二元地基基坑降水對周邊地下水位影響研究

何海清，李青青，楊 進(jìn)，楊 輝

(1.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司,四川 成都 610072; 2.四川新誠勞務(wù)有限公司,四川 成都 610051)

0 引言

大部分基坑開挖施工會遇到地下水的控制,基坑降水是基坑開挖的一大任務(wù)。國內(nèi)很多規(guī)范規(guī)程、指導(dǎo)用書及學(xué)術(shù)論文都有采取抽水試驗來確定基坑水文地質(zhì)參數(shù)的公式。譬如:SL 320—2005水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程給出了潛水非完整井水文地質(zhì)參數(shù)的計算方法[1];肖長來等[2]提出利用抽水試驗數(shù)據(jù)確定含水層參數(shù)的全程曲線擬合法直接用于厚度較大潛水含水層參數(shù)的計算,為參數(shù)計算提供了新的方法;趙琳琳等[3]進(jìn)一步驗證了利用全程曲線擬合法在承壓含水層中確定水文地質(zhì)參數(shù)的適用性;王建秀等[4]通過抽水試驗認(rèn)識到含水層之間存在復(fù)雜越流,正確建立了合理的水文地質(zhì)概念模型,群井試驗驗證了基于該概念模型設(shè)計的降水方案的正確性;段衍偉等[5]通過數(shù)值模擬對二元地基反算了地基滲透系數(shù),為二元地基水文地質(zhì)參數(shù)的研究開辟了新的思路;聶慶林等[6]通過多孔抽水試驗推求含水層水文地質(zhì)參數(shù);李霞等[7]利用解析法及數(shù)值模擬法對含水層系數(shù)進(jìn)行反演算得淺層及深層孔隙承壓含水層滲透系數(shù)的范圍值;高福華[8]、楊坤[9]、吳意謙[10]均通過滲流或降水等對地基變形進(jìn)行了相應(yīng)研究等等。這些都為本文的編寫提供了一定的理論及思路。但是,關(guān)于已確定降水井后,距降水井不同距離處各點地下水位降深的確定(即基坑降水后,基坑外某一點處的地下水位降深的影響),文獻(xiàn)及規(guī)范中并未給出具體解答。然而,基坑降水勢必引起周邊地下水位的變化,從而影響地基變形,因此本文以成都某地鐵站基坑已知降水井及固定功率抽水設(shè)備為基礎(chǔ),探索距離該降水井67.45 m處高鐵181號橋基礎(chǔ)樁處水位降深[11]。

1 試驗場地工程地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)內(nèi)人工填土層廣泛分布,主要為雜填土,局部為素填土。雜填土和素填土均為新近回填土,回填時間小于5 a。呈黃褐、灰褐等雜色,松散—稍密,干燥—稍濕,均勻性差,多為欠壓密土,自重固結(jié)尚未完成,結(jié)構(gòu)疏松,具強(qiáng)度較低、壓縮性高、荷重易變形等特點。雜填土主要由混凝土塊、碎石及少量黏性土等組成,素填土以黏性土為主,夾雜少量卵石、碎石等組成。

②1粉質(zhì)黏土:灰褐、黃褐色,可塑,局部硬塑,主要由黏粒組成,含少量粉粒,手搓捻略有砂感,稍有光澤反應(yīng),無搖振反應(yīng),干強(qiáng)度中等,韌性中等。壓縮模量5.85 MPa,壓縮系數(shù)為0.30 MPa-1,為中等壓縮性土。

②2細(xì)砂層:層厚0.50 m～0.90 m,青灰色—灰黃色,濕—飽和,松散,主要成分為長石、石英,次為云母,局部夾少量卵石。該層在場地內(nèi)局部分布于鉆孔中的卵石土上部。標(biāo)貫實測擊數(shù)N=5.3擊/30 cm。

②3卵石層:褐灰色、淺灰色,濕—飽和,稍密—密實為主,卵石成分以砂巖、石英砂巖、灰?guī)r及花崗巖等為主。磨圓度較好,以亞圓形為主,少量圓形,分選性差,中風(fēng)化—微風(fēng)化。分為四個亞層:

②3-1松散卵石層:層厚2.1 m～4.2 m,圓礫及細(xì)砂、中砂充填,卵石磨圓度較好。不均勻系數(shù)平均值153.49,曲率系數(shù)平均值0.8。

②3-2稍密卵石層:層厚3.90 m～10.0 m,圓礫及中、細(xì)砂充填,石質(zhì)成分主要為砂巖、石英砂巖、灰?guī)r及花崗巖等,磨圓度較好。不均勻系數(shù)平均值161.6,曲率系數(shù)平均值0.77。

②3-3中密卵石層:層厚5.00 m～11.90 m,飽和,圓礫、中砂充填。不均勻系數(shù)平均值212.2,曲率系數(shù)平均值11.09。

②3-4密實卵石層:圓礫、中砂充填。不均勻系數(shù)平均值116.3,曲率系數(shù)平均值47.7。

1.2 地表水和地下水

1.2.1 地表水

受到人為改造,河床深度、流量以及洪水位等均已受到人為控制,河內(nèi)水面坡降不大,地表水與地下水水力聯(lián)系較弱。

1.2.2 地下水

車站地下水類型主要為第四系砂卵石層中的孔隙潛水。場地卵石土層較厚,局部夾薄層砂,且呈層狀分布,賦存有大量的孔隙潛水,水位高、水量大。卵石土層中孔隙水形成貫通的自由水面。

1.2.3 地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件

大氣降水、區(qū)域地表水及地下徑流為其主要補(bǔ)給源,主要通過地下徑流方式排泄。

2 抽水井施工及抽水試驗

2.1 抽水試驗各井布置與結(jié)構(gòu)

2.1.1 抽水試驗井布置

根據(jù)SL 320—2005水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程,本次抽水試驗采用多孔抽水試驗,以S01作為此次的抽水井,G01與S01直線距離為65.79 m,G02與S01直線距離為40.09 m(見圖1)。

2.1.2 抽水井井結(jié)構(gòu)

抽水井S01采用沖擊鉆成井,成孔直徑為600 mm,井設(shè)計深度30.0 m,采用鋼筋混凝土井管(定型產(chǎn)品,每根井管長度均為2.5 m),井管外徑360 mm,內(nèi)徑300 mm。井結(jié)構(gòu)設(shè)計為:井上部7根井壁管,中部及下部4根過濾管與1根沉砂管安裝,過濾管纏絲間距2 mm～2.5 mm,井管外填礫形成過濾層,礫石規(guī)格為5 mm～10 mm米石和豆石平均拌合,填礫厚度大于120 mm(結(jié)構(gòu)詳圖見圖2)。若遇厚層狀砂層,施工時應(yīng)及時調(diào)整礫石料徑及過濾管安裝位置。

2.1.3 觀測井結(jié)構(gòu)

觀測井G01,G02采用150型回轉(zhuǎn)鉆泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)成孔,開孔直徑130 mm,終孔直徑110 mm,變徑處埋深為12.5 m,設(shè)計井深32.5 m,井管為φ89 mm鐵管(其中濾管長25.5 m,結(jié)構(gòu)詳圖見圖3)。

2.2 成井施工工藝流程

1)測放井位:按照井位設(shè)計平面圖及坐標(biāo),根據(jù)控制坐標(biāo)及現(xiàn)場條件測放井位;2)鉆機(jī)就位:平整場地,穩(wěn)固回轉(zhuǎn)鉆機(jī),對中;3)鉆孔:采用泥漿護(hù)壁,回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔;4)清孔:終孔后及時清孔,確保井管下放至指定位置;5)井管安裝:采用水泥混凝土管,管底用井托密封,井管下放至孔中央,管頂?shù)陀诘孛婕s30 cm,以便后續(xù)封閉保護(hù);6)洗井:采用回灌水洗井。

2.3 抽水試驗方法

根據(jù)工程要求及現(xiàn)場條件,S01作為此次的抽水井,G01與G02作為水位觀測井。

2.3.1 抽水試驗準(zhǔn)備工作

1)觀測井采用回灌水進(jìn)行洗井。2)觀測靜止水位:連續(xù)4 h內(nèi)水位無變化,滿足水位變化不大于2 cm的要求。3)第一次試抽,采用額定流量為50 m3/h的水泵進(jìn)行抽水,動水位將至17.1 m,水位降深9.3 m,不能滿足該地鐵站設(shè)計文件提出的“降水深度不小于基坑底0.5 m”的要求。4)第二次抽水換用額定流量為80 m3/h的水泵進(jìn)行,動水位將至17.65 m,水位降深9.85 m,不能滿足該地鐵站設(shè)計文件提出的“降水深度不小于基坑底0.5 m”的要求。5)第三次抽水換用額定流量為125 m3/h的水泵進(jìn)行試抽水,動水位將至20.2 m,水位降深12.4 m,滿足該地鐵站設(shè)計文件提出的“降水深度不小于基坑底0.5 m”的要求。

抽水試驗所需主要設(shè)備材料如表1所示,三次試驗抽水歷時曲線(S-t曲線)如圖4—圖6所示,抽水試驗基本數(shù)據(jù)見表2。

表1 抽水試驗主要設(shè)備材料一覽表

表2 抽水試驗基本數(shù)據(jù)表

2.3.2 正式抽水階段

1)動水位、流量觀測:本次抽水試驗水位及流量觀測從抽水開始后的第5 min,10 min,15 min,20 min,25 min,30 min各觀測一次,以后每隔30 min觀測一次,直到抽水試驗結(jié)束。

2)穩(wěn)定延續(xù)時間及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn):此次抽水試驗段為第四系卵石層孔隙潛水,抽水穩(wěn)定延續(xù)時間為8 h。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為:水位波動值不大于2 cm,同一時間內(nèi)觀測孔的水位波動值不大于1 cm。實測涌水量最大值與最小值之差小于平均涌水量的3%,且涌水量無持續(xù)增大或變小的趨勢。

3)水溫觀測要求:抽水過程中每隔2 h同步觀測一次水溫。

4)恢復(fù)水位觀測:本次抽水試驗每落程抽水結(jié)束時立即觀測恢復(fù)水位,觀測要求為停泵后第1 min,2 min,3 min,4 min,5 min,6 min,8 min,10 min,15 min,20 min,25 min,30 min,40 min,50 min,60 min,80 min,120 min各觀測一次,以后每隔30 min觀測一次,直到恢復(fù)或穩(wěn)定。

3 抽水試驗計算與分析

3.1 計算模型

根據(jù)含水層類型及抽水試驗設(shè)計,本次試驗計算采用潛水非完整井模型。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)計算與分析

根據(jù)SL 320—2005水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程附錄B選取計算公式如下:

1)滲透系數(shù)計算公式(斯卡巴拉諾維奇),見式(1):

(1)

其中,Q為基坑涌水量,m3/d;K為含水層滲透系數(shù),m/d;r1為S01抽水井與G01觀測井間距,m,取40.1 m;r2為S01抽水井與G02觀測井間距,m,取62.6 m;l為過濾器進(jìn)水部分長度,m,取10.0 m;S1為G01觀測井降深,m,分別取0.01 m,0.15 m,0.38 m;S2為G02觀測井降深,m,分別取0.18 m,0.31 m,0.57 m。

2)影響半徑計算公式:根據(jù)SL 320—2005水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程,附錄F,表F選取如式(2)所示:

(2)

其中,R為影響半徑,m;S為抽水井降深,m;H為含水層厚度,m,取H=30-2=28 m;K為含水層滲透系數(shù),m/d。

經(jīng)計算得各參數(shù)見表3。

表3 抽水試驗水文地質(zhì)參數(shù)表

3.3 觀測井成果計算與分析

因進(jìn)行的三組試驗僅試驗三能滿足基坑設(shè)計要求的降深。因此對試驗三的觀測井?dāng)?shù)據(jù)綜合抽水井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析,來判斷高鐵橋基礎(chǔ)樁處的水位變化。試驗三各井水位降深如表4所示。

表4 試驗三中抽水井及觀測井水位降深 m

利用Originlab工具對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)函數(shù)非線性擬合,得出在125 m3/h的水泵作用下,距抽水井距離為x處的點其水位降深h關(guān)于x的函數(shù)(滿足ExpDec1模型)可表示為式(3):

h=h0+A1×exp(-x/t1)

(3)

其中,h0=0.372 45,A1=12.027 55,t=8.922 53。擬合曲線如圖7所示。

驗證公式的可靠性如表5所示。

表5 試驗三中抽水井及觀測井水位降深驗證

根據(jù)驗證可知,越遠(yuǎn)離抽水井,水位降深的計算值誤差越小(即越接近真實值),此公式滿足實際工況需要。因181號高鐵橋基礎(chǔ)樁距S01的距離為67.45 m,代入式(3),估算181號高鐵橋基礎(chǔ)樁處水位降深約0.38 m。

4 結(jié)語

本次抽水試驗嚴(yán)格按照設(shè)計方案和有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求執(zhí)行,試驗達(dá)到了預(yù)期的目的。通過對試驗數(shù)據(jù)的整理與分析,得到如下結(jié)論:

1)本次抽水試驗僅采用一口抽水井進(jìn)行降水,當(dāng)抽水井動水位在20.2 m時,靠近高鐵182號基礎(chǔ)樁的G01觀測井地下水位降深為0.38 m,對高鐵橋基礎(chǔ)樁有一定影響。實際基坑降水工程施工期間,采用群井降水,降水井?dāng)?shù)量多,時間長,勢必會對周邊地下水位成較大的影響。

2)利用Originlab工具對距離、降深進(jìn)行連續(xù)函數(shù)非線性擬合,得出在125 m3/h的水泵作用下,距抽水井距離為x處的點其水位降深y關(guān)于x的函數(shù)滿足ExpDec1模型。推測出在單井降水時,距離降水井一定范圍的某點的水位降深。

3)多井組合試驗,更真實地反映降水對周邊地下水位的影響是進(jìn)一步的探索方向。