富水砂性地層深基坑單井及群井抽水試驗分析

劉祥勇 龍瑩瑩 景旭成 洪小星 樊冬冬 譚 勇

（1.南通城市軌道交通有限公司，江蘇南通 226000；2.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；3.四川省建筑科學(xué)研究院有限公司，四川成都 610081）

0 引言

為滿足城市的快速發(fā)展和對交通建設(shè)的迫切需求，大量市政設(shè)施規(guī)劃和修建，不可避免地涉及到各種類型的基坑開挖。特別是在富水砂性地層中，地下水的存在使得基坑的開挖和支護面臨更多的挑戰(zhàn)，若不采取合適的降水措施，地下水會對基坑造成破壞，發(fā)生如基坑突涌、坍塌等事故，從而導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失，甚至危及生命安全[1?4]。

降水措施的采取能夠在一定程度上保證基坑開挖和支護的安全穩(wěn)定。但當基坑內(nèi)進行大面積的減壓降水時，基坑外水位會發(fā)生一定程度的下降，引起地表不均勻沉降，從而引發(fā)周邊建（構(gòu)）筑物變形[5?7]。止水帷幕的結(jié)構(gòu)不同，對降水的難度及周邊環(huán)境的影響有較大的差異[8]。因此，有必要在進行基坑施工前查清地層的水文地質(zhì)特征，為優(yōu)化圍護設(shè)計和基坑降水設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，確保基坑施工安全。

本文基于現(xiàn)場抽水試驗對富水砂性地層各含水層的水文地質(zhì)特征（水力聯(lián)系、影響半徑）及隔水層的不透水性進行了探討分析；結(jié)合三維有限差分反演獲取了該地層主要含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。

1 工程概況

本文主要針對軌道交通站點的基坑展開抽水試驗，以獲得該站點的工程水文地質(zhì)條件，給該基坑的地下水控制設(shè)計和施工提供依據(jù)。該站設(shè)定為地下三層車站，標準段埋深26.01 m，端頭井埋深27.34~28.50 m，止水帷幕整體墻深54 m，采用鉆孔樁的樁基形式，樁長35 m，施工方式為半蓋挖順作法。該站點周圍存在多棟高層建筑物（最高達22 層），需謹慎控制周圍建筑物的變形。

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，該站點屬沖?海積水網(wǎng)化平原Ⅱ-2 區(qū)地貌類型，其地層隸屬長江下游沖積平原，第四系地層發(fā)育，一般厚度達200 m 以上。經(jīng)勘察，勘探深度范圍內(nèi)自上而下劃分為7 個工程地質(zhì)單元層、12 個亞層。土體類型較復(fù)雜，性質(zhì)差異較大，地層從下更新統(tǒng)至全新統(tǒng)一般均有發(fā)育，成因類型較多，主要有河流相、河海相等。典型地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 地質(zhì)剖面圖

1.2 水文地質(zhì)條件

該站點臨近河道，河道水位可人工控制，水位一般為2.5~3.0 m。站點地下水主要為潛水含水層、微承壓含水層及承壓含水層。

潛水主要賦存于淺部粉土、粉砂、填土層中，含水層總厚度大，含水量較豐富。根據(jù)區(qū)域經(jīng)驗，場地潛水與周邊河道水存在一定水力聯(lián)系，因此該基坑工程應(yīng)重視河道水位變化導(dǎo)致的不利影響。場地潛水水位埋深為1.1~2.8 m，平均水位埋深為2.18 m。

第Ⅰ承壓水一般賦存于④2層和⑤t層以下的砂土、粉土層中，即⑤1層粉砂夾粉土、⑤2砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、⑤3粉砂夾粉土、⑥層粉砂以及⑦層粉細砂，主要接受徑流及越流補給，水頭埋深2~5 m。該站點承壓水的上部分布了相對隔水層④2層粉質(zhì)黏土夾粉土，但是該層厚度較薄且夾粉土。根據(jù)經(jīng)驗，場地承壓水和潛水存在一定水力聯(lián)系。

2 抽水試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

（1）通過單井和群井抽水試驗，判斷各含水層的水力聯(lián)系及不透水性，計算第⑤1、③層的影響半徑；

（2）通過群井抽水試驗和三維數(shù)值模擬反演，測定第③1、③2、④2t、⑤1、⑤2、⑤3層各項水文地質(zhì)參數(shù)，包括各含水層的單位涌水量、滲透系數(shù)、貯水系數(shù)。

2.2 試驗井布置

為了確定水文地質(zhì)參數(shù)，場地平面位置和試驗井布置如圖2、圖3所示，試驗井所對應(yīng)的含水層和結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 試驗井結(jié)構(gòu)統(tǒng)計表

圖2 抽水場地平面位置圖

3 結(jié)果分析

3.1 初始水位量測

在正式的抽水試驗前，對（微）承壓水初始水位進行了連續(xù)的觀測，靜止水位統(tǒng)計信息如表2所示。由此可得，潛水靜止水位埋深取2.7 m、絕對標高+3.0 m；④2t層靜止水位埋深取4.0 m、絕對標高+1.74 m；⑤1層靜止水位埋深取4.0 m、絕對標高+1.58 m；第⑤2、⑤3層靜止水位埋深取地面以下4.30 m，絕對標高+1.11 m。

表2 各含水層靜止水位統(tǒng)計信息

3.2 單井試驗

通過對第⑤1層和第③層進行單井試驗，觀察各觀測井的水位降深情況，可以確定對應(yīng)抽水井的平均涌水量和地層的透水性。同時，根據(jù)抽水井所在同一深度處的兩個觀測井的水位降深，可以計算得到該土層的影響半徑。

3.2.1 第⑤1層單井試驗

在試驗期間，抽水井G51-1 內(nèi)投入額定涌水量25 m3/h 的水泵進行抽水，試驗中的實際平均涌水量為10.42 m3/h。各井水位變化與時間關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 第⑤1 層單井試驗水位降深歷時曲線

從圖4 中的水位變化歷時曲線可以看出，第⑤1層抽水時，同層觀測井中水位明顯下降；抽水持續(xù)1000 min 以后，地下水位下降速度減慢，水位下降幅度漸漸趨于穩(wěn)定；而上覆第③層及下伏第⑤2、⑤3層所在的觀測井中水位降深很小，近似水平。由此說明第⑤1層與第③層、⑤2、⑤3層水力聯(lián)系不密切。

選取距離本次抽水試驗的G51-1 抽水井16 m左右處的三個觀測井G3-2、G51-2、G523-2，繪制三個觀測井內(nèi)的水位降深值與所測地層深度的關(guān)系曲線，得到M-S曲線圖，如圖5所示。

圖5 M-S 曲線圖

通過觀察降水漏斗曲線的分布（見圖5），對分析土體應(yīng)力的變化和地層的不均勻沉降有幫助，有利于基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計[9]。

從圖中可以看出，抽水井所在地層（第⑤1層）的水位降深最大，高于或低于抽水井所在地層的其他層水位降深相對較小，表明該層的滲透性差，為相對隔水層。

通過第⑤1層單井試驗，得到抽水井G51-1 的同層觀測井G51-2、G51-3 的水位降深分別為3.41 m和2.20 m。根據(jù)兩個同層觀測井的水位降深大小，結(jié)合影響半徑的計算公式（1），可以得到第⑤1層的影響半徑：

式中：R為影響半徑，m；s 為觀測井水位降深，m；r 為觀測井到抽水井的距離，m。

代入G51-2、G51-3 的數(shù)據(jù)進行計算：

由以上計算公式可以得到第⑤1層的響半徑為135 m。

3.2.2 第③層單井試驗

在試驗期間，向抽水井G3-1 內(nèi)投入額定涌水量15 m3/h 的水泵進行抽水，試驗中的實際平均涌水量為10.42 m3/h。各井水位變化與時間關(guān)系曲線如圖5所示。

從圖6 中可以看出，第③層抽水時，同層觀測井中水位平穩(wěn)下降，抽水持續(xù)200 min 以后地下水位下降到最低值，之后水位略有回升，并最終趨于穩(wěn)定。而監(jiān)測下伏第⑤1層及下伏第⑤2、⑤3層的觀測井內(nèi)水位基本無變化，說明第③層與第⑤1、⑤2、⑤3層水力聯(lián)系不密切。綜合第⑤1層單井試驗的結(jié)果，可以推斷出相對弱隔水層位于第③層和第⑤1層之間。選取距離本次抽水試驗的G3-1 抽水井16 m 左右處的三個觀測井G3-2、G51-2、G523-2，繪制三個觀測井內(nèi)的水位降深值與所測地層深度的關(guān)系曲線，得到M-S曲線圖見圖7。觀察圖7 可以發(fā)現(xiàn)，隨著地層深度的增加，水位降深大幅度減小，位于抽水井所測地層以下的地層水位降深均接近于0。

圖6 第③層單井試驗水位降深歷時曲線

圖7 M-S 曲線圖

通過第③層單井試驗，得到抽水井G3-1 的同層觀測井G3-2、G3-3 的水位降深分別為2.2 m 和0.8 m。根據(jù)兩個同層觀測井的水位降深大小，結(jié)合影響半徑的計算公式（1），可以得到第③層的影響半徑R。

由以上計算公式可以得到第③層的影響半徑為57 m。

3.3 群井試驗

對第⑤1層和第⑤2、⑤3層開展群井抽水試驗，得到抽水井的涌水量和各觀測井的水位降深隨時間變化的發(fā)展規(guī)律，為數(shù)值模擬的參數(shù)確定提供依據(jù)和驗證。

3.3.1 第⑤1層群井抽水試驗

在本次群井抽水試驗中，選取K1?K4 共四口井作為抽水井，期間對觀測井的水位進行跟蹤觀測，直到水位穩(wěn)定為止。試驗共歷時約6 天，其中K1?K4 抽水井平均涌水量分別約為1.02 m3/h、17.78 m3/h、20.96 m3/h、11.47 m3/h。各觀測井水位降深與時間關(guān)系曲線見圖8。

圖8 第⑤1 層群井試驗水位降深歷時曲線

由圖8 可以看出，同層水位出現(xiàn)明顯下降直到趨于穩(wěn)定，其余各層水位變化不太明顯，地下水位趨于穩(wěn)定。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，同層（第⑤1層）觀測井G51-1?G51-3 水位降深分別為11.60 m、10.01 m、8.99 m；而上覆第③層最大水位降深約為54 cm，約占第⑤1層同距離觀測井水位降深的5%；下伏第⑤2、⑤3層最大水位降深約為71 cm，約占第⑤1層同距離觀測井水位降深的6%。由此可見，第③層、第⑤2、⑤3層與第⑤1層水位聯(lián)系不密切，再次證明了第④2層透水性較差。

選取距本次抽水試驗中心約16 m 處的三個觀測井G3-2、G51-2、G523-2，繪制觀測井內(nèi)水位降深值與地層深度的關(guān)系曲線，如圖9所示。從圖中可以看出，降水漏斗曲線呈傾倒的v 字形分布，僅抽水井所在的地層發(fā)生了較大的水位降深。表明④2t和⑤t隔水層透水性較差，為相對隔水層。

圖9 M-S曲線圖

3.3.2 第⑤2、⑤3層群井試驗

選取抽水井G523-1、G523-2 共2 口井對第⑤2、⑤3層進行群井抽水試驗，期間對觀測井的水位進行跟蹤觀測，直到水位穩(wěn)定為止。試驗共歷時約4 天。其中，G523-1、G523-2 抽水井平均涌水量分別為14.02 m3/h、16.19 m3/h。在抽水期間，各觀測井水位降深與時間關(guān)系曲線如圖10所示。由圖10 可以看出，同層水位中觀測井G523-3（測第⑤3層水位）的水位降深最大，觀測井T52-1、T52-2（測第⑤t層水位）水位降幅變化相對較小。且根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，G523-3最大水位降深為1.68 m，與其處于同位置的T52-2觀測井水位降深約為0.21 m，占G523-3 的12.5%。由此可見，第⑤t層與第⑤3層存在一定程度水力聯(lián)系（見圖11），但透水性較差，說明第⑤2層為弱透水層。而上覆的第⑤1層水位（由觀測井G51-1?G51-3 監(jiān)測）基本無變化，說明第⑤t層的隔水性較好，為相對隔水層。

圖10 第⑤2、⑤3 層群井抽水試驗水位降深歷時曲線

3.4 土層水文參數(shù)確定

根據(jù)本工程的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合抽水試驗結(jié)果，建立地下水滲流的三維計算數(shù)值模型，采用數(shù)值模擬反演分析的方法計算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。這種方法已被廣泛用于水文地質(zhì)參數(shù)的求解[10?12]，在分析抽水試驗結(jié)果求解含水層水文地質(zhì)參數(shù)時，數(shù)值方法更有優(yōu)勢，尤其是在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下。其過程為：在三維計算模型中設(shè)置抽水井，將抽水試驗井涌水量代入三維數(shù)值模型中，進行群井抽水試驗的數(shù)值模擬計算。對比計算結(jié)果和實測的觀測井水位變化，不斷調(diào)整并優(yōu)化相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，得到合理的承壓水分析參數(shù)。圖12 為抽水試驗觀測井的實測降深曲線與數(shù)值模擬取得的計算降深曲線的對比。

從抽水試驗的模擬分析結(jié)果（見圖12）可以看出，三種抽水試驗中數(shù)值模擬得到的水頭降深和實測水頭降深的規(guī)律變化基本一致，說明數(shù)值模擬結(jié)果能夠很好地反映群井和單井抽水試驗降水過程中的觀測井水位變化，滿足工程精度要求。

通過以上的三維數(shù)值計算反演分析，獲得的主要含水層的水文地質(zhì)參數(shù)見表3，包括各地層的滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)和貯水率。

表3 水文地質(zhì)參數(shù)表

3.5 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了初步掌握降水對地層沉降變形的影響規(guī)律，在試驗場地布置了若干個地面沉降監(jiān)測點，選取了10 個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行繪制，得到地面累計沉降隨時間變化的歷時曲線（見圖13）。首先進行了第⑤1層單井試驗抽水試驗，然后依次是第⑤1層群井抽水試驗、第③層單井抽水試驗，最后是第⑤2、⑤3層群井抽水試驗。

從圖13 中曲線可以看出，第⑤1層單井試驗抽水期間沉降量較小，單井抽水水位恢復(fù)后，沉降恢復(fù)較為緩慢；第⑤1層群井試驗抽水時間較長，抽水期間內(nèi)地面緩慢下降，水位恢復(fù)后，沉降回彈約25%，并最終達到穩(wěn)定；第③層單井試驗抽水時間較短，但地面沉降較為明顯，水位恢復(fù)后，地面沉降迅速回彈至穩(wěn)定；第⑤2、⑤3層群井試驗抽水完成后，地面沉降的發(fā)展表現(xiàn)出了一定滯后性，水位恢復(fù)后，地面沉降回彈約40%。由此可以看出，抽水試驗降水引發(fā)的沉降相對穩(wěn)定后，后期的水位恢復(fù)后短期內(nèi)沉降不能恢復(fù)，滯后效應(yīng)明顯。

圖13 地面累計沉降隨時間變化歷時曲線

4 結(jié)論

通過對深基坑所在站點展開抽水試驗，對富水砂性地層中各含水層的水力聯(lián)系、不透水性及影響半徑進行了分析；通過群井抽水試驗和三維數(shù)值模擬反演，測定了主要含水層各項水文地質(zhì)參數(shù)；并結(jié)合抽水試驗地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對降水引起的地表沉降進行初步的探討分析。為后續(xù)基坑降水系統(tǒng)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，確?；邮┕ぐ踩?，主要結(jié)論如下：

（1）本次試驗期間觀測到的靜止水位數(shù)據(jù)可以作為后期降水設(shè)計的參考，并應(yīng)充分考慮水位季節(jié)性變化情況。

（2）根據(jù)水位降深值，計算了單井試驗所在地層的降水影響半徑，其中第⑤1層的影響半徑為135 m，第③層的影響半徑為52 m。

（3）本工程第③、⑤1、⑤2、⑤3層水位聯(lián)系不密切，第④2、⑤t層透水性差，可作為相對隔水層，第⑤2層透水性較差，為弱透水層。

（4）試驗抽水后產(chǎn)生了一定的沉降量，水位恢復(fù)后，地面沉降并不能完全恢復(fù)，回彈約40%。因而，在后期基坑降水過程中，應(yīng)采取抽灌一體化來控制保護對象因降水引起的附加變形。