上海地區(qū)多含水層系統(tǒng)深部承壓層降水誘發(fā)地層響應(yīng)規(guī)律

彭晨鑫， 李明廣,， 甄 亮， 李耀良， 張哲彬

(1. 上海交通大學(xué) 土木工程系； 上海市公共建筑和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240； 2. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200002； 3. 上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司，上海 200433)

上海市地處長江三角洲東南前緣，是典型的濱海軟土地區(qū).第四紀(jì)松散地層普遍發(fā)育有4～5層分布較穩(wěn)定的承壓含水層，形成了多層含水層即弱透水層交替分布系統(tǒng)[1].目前，上海地區(qū)深基坑施工普遍面臨承壓含水層降水的問題[2].其中，大部分深基坑工程需要對第一承壓含水層(AqI)進(jìn)行減壓降水，許多工程還需要對第二承壓含水層(AqII)進(jìn)行降水，而近年來在建的蘇州河段深層排水調(diào)蓄管道系統(tǒng)工程甚至涉及到第三承壓含水層(AqIII)降水.

針對抽水引起的地下水水位降深導(dǎo)致土體有效應(yīng)力增加而產(chǎn)生壓縮變形的問題[3-5]，諸多學(xué)者針對抽水引起的地下水滲流及土體變形特性進(jìn)行深入研究并積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)[6-8].Chai等[9]分析了上海地區(qū)地表沉降與抽水量之間的關(guān)系，并對抽水引起的沉降進(jìn)行了初步探討.Li等[10-11]對上海地區(qū)大量的抽水試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并通過數(shù)值模擬研究 AqI 抽水引起的地下水位變化及深層土體變形特性.Wu等[12]通過抽水試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對上海地區(qū)淺層含水層抽水引起的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了評估，并提出采取雙功能井技術(shù)可減小地面沉降.然而，以上研究僅局限于淺部承壓層降水引起的滲流及變形響應(yīng)，并未涉及深層承壓水降水.

受以往基坑深度的限制，關(guān)于深部含水層抽水的相關(guān)研究較少.Zhang等[13-14]曾依托上海地鐵13號線漢中路站基坑，對 AqII 進(jìn)行抽水回灌試驗(yàn)，并采用數(shù)值模擬方法研究了抽灌作用下的地層響應(yīng).近年來在建的蘇州河段深層排水調(diào)蓄管道系統(tǒng)工程已涉及到 AqIII 降水，為保證這一系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)與施工安全，對比研究 AqII 及 AqIII 抽水引起的地下水滲流和土體變形響應(yīng)具有重要意義，可為后續(xù)超深基坑工程降水提供指導(dǎo).

本文基于比奧(Biot)固結(jié)理論，采用硬化土小應(yīng)變(HS-Small)本構(gòu)模型對 AqII 及 AqIII 抽水試驗(yàn)進(jìn)行模擬，通過對比抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型及參數(shù)的合理性.此外，分別研究各土層水位降深和土體豎向變形隨時(shí)間的變化，并分析了不同位置處降深和土體變形隨深度的分布規(guī)律.最后，通過定量分析各土層的豎向壓縮量及其占比，對比兩含水層抽水引起的土體變形特點(diǎn).

1 工程背景

蘇州河深層排水調(diào)蓄管道系統(tǒng)工程試驗(yàn)段苗圃綜合設(shè)施位于上海市臨虹路福泉北路.苗圃豎井內(nèi)徑為26.00 m，開挖深度約為56.30 m；采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻深103.00 m；豎井周圍附屬結(jié)構(gòu)挖深9.40～31.80 m.基坑開挖不僅涉及淺層降水，還要考慮深部承壓層降水.為研究深部承壓含水層降水引起的環(huán)境效應(yīng)，在苗圃綜合設(shè)施北面的草坪空地進(jìn)行抽水試驗(yàn).

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

勘察揭露深度范圍內(nèi)地基土屬第四紀(jì)早更新世到全新世沉積物，主要由黏性土、粉性土和砂土組成，分布較穩(wěn)定，具有成層分布特點(diǎn).其中，試驗(yàn)場地缺失上海市統(tǒng)編地層第⑥層硬土層及第⑦層粉性土、粉砂層.地層分布及部分土體試驗(yàn)參數(shù)如圖1所示.其中：k為土體滲透系數(shù)，γ為重度，e為孔隙比，kh為水平滲透系數(shù)，kv為垂直滲透系數(shù)，h為地層深度，w為含水量，wL為液限，wn為天然含水量，wP為塑限，a1-2為壓縮系數(shù)；Aq0、AqII及AqIII 分別為潛水層、第二及第三承壓含水層；AdI～I(xiàn)V為第一、第二、第三與第四弱透水層.

試驗(yàn)場地地下水按形成時(shí)代、成因和水理特征可劃分為潛水含水層和承壓含水層.在本工程勘探深度范圍內(nèi)，地下水主要為賦存于淺部土層Aq0中的潛水、第 II 承壓水(第⑨層)和第 III 承壓水(第⑩夾、⑩A和層).Aq0、AqII 和 AqIII 初始平均水位埋深分別為地表以下2.30、6.55和5.92 m.

1.2 抽水試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)場地分別對 AqII 和 AqIII 開展單井抽水試驗(yàn)及群井抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)井以抽水中心O為原點(diǎn)進(jìn)行布置，井群布置及監(jiān)測點(diǎn)平面布置如圖2所示，圖中字母K、H、G和C分別表示抽水井、回灌井、觀測井和地面沉降監(jiān)測點(diǎn).降水井結(jié)構(gòu)及其與地層的相對位置如圖3所示；抽水試驗(yàn)的起止時(shí)間如表1所示.

圖1 地層分布及試驗(yàn)參數(shù)Fig.1 Soil profile and properties at the site

圖2 試驗(yàn)井和監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖Fig.2 Plan view of wells and instruments

圖3 降水井結(jié)構(gòu)圖(m)Fig.3 Structure of pumping wells (m)

表1 抽水試驗(yàn)時(shí)間Tab.1 Schedules of pumping tests

2 數(shù)值模型建立

2.1 模型描述

采用有限差分軟件FLAC3D對兩承壓層進(jìn)行抽水試驗(yàn)?zāi)M.實(shí)際場地土層分布復(fù)雜，因此在數(shù)值模擬中對土層進(jìn)行簡化.為消除模型邊界對計(jì)算結(jié)果的影響，通過Siechardt方程計(jì)算影響半徑(R)以確定抽水影響范圍:

(1)

式中：sw為抽水井降深.

最終建立的數(shù)值模型如圖4所示，模型長×寬×高為1 600 m×1 600 m×160 m.

圖4 有限差分網(wǎng)格及測點(diǎn)布置(m)Fig.4 Finite-difference meshes and measured points (m)

2.2 初始和邊界條件

對于位移邊界條件，模型底部約束所有方向的位移，模型頂部可自由變形，而模型4個(gè)側(cè)面只約束法向的水平位移.對于水力邊界條件，潛水層初始水位設(shè)置為地表；考慮到兩承壓含水層初始水位相差不大，為方便計(jì)算，承壓層初始水位均設(shè)置為地表以下 6.50 m.模型頂部設(shè)置為自由排水面，底部設(shè)置為不透水邊界，模型四周設(shè)置為定水頭邊界，以模擬含水層的遠(yuǎn)端補(bǔ)給.

2.3 土層參數(shù)

表2 土層參數(shù)取值Tab.2 Soil layers and parameters used in analysis

2.4 數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證

在群井抽水試驗(yàn)過程中，觀測井水位變化監(jiān)測值與計(jì)算值對比如圖5所示.其中，t為抽水時(shí)間，ΔH為觀測井降深.結(jié)果表明，抽水井開啟后，地下水位迅速下降，隨著時(shí)間增長，水位逐漸趨于穩(wěn)定；停止抽水后，地下水位恢復(fù)較快.由圖可知，數(shù)值模擬所得水位降深與監(jiān)測結(jié)果吻合較好.

AqII 和 AqIII 群井抽水試驗(yàn)過程中地表沉降(S)監(jiān)測值與計(jì)算值對比如圖6所示.與水位的迅速變化不同，抽水井開啟后，地表沉降隨著時(shí)間緩慢增加；停止抽水后，地表沉降逐漸恢復(fù).由圖6可知，AqII 抽水時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測值吻合程度較高；而 AqIII 抽水時(shí)，數(shù)值結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)有一定差異，觀察監(jiān)測所得到的沉降發(fā)展規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在抽水3～6 d時(shí)，地表沉降值反而減小，可能是由于周圍行車擾動(dòng)等因素導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果異常.綜合分析對比結(jié)果可知，該模型能夠反映實(shí)際場地的地層特征，適用于模擬地下水滲流及土體變形的變化規(guī)律.

圖5 觀測井降深對比Fig.5 Comparison of observed and calculated drawdown

圖6 地表沉降對比Fig.6 Comparison of observed and calculated settlement

對比以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管 AqIII 抽水導(dǎo)致的水位降深更大，但地表沉降卻明顯小于 AqII 抽水引起的地表沉降.為進(jìn)一步分析兩承壓層長時(shí)間降水引起的沉降差異，后續(xù)研究在該模型基礎(chǔ)上，將抽水時(shí)間均設(shè)置為 100 d，通過分析地下水滲流及土體變形的時(shí)空分布特點(diǎn)，以闡明 AqIII 抽水引起的沉降更小的原因.

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 水位降深時(shí)空分布特性

AqII和AqIII抽水時(shí)各層水位降深變化曲線如圖7所示.在抽水初期，AqII 及其下臥弱透水層 AdIII 的水位迅速下降；而上覆弱透水層 AdI 和AdII的水位在初期略微抬升，隨后則呈下降趨勢；此外，Aq0水位略有抬升后基本保持不變，而 AdIV 在整個(gè)抽水時(shí)間內(nèi)均保持不變.最終，抽水中心處 AqII 頂板的降深為9.58 m.這表明土體固結(jié)初期產(chǎn)生明顯的曼代爾-克雷爾效應(yīng)，即在短暫時(shí)間內(nèi)，由于含水層超孔壓消散迅速，而弱透水層來不及排水，為保持變形協(xié)調(diào)土體內(nèi)的孔隙水壓力有所上升.

圖7 各土層水位降深隨時(shí)間變化Fig.7 Development of drawdown in different strata

對 AqIII 進(jìn)行抽水時(shí)，AqIII 和 AdIV 的地下水水位顯著降低；然而，由于上覆弱透水層 AdIII 頂板與 AqIII 的距離較大，且兩者滲透性差異明顯，所以 AdIII 頂板及以上土層的水位變化很小.最終，抽水中心處 AqIII 頂板的水位降深為16.29 m.

綜合分析 AqII 和 AqIII 抽水可知，抽水主要影響降水層及其相鄰弱透水層的地下水位；受弱透水層滲透性及厚度等因素影響，其他含水層在一定時(shí)間內(nèi)水位變化不明顯.

AqII 和 AqIII 抽水1、10、50和100 d后，抽水中心O及抽水中心北150 m處的水位降深隨深度變化的分布規(guī)律如圖8所示.在抽水初期，抽水中心的降水目的層地下水位顯著下降，距抽水中心較遠(yuǎn)處，地下水位變化較??；隨時(shí)間增長，降深逐漸增大，且影響范圍逐漸向相鄰弱透水層擴(kuò)展.

圖8 各階段水位降深分布Fig.8 Distribution of drawdown at different stages

對比 AqII 和 AqIII 抽水引起的水位降深可知，長期抽水后，AqII 抽水導(dǎo)致的水位降深影響范圍沿深度方向更大，可一直延伸到 AdI 頂板處；而 AqIII 抽水僅對其緊鄰的兩個(gè)弱透水層有影響.這是由于 AqI 的缺失，導(dǎo)致 AdI 和 AdII 水力聯(lián)系加強(qiáng)，且 AqII 與相鄰弱透水層的滲透性差異更小.

3.2 土體變形時(shí)空分布特性

分析深部承壓含水層抽水對各土層豎向變形的影響，AqII 和 AqIII 抽水時(shí)，在抽水中心O處各土層的豎向壓縮量(Δz)隨時(shí)間變化規(guī)律如圖9所示.其中“+”值表示土層壓縮，“-”值表示土層膨脹.

圖9 各土層豎向壓縮量隨時(shí)間變化Fig.9 Development of vertical compression in different strata

當(dāng) AqII 抽水時(shí)，降水層 AqII 產(chǎn)生明顯的壓縮變形，并與水位降深發(fā)展規(guī)律一致；在抽水前期，受承壓層局部壓縮引起的土拱效應(yīng)及弱透水層孔壓增大的共同影響，上方弱透水層 AdI 和 AdII 發(fā)生微小膨脹，隨后受孔壓降低影響，土層逐漸壓縮.值得注意的是，盡管 AdIII 孔壓明顯降低，但變形較??；此外，盡管 Aq0 和 AdI 孔壓變化不明顯，但這兩層土仍產(chǎn)生一定程度的變形.這主要是因?yàn)橄路酵馏w發(fā)生顯著沉降，受土拱效應(yīng)等因素影響，上覆土體產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，導(dǎo)致該土層略有膨脹.該現(xiàn)象與王建秀等[16]開展的試驗(yàn)研究所得規(guī)律一致.最終，抽水中心處產(chǎn)生的地表沉降為 16.50 mm.

圖10 各階段深層土體豎向位移Fig.10 Distribution of vertical displacement at different stages

當(dāng) AqIII 抽水時(shí)，各土層壓縮變形與降深的變化規(guī)律類似，變形主要發(fā)生在 AqIII 及其相鄰的兩個(gè)弱透水層 AdIII 和 AdIV 中，與 AqII 抽水類似，在降水層以上的弱透水層中出現(xiàn)局部土層膨脹現(xiàn)象.最終，抽水中心處產(chǎn)生的地表沉降為3.99 mm.綜合分析 AqII 和 AqIII 抽水引起的各土層豎向壓縮量可知，抽水主要影響降水層及其相鄰弱透水層的土體變形.

圖10為 AqII 和 AqIII 抽水1、10、50和100 d后抽水中心O及抽水中心北150 m處豎向位移(Dz)隨深度的分布規(guī)律.在抽水中心處，AqII 抽水初期，由于土體變形主要發(fā)生在降水層，土體深層沉降最大值在抽水層頂板附近，所以變形呈“中間大、上下小”的分布形態(tài)；隨抽水時(shí)間增長，上覆弱透水層孔壓降低并產(chǎn)生壓縮變形，深層沉降的最大值位置逐漸上移，最終位于AdI頂板附近.而在抽水中心北150 m處，土層變形量明顯小于抽水中心的變形量，且上覆土層幾乎不發(fā)生膨脹變形，該現(xiàn)象也證明了局部降壓會引起抽水井附近的土拱效應(yīng).

在 AqIII 抽水時(shí)，抽水中心處的土體深層沉降最大值位置首先位于 AqIII 頂板處，隨著時(shí)間增長，最大值逐漸上移，在抽水100 d后，最大值約位于 AdIII 頂板處.此外，對比50 d及100 d的變形分布，可發(fā)現(xiàn)在這段時(shí)間內(nèi)，變形主要發(fā)生在 AqIII 以上的土層，這表明承壓層變形在50 d后已經(jīng)趨于穩(wěn)定，上覆土層由于越流補(bǔ)給等因素影響而繼續(xù)發(fā)生變形.在抽水中心北150 m處，土層豎向變形量小于抽水中心處的變形量，且降水層以上土體幾乎不發(fā)生膨脹.

3.3 各土層變形統(tǒng)計(jì)分析

承壓層降水引起的地表沉降是由各土層豎向壓縮或膨脹組成的，為了更清晰地表征各土層豎向壓縮量對地表沉降的貢獻(xiàn)，統(tǒng)計(jì)抽水100 d后，抽水中心處各土層豎向壓縮量占地表沉降量的比率，如圖11所示.

分析圖11可知，AqII 抽水時(shí)，降水層的豎向壓縮量占比最高，達(dá)到了56.18%；此外，由于越流補(bǔ)給的影響，上覆弱透水層 AdI 和 AdII 的豎向壓縮變形占比接近，而盡管下臥弱透水層 AdIII 的降深較大，但其壓縮量卻僅占4.00%，這主要是由于土層壓縮性較低，土體不易發(fā)生變形. AqIII 和 AdIV 在抽水期間水位基本不變，因而產(chǎn)生的變形很小.受土拱效應(yīng)等因素的影響，土體在Aq0中產(chǎn)生了較小膨脹.

圖11 各土層豎向壓縮量占地表沉降比率統(tǒng)計(jì)Fig.11 Proportion of vertical compression in different strata

AqIII 抽水時(shí)，盡管引起的水位降深更大，但土體產(chǎn)生的地表沉降卻很小.其中，降水層產(chǎn)生的豎向壓縮變形最大，其壓縮量占地表沉降的77.69%，高于 AqII 抽水時(shí)降水層的占比.與 AqII 降水引起的相鄰?fù)翆幼冃尾煌?，AqIII 抽水引起的上覆及下臥弱透水層壓縮變形比相差不大，兩者占比均約為20%.這是由于這兩層土埋深較大，壓縮性相差不大.此外，受土拱效應(yīng)的影響，AdIII 以上土層均出現(xiàn)不同程度的膨脹變形.

以上分析表明，承壓層降水主要引起降水層及相鄰弱透水層的壓縮變形.淺部土層抽水引起的沉降較大，主要有兩個(gè)原因：一是含水層 AqI 的缺失加強(qiáng)了 AdI 和 AdII 的水力聯(lián)系，增大了 AqII 抽水對上覆土層水位降深的影響范圍；二是 AqII 抽水主要影響淺層土體變形，而淺層土體壓縮性較高，導(dǎo)致在相同降深情況下土體壓縮量更大.

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法，對上海地區(qū)深部承壓層抽水引起的地下水滲流及土體豎向變形特性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1) 對比不同承壓層抽水引起的水位降深分布規(guī)律可知，第一承壓層的缺失導(dǎo)致第一和第二弱透水層的水力聯(lián)系加強(qiáng)；此外，第二承壓層與上覆弱透水層的滲透性差異相對較小，因此與第三承壓層相比，第二承壓層抽水對淺部土層地下水的影響更大.

(2) 第二和第三承壓含水層抽水時(shí)，降水層壓縮量占比分別達(dá)到了56.18%和77.69%.兩含水層抽水對相鄰弱透水層豎向變形的影響存在一定差異：對于第二承壓層抽水，其上覆兩弱透水層壓縮占比較大，而下臥弱透水層壓縮占比很小，這是其上和其下弱透水層的壓縮性差異較大導(dǎo)致的；第三承壓層抽水所影響的土層壓縮性都較低，因此該層抽水引起相鄰弱透水層的壓縮量較接近.

(3) 當(dāng)?shù)诙偷谌袎簩咏邓鸪樗行慕瞪顬?.58和16.29 m時(shí)，地面沉降分別為16.50和3.99 mm.該現(xiàn)象表明，在第二承壓層水位降深小于第三層抽水引起的降深條件下，其引起的地表沉降卻明顯大于第三承壓層抽水引起的沉降.引起該現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)：一方面，第一承壓層的缺失，加強(qiáng)了淺部兩個(gè)弱透水層的水力聯(lián)系，增大了第二承壓層抽水的影響深度；另一方面，第二承壓層抽水主要影響淺層土體的豎向壓縮變形，而淺層土體壓縮性較高，因此產(chǎn)生更大的豎向壓縮變形.