濟(jì)南地區(qū)粉質(zhì)黏土層豎向滲透系數(shù)反演分析

【摘 " "要】：為了研究濟(jì)南地區(qū)粉質(zhì)黏土層豎向滲透系數(shù)，以濟(jì)南軌道交通3號(hào)線某基坑降水工程為例，通過(guò)際降水試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)反演模擬地層滲透性參數(shù)，得出開(kāi)挖范圍內(nèi)的主要土層粉質(zhì)黏土層的滲透性參數(shù)，根據(jù)模擬反演計(jì)算得出，該區(qū)域的粉質(zhì)黏土層的滲透性遠(yuǎn)大于勘察報(bào)告提供的參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】：粉質(zhì)黏土；滲透系數(shù)；降水模擬；反演計(jì)算

【中圖分類(lèi)號(hào)】：U231.3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）05-60-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.016

Inversion Analysis of Vertical Permeability Coefficient of Silty Clay Layer

in Jinan Area

WANG Jing，NIU Lei，PAN Hu，LIU Yudong

（Shanghai ChangKai Geotechnical Engineering Co.， Ltd， Shanghai 200093， China）

【Abstract】： In order to study the vertical permeability coefficient of the powdery clay layer in Jinan area， this paper relies on a foundation pit dewatering project of Jinan Rail Transit Line 3，uses precipitation test operation parameters to invert and simulate the permeability parameters of the geological strata， and obtains the permeability parameters of the main soil layer， the silty clay layer， within the excavation range. According to the simulation inversion calculation， the permeability of the silty clay layer in this area is much higher than the parameters provided in the survey report.

【Key words】： powdery clay；permeability coefficient；precipitation simulation；inversion calculation

黏性土在常規(guī)水文地質(zhì)分析中，一般作為弱透水層或者隔水層，能夠有效隔斷上下含水層的水力聯(lián)系，該層的透水性較差，富水性貧乏；而從大量基坑的降水施工經(jīng)驗(yàn)看，在濟(jì)南地區(qū)獨(dú)特發(fā)育孔隙的黏性土地層透水性和富水性都有別于常規(guī)黏性土。目前，對(duì)濟(jì)南地區(qū)滲透性研究較少，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為黏性土地層富水性差，滲透系數(shù)小[1]。從宏觀上看，濟(jì)南地區(qū)的粉質(zhì)黏土層透水性好，富水性強(qiáng)[2]，與勘察中給出的室內(nèi)試驗(yàn)滲透性結(jié)果又較大的差異。

本文以濟(jì)南軌道交通3號(hào)線某基坑為例，借助該基坑前期的降水設(shè)計(jì)（依據(jù)勘察報(bào)告給出的參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的設(shè)計(jì)），通過(guò)針對(duì)性的生產(chǎn)性降水試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和反復(fù)驗(yàn)證，選用數(shù)值模擬的手段，模擬反演地層參數(shù)，獲取較為真實(shí)的反應(yīng)試驗(yàn)區(qū)域黏性土層滲透性參數(shù)，為類(lèi)似施工項(xiàng)目提供后續(xù)施工借鑒和參考。

1 工程概況

濟(jì)南軌道交通3號(hào)線某車(chē)站風(fēng)井為雙層三跨結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)為82.0 m（包括端墻）、總寬21.6 m，底板埋深約18.86 m、開(kāi)挖深度為19.06 m，頂板覆土厚度約3.9 m，明挖法施工，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐方式。地下連續(xù)墻厚800 mm、長(zhǎng)33 m，墻底進(jìn)入14-1粉質(zhì)黏土層中；內(nèi)支撐系統(tǒng)采用鋼筋混凝土支撐+鋼支撐形式，沿基坑深度方向設(shè)置3道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，截面 800 mm×800 mm；第二道為?800 mm×20 mm鋼管支撐，第三道為?800 mm×20mm鋼管支撐。

地面整平標(biāo)高22.00 m，基坑面積約1 839.4 m2。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

鉆探深度范圍內(nèi)揭露第四系地層有1-1素填土、1-2雜填土、2-1粉質(zhì)黏土、2-3粉土、6-1粉質(zhì)黏土、7-1粉質(zhì)黏土、9-1粉質(zhì)黏土、10-1粉質(zhì)黏土、13粉質(zhì)黏土含姜石、14-1粉質(zhì)黏土、16-1粉質(zhì)黏土、17-5粉質(zhì)黏土。 風(fēng)井坑底位于9-1粉質(zhì)黏土層、10-1粉質(zhì)黏土層，地下連續(xù)墻墻底位于14-1粉質(zhì)黏土層。

擬建場(chǎng)地屬于濟(jì)陽(yáng)水文地質(zhì)單元。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)鉆探孔及搜集附近水文地質(zhì)資料，本水文地質(zhì)分區(qū)地下水主要為第四系松散孔隙潛水。 該分區(qū)位于黃河向小清河的徑流區(qū)，地下水主要賦存于含碎石粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂及黏性土中，地下水類(lèi)型主要為孔隙潛水。地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為黃河的側(cè)向補(bǔ)給、大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)、地下水徑流以及人工取水為主要排泄方式。擬建場(chǎng)地勘察期間地下水埋深2.60～7.00 m，地下水穩(wěn)定水位14.99～17.49 m，抗浮設(shè)防水標(biāo)高為21.70 "m。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析，2-1～16-1層黏性土及粉土滲透系數(shù)存在差異，均質(zhì)黏性土滲透系數(shù)一般在10-6 cm/s級(jí)別，均質(zhì)粉土滲透系數(shù)一般在10-5 cm/s級(jí)別。

根據(jù)多孔綜合抽水試驗(yàn)結(jié)果，30 m范圍內(nèi)地層的綜合滲透系數(shù)為1.18×10-3～2.23×10-3 cm/s，滲透性強(qiáng)。

3 降水試驗(yàn)

3.1 設(shè)計(jì)思路

結(jié)合勘察提供的水文地質(zhì)參數(shù)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算基坑總涌水量，通過(guò)計(jì)算單井出水能力，獲取整個(gè)基坑抽水井的數(shù)量，基坑內(nèi)共設(shè)置12口降水井。見(jiàn)圖1和表1。

在基坑開(kāi)挖之前，預(yù)留S6作為觀測(cè)井，對(duì)其他降水井進(jìn)行3 d抽水試驗(yàn)，驗(yàn)證坑內(nèi)水位是否能降至開(kāi)挖面以下。

3.2 降水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及采取措施

根據(jù)試驗(yàn)，采用功率10 t/h的水泵，動(dòng)水位20 m左右趨于穩(wěn)定，靜水位11 m趨于穩(wěn)定。見(jiàn)圖2。

開(kāi)挖范圍內(nèi)黏性土層出水量較大，原設(shè)計(jì)的降水設(shè)備型號(hào)無(wú)法滿足要求，必須采取措。

1）更換大功率抽水設(shè)備。更改為功率30 t/h的抽水泵，動(dòng)水位緩慢降至井底，靜水位在17 m左右趨于穩(wěn)定，距離基底以下1 m，還有3 m的水頭差，無(wú)法滿足開(kāi)挖要求。見(jiàn)圖3。

2）增加降水井?dāng)?shù)量。增加4口降水井后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，水位緩慢降至21 m趨于穩(wěn)定。從補(bǔ)井后總的坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)據(jù)，反推面積法計(jì)算井?dāng)?shù)量，單井控制面積按照120 m2計(jì)算，坑內(nèi)降水井的數(shù)量能夠滿足基坑開(kāi)挖要求。見(jiàn)圖4和圖5。

4 模擬反演分析

從降水試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)看，開(kāi)挖范圍內(nèi)的粉質(zhì)黏土層的滲透性要遠(yuǎn)大于勘察報(bào)告提供的參數(shù)值且單井影響面積較小，降水井影響半徑較小，出水量較大。主要由于粉質(zhì)黏土層含豎向不規(guī)則裂隙發(fā)育，其滲透性通過(guò)常規(guī)的勘察手段無(wú)法有效獲取，因此擬采用數(shù)值模擬反演方法，獲取地層有效的參數(shù)考。

結(jié)合工程實(shí)例，考慮存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)擋水作用、群井抽水作用及地層分布等因素，真實(shí)模擬抽水試驗(yàn)場(chǎng)景，帶入實(shí)際抽水參數(shù)。

4.1 模擬參數(shù)賦值

依據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，結(jié)合基坑結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)要求及抽水井、止水帷幕的深度等條件，豎向上從上向下土層總共分成3層，地表埋深取0 m，底部取16-1粉質(zhì)黏土層底埋深約41 m。見(jiàn)表2。

整個(gè)剖分區(qū)域呈長(zhǎng)方形，根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，遵循邊緣單元稀、基坑中心單元密的原則，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行三維剖分。將整個(gè)計(jì)算區(qū)域在平面上剖分成358×420的矩形網(wǎng)格單元，分3層。見(jiàn)圖6。

4.2 模擬反演結(jié)果

試驗(yàn)初期，未增加井?dāng)?shù)量和未更換水泵的情況下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法滿足基坑開(kāi)挖要求的實(shí)際情況下，模擬反演擬合完成的曲線，計(jì)算的靜水位降至約11 m，與實(shí)際試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)基本吻合。見(jiàn)圖7。

按照實(shí)際情況，增加4口降水井后，進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)與實(shí)際參數(shù)的對(duì)比，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)值擬合度較高，說(shuō)明通過(guò)模擬反演出來(lái)的數(shù)據(jù)能夠較為真實(shí)的反應(yīng)地層數(shù)據(jù)情況。見(jiàn)圖8。

擬合曲線反推粉質(zhì)黏土層水平滲透系數(shù)為3.2 m/d，豎向滲透系數(shù)為10.8 m/d，水平向滲透系數(shù)的模擬計(jì)算結(jié)構(gòu)同勘察報(bào)告給出的滲透系數(shù)數(shù)值相近，豎向滲透系數(shù)按照以往經(jīng)驗(yàn)一般取值為水平向的0.1～0.2倍，該經(jīng)驗(yàn)取值不適應(yīng)濟(jì)南區(qū)域裂隙發(fā)育明顯的粉質(zhì)黏土層。

5 結(jié)論

1）由于粉質(zhì)黏土層中發(fā)育有裂隙通道，導(dǎo)致該層土豎向滲透性較大，根據(jù)模擬反演分析，粉質(zhì)黏土層水平滲透系數(shù)3.2 m/d，與勘察報(bào)告給出的滲透系數(shù)取值基本相符，而豎向滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于水平向滲透系數(shù)。由于特殊性裂隙發(fā)育的原因，粉質(zhì)黏土層垂向滲透系數(shù)反演求得為10.8 m/d，并且該數(shù)值經(jīng)過(guò)進(jìn)一步與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證對(duì)比，保證了其可靠性。

2）針對(duì)濟(jì)南區(qū)域粉質(zhì)黏土層為主要地層的基坑，單井有效控制面積設(shè)置為120 m2，能夠滿足基坑開(kāi)挖要求，降水井深度位于基底以下10 m，能有效的起到降水作用。

3）本文針對(duì)粉質(zhì)黏土層，其他含土層基坑降水設(shè)計(jì)需要結(jié)合不同地層的情況進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

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