示最大降深抽水試驗(yàn)降深曲線圖）。先進(jìn)行平行長江方向上的多井抽水試驗(yàn)（C01為抽水井，G01、G02為觀測井），進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)同步記錄鉆孔Ⅰ-G01中Ⅰ層地下水水頭的變化，平行長江方向上多井抽水試驗(yàn)各降深曲線如圖3所示。

如圖3所示，根據(jù)試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，抽水時(shí)鉆孔Ⅰ-G01中Ⅰ層地下水水頭沒有變化，證明兩層水之間不存在水力聯(lián)系，兩層承壓水之間不存在越層補(bǔ)給，因此，此次抽水試驗(yàn)適用于裘布衣關(guān)于承壓完整井的公式如下：

圖2 水文試驗(yàn)孔布置圖

圖3 平行長江方向最大降深曲線圖

表1 管井結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

表2 平行長江方向抽水試驗(yàn)水文參數(shù)計(jì)算成果表

表3 垂直長江方向抽水試驗(yàn)水文參數(shù)計(jì)算成果表

圖4 垂直長江方向最大降深曲線圖

圖5 群井抽水時(shí)各孔位水位降深曲線圖

平行長江方向抽水試驗(yàn)水文參數(shù)計(jì)算成果見表2。

同時(shí)，觀測記錄垂直長江方向兩口觀測井G03、G04的水位動態(tài)，垂直長江方向上多井抽水試驗(yàn)各降深曲線如圖4所示。

根據(jù)裘布衣關(guān)于承壓完整井的公式，垂直長江方向上多井抽水試驗(yàn)成果如表3所示。

對比表2、表3可知Ⅱ?qū)映袎核畬釉谒?、垂直長江方向上的水文參數(shù)相近，故可認(rèn)為Ⅱ?qū)映袎核畬釉趦蓚€(gè)方向上的水力學(xué)性質(zhì)相同。

2.3.3 群井抽水試驗(yàn)

為了模擬施工降水工況（要求水位降深達(dá)到基坑結(jié)構(gòu)底板下1m），多井抽水試驗(yàn)完成后，進(jìn)行了群井抽水試驗(yàn)（C01、C02、C03同時(shí)抽水，G01、G02、G03、G04為觀測井）測定在群井抽水時(shí)Ⅱ?qū)映袎核畬拥乃牡刭|(zhì)參數(shù)，同時(shí)對布設(shè)的第一層含水層觀測孔（Ⅰ-G01）進(jìn)行了觀測，進(jìn)一步分析群井抽水時(shí)兩層承壓含水層的越流補(bǔ)給情況。此次群孔抽水選用泵量100m3/h的潛水泵，控制單井穩(wěn)定出水量均為95m3/h，在連續(xù)穩(wěn)定抽水24h后趨于穩(wěn)定，觀測孔受影響最小的為G03，水位下降值為19.14m，抽水孔中C03降深最大達(dá)28.10m。群井抽水時(shí)各水文井水位曲線如圖5所示。

從群井抽水試驗(yàn)的水位降深關(guān)系曲線可以看出，在群井工況下，觀測孔Ⅰ-G01中Ⅰ層承壓水水頭依舊沒有響應(yīng)，由此可以判定施工降水時(shí)Ⅰ層承壓水不會越流補(bǔ)給Ⅱ?qū)映袎核?。由于群井抽水工況下沒有專門的計(jì)算公式計(jì)算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，于是采用水文專業(yè)數(shù)值計(jì)算軟件MODFLOW進(jìn)行參數(shù)反演計(jì)算，此次群孔干擾抽水試驗(yàn)單井穩(wěn)定出水泵量95m3/h時(shí)，反演計(jì)算結(jié)果顯示Ⅱ?qū)映袎核畬佑绊懓霃絉為1015.19m，計(jì)算出滲透系數(shù)K值為10.09m/d。

2.3.4 水文地質(zhì)參數(shù)建議值

綜合考慮群井及多井抽水試驗(yàn)計(jì)算成果，施工降水時(shí)Ⅱ?qū)映袎核畬訚B透系數(shù)K按10.5m/d考慮，當(dāng)水位降至基坑底板下1m時(shí)，影響半徑R取1050m。

3.施工降水方案設(shè)計(jì)及降水過程動態(tài)模擬

3.1 施工降水井管井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于基坑作業(yè)面較小，施工設(shè)備、人員眾多，為了盡可能減少施工抽水作業(yè)占據(jù)面積，最大效率地抽取地下水，擬采用完整井抽水，有效濾管長度與含水層厚度相當(dāng)；考慮到工民建市場上水文井鉆探成孔能力、工藝，并結(jié)合場地地層情況，抽水井?dāng)M采用反循環(huán)鉆機(jī)成孔，利用成井過程自造泥漿護(hù)壁，鉆孔直徑600mm，抽水井徑取273mm。施工抽水管井結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 施工抽水時(shí)管井結(jié)構(gòu)圖

3.2 施工降水井?dāng)?shù)量確定

按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)中8.3.4節(jié)單井的管井出水量q(m3/d)可按下列經(jīng)驗(yàn)公式確定：

此次施工降水參數(shù)rs取0.1365m，l取20m，k取10.5m/d，依《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)公式8.3.4計(jì)算單井的管井出水量q=2252.5m3/d，施工降水時(shí)應(yīng)選用出水量100t/h的潛水泵。

基坑平面尺寸30.4×56m,開挖深度為28.9m，Ⅱ承壓含水層地下水位埋深為2.29m，按設(shè)計(jì)要求，設(shè)定地下水位降至基坑以下1m，此時(shí)地下水位埋深29.9m，地下水位降深須要達(dá)到27.61m?？紤]到基坑邊界上支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，因此，把抽水井布置在基坑邊界外側(cè)1m處，對基坑邊界外擴(kuò)1m的矩形基坑按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)附錄F中公式(F.0.3-1)計(jì)算基坑涌水量Q(m3/d)

圖7 基坑降水Ⅱ?qū)映袎核邓矫娌贾脠D（紅色圓點(diǎn)表示降水井）

式中，k為滲透系數(shù)（m/d）；M為含水層厚度（m）；S為設(shè)計(jì)水位降深（m）；a，b為基坑邊界外擴(kuò)1m后的邊長。按該公式計(jì)算得基坑涌水量Q=9811.2(m3/d)。

按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)中公式：計(jì)算降水井?dāng)?shù)量n=4.8，取整為5口?？紤]到施工降水過程須要盡量均衡,要求降水井對稱布置，由于施工過程中不允許在基坑中間布置降水井，故設(shè)計(jì)降水井?dāng)?shù)量調(diào)整為6口，具體平面布置如圖7所示。

3.3 降水過程動態(tài)模擬

根據(jù)抽水試驗(yàn)成果，不考慮兩層承壓水間的越流補(bǔ)給，建立三維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，其書寫模型可用下面的偏微分方程及其定解條件進(jìn)行描述：

式中：Kx、Ky和Kz分別為x、y、z方向的滲透系數(shù)（按現(xiàn)場試驗(yàn)成果，認(rèn)為水平方向上Kx=Ky=10.5，依室內(nèi)試驗(yàn)Kz=3.49，m/d）；H為含水層的水頭值，m；M為含水層厚度，m為源匯項(xiàng)，m/d；S為給水度或比彈性釋水系數(shù)，潛水含水層取重力給水度，承壓含水層取彈性釋水系數(shù)為模擬范圍；n為邊界外法向方向單位向量；Γ為側(cè)邊界；B為底邊界；H0為初始水頭，m。

圖8 模型運(yùn)行過程中地下水位等值線圖（紅色區(qū)域表示基坑范圍）

結(jié)合邊界條件，利用水文專業(yè)數(shù)值模擬軟件Processing MODFLOW對施工降水過程進(jìn)行動態(tài)模擬，模型運(yùn)行第1天、第3天、第5天、第10天的地下水流場分布如圖8（a）所示。從不同時(shí)期水位等值線圖可以看出，降水井開采條件下地下水位以降水井為中心向基坑延伸。基坑降水初期，地下水位呈現(xiàn)急劇下降趨勢，模型運(yùn)行第1天時(shí)降水井周邊地下水位標(biāo)高達(dá)到目標(biāo)水位標(biāo)高-27.4m（對應(yīng)埋深29.9m）。隨著降水時(shí)間的延長，基坑范圍內(nèi)地下水位標(biāo)高呈現(xiàn)降低趨勢，當(dāng)降水井持續(xù)以2400m3/d的抽水量運(yùn)行至第3天時(shí)，基坑范圍內(nèi)接近一半的區(qū)域地下水位標(biāo)高已達(dá)到目標(biāo)水位標(biāo)高[圖8（b）]。當(dāng)降水井持續(xù)運(yùn)行至第5天時(shí)，基坑區(qū)域絕大部分范圍地下水位標(biāo)高均已達(dá)到目標(biāo)水位標(biāo)高[圖8（c）]。從圖8（d）可以看出，模型運(yùn)行第10天時(shí)，基坑周邊和基坑內(nèi)的地下水位標(biāo)高均已達(dá)到目標(biāo)水位標(biāo)高-27.4m（對應(yīng)埋深29.9m），滿足基坑降水所需達(dá)到的水位條件。

4.結(jié)論

本文通過在抽水過程中對Ⅰ層承壓水頭觀測，判定兩層承壓水之間沒有水力聯(lián)系，為選用水文參數(shù)的計(jì)算公式提供了依據(jù)；通過對比分析水平、垂直長江方向上兩組抽水試驗(yàn)成果，證明了Ⅱ?qū)映袎汉畬釉趦蓚€(gè)方向上水力學(xué)性質(zhì)差異甚小，建模過程中可以認(rèn)為平面上各個(gè)方向上的水文參數(shù)相同；通過展開大口徑穩(wěn)定流多井、群井抽水試驗(yàn)，綜合確定了Ⅱ?qū)映袎汉畬铀膮?shù)；基于以上成果，科學(xué)地設(shè)計(jì)了基坑降水方案，并利用數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了基坑降水方案的可行性。