砂卵石潛水層回灌對(duì)臨近同層降水工程影響研究

肖雙全，趙 剛，李凌宜，闞生雷，李大寧

土建技術(shù)

砂卵石潛水層回灌對(duì)臨近同層降水工程影響研究

肖雙全1，趙 剛2, 3，李凌宜1，闞生雷2, 3，李大寧1

（1. 北京市政路橋股份有限公司，北京 100045；2. 北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101； 3. 城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

回灌工程與降水工程結(jié)合是兼顧工程安全建設(shè)和地下水資源保護(hù)的有效措施。中心城區(qū)受到回灌場(chǎng)地和輸水管線布設(shè)的限制，回灌區(qū)與降水區(qū)相距較近，回灌影響范圍和降水影響范圍有重疊，此時(shí)回灌和降水難免產(chǎn)生相互影響。以北京某地鐵工程區(qū)間風(fēng)井砂卵石潛水層降水回灌工程為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論推導(dǎo)及數(shù)值分析，得出臨近同層回灌使降水工程的基坑涌水量增加約40%，該研究對(duì)砂卵石等滲透性強(qiáng)潛水層回灌工程有一定工程指導(dǎo)意義。

地鐵；砂卵石潛水層；回灌；降水；涌水量；數(shù)值模擬

地下水控制是城市軌道交通深基坑工程安全施工的關(guān)鍵，工程降水是地下水控制的常用措施，但大量抽排地下水會(huì)導(dǎo)致巨大的水資源浪費(fèi)?；毓喙こ膛c降水工程相結(jié)合是解決降水工程水資源浪費(fèi)問題的有效手段。但在實(shí)際工程中，由于場(chǎng)地限制，回灌工程多臨近降水工程，回灌和降水的耦合作用勢(shì)必影響工程降水的效果。

鄭剛等[1]通過開展一系列抽水及回灌試驗(yàn)，對(duì)基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系、不同含水層間的水力聯(lián)系和隔層回灌的效果進(jìn)行了研究；楊坤[2]通過地鐵車站降水回灌工程研究，對(duì)高富水砂卵石地層可灌性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但缺乏降水與回灌的相互影響研究；姚輝[3]提出了基坑降水回灌量及回灌井間距的設(shè)計(jì)方法；王國(guó)富等[4]通過矩陣評(píng)價(jià)法對(duì)深基坑降水工程回灌適用性進(jìn)行分級(jí)；原華等[5]根據(jù)鏡像與疊加原理推導(dǎo)出承壓完整降灌井群耦合作用下的水位線方程，并基于此提出了降水回灌系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；曾慶軍等[6]從地下水系統(tǒng)理論出發(fā)，闡述了深基坑工程降排水-注水系統(tǒng)優(yōu)化抽(注)水量設(shè)計(jì)的建模過程及求解方法；賀亞魏等[7]開展了有回灌和無(wú)回灌條件下的不同井深的降水?dāng)?shù)值試驗(yàn)，但缺乏實(shí)際工程試驗(yàn)研究對(duì)比。

目前針對(duì)回灌對(duì)既有降水工程影響的研究較少，尤其是缺乏針對(duì)實(shí)際工程案例的監(jiān)測(cè)和分析的系統(tǒng)性研究。依托北京某地鐵區(qū)間風(fēng)井降水回灌工程，潛水層滲透系數(shù)大，回灌區(qū)離降水區(qū)較近，兩者之間的耦合作用顯著。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、理論分析及數(shù)值分析等方法，開展了同層回灌對(duì)臨近降水工程的影響研究，并重點(diǎn)分析回灌對(duì)臨近降水工程涌水量的影響。

1 工程概況

1.1 工程和水文地質(zhì)概況

北京某地鐵工程終點(diǎn)區(qū)間設(shè)置有正線及折返線共4條線，折返線段設(shè)有風(fēng)井1座，區(qū)間風(fēng)井兼做區(qū)間暗挖工作井。場(chǎng)地位于永定河沖洪積扇中部，為永定河沖洪積平原地貌。第4系地層厚度40 m左右，地面標(biāo)高為40.2～44.97 m。場(chǎng)地各土層土性特征如下：①雜填土、素填土，層厚3.0～7.40 m；③細(xì)中砂，層厚0～2.10 m；④圓礫，層厚5.70～5.80 m；⑤卵石，層厚5.50～7.40 m；⑥卵石，層厚16.70～18.10 m，⑦-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖，層厚3.70～3.80 m，場(chǎng)地典型地層剖面見圖1。區(qū)域內(nèi)共一層地下水，類型為潛水，水位埋深約24 m，主要賦存于卵石⑥層。該含水層滲透性能好，滲透系數(shù)大。地下水位在風(fēng)井結(jié)構(gòu)底板以上6～7 m，對(duì)施工影響較大，工程采用降水措施。

1.2 降水方案及涌水量估算

在不考慮臨近區(qū)域進(jìn)行回灌的影響下，根據(jù)主體結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高和地下水分布情況，利用規(guī)范大井法計(jì)算終點(diǎn)區(qū)間正線及折返線隧道和區(qū)間風(fēng)井涌水量，計(jì)算結(jié)果見表1。

圖1 場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面

Figure 1 Typical geological section of the site

共布置160眼降水井(含區(qū)間風(fēng)井)，井徑600 mm，井深40 m，平均井間距為7 m，降水井布置如圖2。先開展區(qū)間風(fēng)井降水，區(qū)間風(fēng)井施工完畢后，再進(jìn)行暗挖區(qū)間及折返線降水施工。

圖2 降水井平面布置圖

Figure 2 Floor plan of precipitation well

1.3 回灌降水方案

由于工程含水層為卵石地層，含水層厚，滲透系數(shù)大，水位降深大，抽取地下水量大，直排將會(huì)造成巨大的水資源浪費(fèi)。為節(jié)約地下水資源，并保證工程的安全施工，本工程選用降水與回灌相結(jié)合的措施控制地下水。結(jié)合場(chǎng)地條件選定區(qū)間風(fēng)井東北方向，相距約640 m區(qū)域作為回灌場(chǎng)地。該場(chǎng)地東西長(zhǎng)350 m，南北長(zhǎng)14 m，北側(cè)緊鄰豐草河，但整個(gè)施工期內(nèi)河內(nèi)無(wú)水。該場(chǎng)區(qū)空曠，周邊建筑物少，具備輸水管線鋪設(shè)條件，是回灌場(chǎng)地的理想選擇。

根據(jù)現(xiàn)有場(chǎng)地條件，經(jīng)單井回灌量設(shè)計(jì)及布置形式優(yōu)化后，回灌井共布設(shè)南北兩排，間距10 m，每排42眼井，共計(jì)84眼。采用Φ529 mm的鋼管井，孔隙率為18%～20%。回灌井布置如圖3所示。降水區(qū)抽取的地下水經(jīng)過沉淀池沉淀后，經(jīng)由直徑1.6 m的主輸水管道排至回灌區(qū)，再由直徑200 mm的支管排至回灌井中，全部回灌至地下，回灌現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置情況如圖4所示。

圖3 回灌井平面布置示意

Figure 3 Recharge well layout

圖4 回灌井實(shí)際布置

Figure 4 Recharge well actual layout

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

2.1 地下水位監(jiān)測(cè)

為研究回灌對(duì)地下水位的影響，降水回灌施工現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)若干水位觀測(cè)井，用于監(jiān)測(cè)施工過程中的水位變化，水位觀測(cè)井布置如圖5所示。選取3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)水位較為穩(wěn)定時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)值，繪制水位剖面如圖6所示。

圖6中水位最低處為區(qū)間風(fēng)井基坑降水中心，水位最高處為回灌區(qū)域中心。由圖可知，回灌中心與降水中心水位高差達(dá)12 m，形成較大的水力梯度，回灌后地下水勢(shì)必會(huì)回流至基坑內(nèi)，增加基坑涌水量，從而影響降水工程。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地下水位達(dá)到穩(wěn)態(tài)情況下的數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)后，利用surfer軟件生成地下水水位等值線圖如圖7所示。

圖5 水位觀測(cè)井平面布置

Figure 5 Water level observation well layout

圖6 水位監(jiān)測(cè)剖面

Figure 6 Water level monitoring profile

圖7 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)生成地下水位線圖

Figure 7 Measured data generated groundwater level map

2.2 涌水量監(jiān)測(cè)

為研究回灌對(duì)基坑涌水量的影響，現(xiàn)場(chǎng)安裝了外貼式超聲波流量計(jì)來(lái)實(shí)測(cè)基坑涌水量，如圖8所示。當(dāng)?shù)叵滤唤抵粱拥滓韵虑疫_(dá)到水位穩(wěn)定時(shí)，基坑實(shí)測(cè)涌水量約為76 354 m3/d。

3 降水和回灌數(shù)值分析

3.1 地下水模型建立

數(shù)值模擬是反映地下水滲流情況的有效手段之一[8]，本次模擬采用有限差分軟件建立地下水?dāng)?shù)值模型。根據(jù)本場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，將模擬區(qū)域水文地質(zhì)滲流系統(tǒng)概化、單元剖分，建立與之相適應(yīng)的地下水非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型[9]。

Figure 8 Externally attached ultrasonic flowmeter

構(gòu)建單層地下水非穩(wěn)定滲流模型，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際降水與回灌水量情況，將模擬期劃分為9個(gè)應(yīng)力期，第1個(gè)應(yīng)力期為5 d，第2個(gè)應(yīng)力期為25 d，后8個(gè)應(yīng)力期為一個(gè)自然月，共計(jì)9個(gè)月。通過數(shù)值模型計(jì)算生成地下水達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的水位等值線圖如圖9所示。

圖9 水位等值線模型

Figure 9 Water level contour model

3.2 數(shù)值模擬和水位實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)生成水位線圖與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。結(jié)果顯示，數(shù)值模型計(jì)算地下水位等值線與實(shí)測(cè)值分布規(guī)律及水位值基本吻合，模型合理性與準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證，可用于預(yù)測(cè)分析。

圖10 實(shí)測(cè)水位線圖與模型水位線圖擬合

Figure 10 Measured water level line and model water level line

模型校準(zhǔn)后計(jì)算可得，當(dāng)基坑水位降至結(jié)構(gòu)底板以下并穩(wěn)定時(shí)，無(wú)回灌影響情況下風(fēng)井涌水量為56 248 m3/d，有回灌影響下的風(fēng)井涌水量為78 690 m3/d。

4 回灌影響下的潛水完整井涌水量理論求解

4.1 求解公式理論推導(dǎo)

目前實(shí)際工程中，計(jì)算降水工程涌水量多采用等效大井法。等效大井法是將降水區(qū)域假設(shè)為一個(gè)具有等效面積的大井，利用裘布依穩(wěn)定流基本方程來(lái)近似計(jì)算大井涌水量。毛根海等[10]利用完整井勢(shì)函數(shù)，通過勢(shì)流疊加原理得出了潛水完整井浸潤(rùn)線的解析解計(jì)算公式：

該公式假設(shè)各降水井影響半徑相同均為1，各回灌井影響半徑相同均為2，則可通過含水層滲透系數(shù)，潛水含水層初始高度0，以及各降水井抽水量q和各回灌井回灌水量j′等，求解附近任意一點(diǎn)的潛水含水層高度。其中r，r′分別為該點(diǎn)距離第口降水井和第口回灌井的距離，分別為降水井和回灌井?dāng)?shù)量。

基于上述潛水浸潤(rùn)線解析公式，假設(shè)各降水井抽水量相等，為1；回灌井流量相等，為2，同時(shí)引入等效半徑[11]。公式(1)變形可得回灌影響下的潛水完整井涌水量解析解計(jì)算公式：

其中，1=1，2=2，1取降水中心處含水層厚度。

根據(jù)公式(2)可知，已知初始含水層厚度0，降水區(qū)中心降深0–1，降水井及回灌井位置，回灌水量2，降水和回灌影響半徑1和2，即可得出回灌影響下的降水工程涌水量理論計(jì)算值。該公式可適用于驗(yàn)算回灌影響下的涌水量。

4.2 理論計(jì)算結(jié)果分析

區(qū)間風(fēng)井距回灌區(qū)約640 m，小于區(qū)間風(fēng)井基坑降水影響半徑1.1 km，即回灌區(qū)位于區(qū)間風(fēng)井降水影響范圍內(nèi)。采用公式(2)對(duì)風(fēng)井基坑涌水量進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算可得回灌影響下風(fēng)井基坑涌水量為79 489.3 m3/d，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 回灌影響下區(qū)間風(fēng)井涌水量計(jì)算參數(shù)

若無(wú)回灌，則2=0，根據(jù)公式(2)計(jì)算可得無(wú)回灌影響下涌水量為55 854.7 m3/d，最終，回灌導(dǎo)致風(fēng)井基坑涌水量增加約42.3%。

5 結(jié)果分析

綜合以上理論計(jì)算、數(shù)值模型和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，匯總?cè)绫?所示。

由表3可知，利用理論計(jì)算、數(shù)值模型分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所得回灌影響下的風(fēng)井基坑涌水量結(jié)果接近。對(duì)于無(wú)回灌影響情況下，風(fēng)井基坑涌水理論計(jì)算與規(guī)范大井法計(jì)算值相差約3.3%，與數(shù)值模型預(yù)測(cè)值相差約0.6%。對(duì)于有回灌影響情況下，風(fēng)井基坑涌水理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差約4.1%，與數(shù)值模型預(yù)測(cè)值相差約1%。驗(yàn)證了公式(2)準(zhǔn)確性。

表3 風(fēng)井基坑涌水量對(duì)比

同時(shí)，根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值分析結(jié)果可知，回灌影響下風(fēng)井基坑涌水量增加約40%，回灌對(duì)臨近降水工程有顯著影響。

6 結(jié)論

1) 以北京某地鐵工程區(qū)間風(fēng)井降水回灌工程為例，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬方法，研究回灌對(duì)臨近降水工程的影響。水位實(shí)測(cè)結(jié)果表明，回灌與降水中心之間形成了連續(xù)且較大的水力梯度，回灌對(duì)降水工程的影響十分顯著。

2) 根據(jù)已有抽水-回灌潛水完整井浸潤(rùn)線方程推導(dǎo)得到回灌影響下的降水涌水量驗(yàn)證公式，計(jì)算出該工程回灌導(dǎo)致基坑涌水量增加約42.3%，并且與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值分析結(jié)果較為接近。

3) 在北京某地鐵工程區(qū)間風(fēng)井降水回灌工程中，回灌導(dǎo)致基坑涌水量增加約40%，對(duì)風(fēng)井基坑降水效果影響較大。故在降水與回灌相結(jié)合的工程中，需開展綜合設(shè)計(jì)，充分考慮回灌對(duì)降水效果的影響，保證降水工程設(shè)計(jì)的合理性。

[1] 鄭剛, 曹劍然, 程雪松, 等. 考慮承壓含水層間越流的地下水回灌現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2019, 8(341): 1-10. ZHENG Gang, CAO Jianran, CHENG Xuesong, et al. Field tests on groundwater recharge considering leakage between semiconfined aquifers[J]. Chinese journal of geotechnical engineering, 2019, 8(341): 1-10.

[2] 楊坤. 高富水砂卵石地層地鐵車站不同圍護(hù)條件下的基坑涌水量預(yù)測(cè)分析[J]. 施工技術(shù), 2018, 47: 565-571.YANG Kun. Grosvenor LTD Sandy Pebble Stratum subway station of different water retaining foundation excavation under the condition of water inflow forecast analysis[J]. Construction technology, 2018(6), 47: 565-571.

[3] 姚輝. 回灌法在基坑降水中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 工程勘察, 2010(6): 35-37. YAO Hui. Design and application of recharging technique in dewatering of foundation pit[J]. Geotechnical investiga-tion & surveying, 2010(6): 35-37.

[4] 王國(guó)富, 唐卓華, 李罡, 等. 基坑工程降水回灌適宜性分級(jí)研究[J]. 施工技術(shù), 2016, 45(13): 41-45. WANG Guofu, TANG Zhuohua, LI Gang, et al. Suita-bility classification of groundwater recharge in deep foundation excavation[J]. Construction technology, 2016, 45(13): 41-45.

[5] 原華, 張慶賀. 深基坑降水-回灌系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 47(9): 1424-1429. YUAN Hua, ZHANG Qinghe. Optimization design and aplication of dewatering-recharge system in deep excav-tion[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2013, 47(9): 1424-1429.

[6] 曾慶軍, 龔曉南. 深基坑降排水-注水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2001(2): 74-78.

[7] 賀亞魏, 尹小濤, 李丹, 等. 深基坑降水與回灌數(shù)值試驗(yàn)研究[J]. 四川建筑科學(xué)研究, 2008(5): 108-112. He Yawei, Yin Xiaotao, Li Dan, et al. Numerical experi-mental study on precipitation and recharge in deep foun-dation pits[J]. Sichuan building science research, 2008(5): 108-112.

[8] 張瑛穎, 龔曉南. 基坑降水過程中回灌的數(shù)值模擬[J]. 水利水電技術(shù), 2007(4): 48-50. Zhang Yingying, Gong Xiaonan. Numerical simulation of recharge during foundation pit precipitation[J]. Water resources and hydropower engineering, 2007(4): 48-50.

[9] 劉毅, 瞿成松, 張文翔, 等. Modflow在上?；春Ｖ新?號(hào)地塊基坑降水中的應(yīng)用[J]. 施工技術(shù), 2011(Z1): 137- 140.LIU Yi, QU Chengsong, ZHANG Wenxiang, et al. Appli-cation of modflow in founda-tion pit dewa tering of No. 3 block of Huaihai zhong road, Shanghai[J]. Construction technology, 2011(Z1): 137-140.

[10] 毛根海, 宋建鋒, 姚懿倫, 等. 回灌技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2005, 39(1): 165-168.MAO Genhai, SONG Jianfeng, YAO Yilun, et al. Research on application of recharging technique in excavation engineering[J]. Journal of Zhejiang University (Engi-neering Science), 2005, 39(1): 165-168.

[11] 薛禹群. 地下水動(dòng)力學(xué)[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 1987.

Influence of Recharge of Sandy Pebble Diving Layer on Precipitation Engineering in the Same Layer

XIAO Shuangquan1, ZHAO Gang2, 3, LI Lingyi1, KAN Shenglei2, 3, LI Daning1

(1. Beijing Municipal Road& Bridge Group Co., Ltd, Beijing 100045; 2.Beijing Urban Construction Survey Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing 100101; 3. Beijing Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Deep Excavation of Urban Rail Transit, Beijing 100101)

The combination of recharge project and precipitation project is an effective measure that takes into account the safety of the project and the protection of groundwater resources. The central urban area is restricted by the layout of recharge sites and water pipelines. The recharge area is close to the precipitation area, and the scope of recharge and precipitation affect overlap. At this time, recharge and precipitation will inevitably have mutual effects. Taking the precipitation recharge project of a wind well sand and pebble diving layer in a subway project in Beijing as an example, combined with field tests, theoretical derivation, and numerical analysis, it is concluded that the recharge near the same layer will increase the flooding of the foundation pit by about 40%. The research has certain engineering guiding significance for the recharge project of sandy pebbles and other highly permeable submerged aquifers.

metro; Sand pebble diving layer; recharge; precipitation; water inflow; numerical simulation

TU413

A

1672-6073(2021)02-0111-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.018

2020-01-16

2020-02-02

肖雙全，男，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程、地下水方面的研究工作，xshqtch@126.com

趙剛，男，碩士，主要從事巖土工程方面、地下水方面的研究工作，279673802@qq.com

肖雙全，趙剛，李凌宜，等. 砂卵石潛水層回灌對(duì)臨近同層降水工程影響研究[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：111-116.

Xiao Shuangquan, Zhao Gang, Li Lingyi, et al. Study on the influence of recharge of sandy pebble diving layer on precipitation engineering in the same layer[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 111-116.

（編輯：郝京紅）