黏土地基深井排水效果試驗與滲流場分析

徐力群　江沆　王麗艷　沈振中　李強

摘要：深井降水效果將影響水利工程的排水方案設(shè)計。為了分析黏土地基工程深井井點降水措施的有效性，結(jié)合無錫市生態(tài)休閑島工程，根據(jù)地質(zhì)勘測資料，通過建立滲流分析有限元模型，采用固定網(wǎng)格有限元非飽和滲流計算分析方法，分析了深井降水的非穩(wěn)定滲流場，對比分析了試驗井的排水量實測數(shù)據(jù)，研究結(jié)果表明深井降水具有較好的排水效果，提出了地基土層滲透性對滲流場有較大的影響，建議了采取合適的井深和井間距以保證深井降水效果，結(jié)果可為類似黏土地基排水措施提供設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：非穩(wěn)定滲流分析；黏土地基；深井排水效果；現(xiàn)場試驗；井點流量

中圖分類號：TV223 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0149-07

某生態(tài)休閑島景觀工程為開挖湖面取土堆起，為加速人工島基礎(chǔ)沉降、縮短施工工期、加快工程進(jìn)度以及保證工程的正常進(jìn)行以及施工和運行安全性，擬建場地擬采用深井井點降水措施，但考慮到工程基礎(chǔ)滲透系數(shù)較小，地層復(fù)雜，常規(guī)的計算方法和經(jīng)驗難以判斷其效果，因此擬進(jìn)行深井點降水試驗，進(jìn)而分析井點降水的實際效果，通過現(xiàn)場試驗以及有限元理論分析，提出合理的井點降水措施。

國外關(guān)于深井排水及非穩(wěn)定滲流的研究起步較早。有記錄的第一個采用深井降水方法的工程是1896年英國柏林的地鐵工程；1931年，德國Breme-havell建造二座水閘時采用了58口深井進(jìn)行減壓；日本1953年在名古屋鐵道大廈建設(shè)中首次采用井點降水法。1931年，Richards將Darey定律推廣應(yīng)用到非飽和滲流中以后，人們才開始了非飽和滲流的研究?；赗ichards控制方程的飽和-非飽和滲流后來得到了深入的研究，并成功地應(yīng)用到許多實際工程中。Neuman最早將有限元方法應(yīng)用到解飽和-非飽和問題。國內(nèi)關(guān)于降水技術(shù)的應(yīng)用及非穩(wěn)定滲流的研究相對較晚。首先是在1950年，東北某工業(yè)基地的建設(shè)中首先使用了輕型井點降水的方法；隨后1955年上海在武寧路泵站的基坑工程施工中，成功研制出了真空泵式抽水裝置。井點降水法在國內(nèi)越來越成熟，也更多的應(yīng)用在各種工程中。最近幾年，國內(nèi)學(xué)者也開展了不少非穩(wěn)定滲流的研究。理論研究方面，王文科提出用有限分析法求解地下水非穩(wěn)定井流問題并對該方法作了改進(jìn)；速寶玉等提出了采用截止負(fù)壓法進(jìn)行三維非穩(wěn)定滲流分析；戚藍(lán)等提出了基于逐步積分法研究得到非穩(wěn)定滲流場分布、滲流損失水量。工程應(yīng)用方面，毛昶熙等指出了江河堤防必須考慮河水漲落的非穩(wěn)定滲流來設(shè)計最經(jīng)濟(jì)可靠的滲控措施；師穎應(yīng)用Seep3D對基坑降水三維非穩(wěn)定滲流進(jìn)行模擬，量化分析了基坑降水；高丹盈分析了排水管間距等對南水北調(diào)工程大沙河段渠道排水非穩(wěn)定滲流場的影響。本工程擬針對黏土地基深井降水方案，采用非穩(wěn)定飽和-非飽和非穩(wěn)定滲流有限元法，計算分析深井降水的效果，確定合適的井深和井間距，為設(shè)計提供理論參考依據(jù)。

1深井降水試驗

某生態(tài)休閑島景觀工程位于無錫市惠山區(qū)職教園區(qū)的洋溪河畔，擬建生態(tài)休閑島由景觀人工島、景觀人工湖、配套建筑、直駁岸、天橋、龍橋、棧橋、拱橋、西橋等幾部分組成。生態(tài)休閑島共有4座人工島，均為開挖湖面取土推起，其中1號島工程量最大，其占地面積約5.2萬m²，基礎(chǔ)地面高程為3.5 m（黃海下同），項高程為14.5 m，最大高度為11 m，顯山路貫穿將1號島，路面高程為5.5～6.5 m，將其分為左右兩側(cè)。顯山路兩側(cè)邊坡為1：1，其余部分坡度在1：2～1：5。1號島堆土方量約為23萬m³。根據(jù)野外鉆孔土層資料及各土層的物理力學(xué)性能指標(biāo)，本工程基礎(chǔ)主要為黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土和粉質(zhì)黏土，土層分層較為明顯，含水層間隔分布。地下水位較高，初見水位標(biāo)高為1.16～4.20m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為0.76～4.10 m。

1.1試驗方案設(shè)計、試驗過程

根據(jù)地質(zhì)資料，（1）層為表土，（2）層為黏土，（5_-1）、（5_-3）、（6）、（8）層為粉質(zhì)黏土，（3）、（5_-2）層為粉質(zhì)黏土夾粉土，此含水層土性以砂性土為主，富水性較好。根據(jù)生態(tài)島沉降計算分析得出基礎(chǔ)沉降影響深度約為50 m。根據(jù)本地區(qū)多年來成功的降水經(jīng)驗，常規(guī)管井深度約在30～40 m，結(jié)合沉降計算分析，初步擬定管井井深到（5_-2）層，降水深度約為30 m。

根據(jù)以上分析，本次管井排水試驗，管井深度為30～40 m。采用管井直徑為200 mm。試驗井選取1號島西側(cè)，現(xiàn)場施工條件較好的地段，試驗井點可作為后期施工井使用，本次管井排水試驗共布置井點6眼，編號為1號-6號，管井井點間距為15～20 m，試驗深井布置見圖1。

本次深井排水實驗按圖鉆取6口深井，安裝好水表進(jìn)行計量后采用抽水泵對試驗深井內(nèi)滲水進(jìn)行抽排，保證井內(nèi)水及時全部排空。安排2人24小時觀察并做好水量記錄，安排專人每天至施工現(xiàn)場收集水量記錄表，核對記錄表每天抽水時間的準(zhǔn)確性。整個試驗過程抽水出水均正常，末發(fā)生異常情況。

1.2試驗結(jié)果

每個試驗井點排水量采用水表計量，每隔24 h記錄一次排水量，觀測期為1個月。各試驗井排水過程線見圖2。圖中點實線為實測值，實線為計算擬合值。

各試驗井初始排水量和穩(wěn)定排水量如圖3所示，比較各試驗井初始排水量、結(jié)束時排水量可知，試驗井深度及相對位置對排水量影響較大。1號、6號井井深為40 m，初始排水量為53 m³、56 m³，基本穩(wěn)定時流量為29.3 m³、44 m³。3號、5號井井深同為40m，其初始階段、穩(wěn)定階段排水量均小于1號井、6號井，主要原因是其在1號、6號井之間，受其影響較大。2號井初始排、穩(wěn)定時排水流量分別僅為8.8 m³、4.0 m³，主要是其井深僅為30 m，比相鄰井深度少10 m。

從影響半徑來看，1號、6號距相鄰井距離為15m、20 m，6號井排水量略高于1號井。從時間上來看，1號、6號井試驗結(jié)束時，即排水25～30 d后，排水量基本達(dá)到穩(wěn)定；3號、4號、5號井排水20 d后，排水量基本達(dá)到穩(wěn)定；2號井排水20 d后，排水量基本達(dá)到穩(wěn)定。

由試驗數(shù)據(jù)分析可以看出，各試驗井的數(shù)據(jù)與滲流基本規(guī)律一致，1號一6號井平均排水量，初始階段排水量平均值為33.2 m³，穩(wěn)定階段排水量為平均值為20.9 m³。

2有限元結(jié)果分析

2.1有限元計算理論

根據(jù)飽和-非飽和土的滲流基本微分方程，應(yīng)用Galerkin加權(quán)余量法及格林第一公式，對時間采用隱式有限差分格式，導(dǎo)出非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流有限元法的基本方程

（1）

2.2有限元分析模型

根據(jù)滲流計算分析的一般原則和特點，結(jié)合深井排水實驗及工程擬采用的深井排水布置情況，考慮到如以完整的實驗方案建立模型，工作量較大，因此考慮以外最外側(cè)兩孔深井建立數(shù)值模型。以試驗井鄰近地質(zhì)勘測孔土層分布建立數(shù)值模型的豎向分布，取以1號島基礎(chǔ)外側(cè)兩排深井作為模型的邊界，計算模型的截取范圍如下：X方向以最外側(cè)排水井為基準(zhǔn)，向外截取150 m，向內(nèi)截取島第二口井；Z方向為高程方向，底部截至相對不透水層，底高程-76 m；y方向取井孔直徑0.20 m，數(shù)值模型計算范圍見圖4。計算模型保留土層的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確模擬基礎(chǔ)分層。

模型左側(cè)截取邊界地面高程以下部分、右側(cè)深井井底以下部分以及模型底部，取為不透水邊界；初始地下水位為已知水頭邊界，深井井壁邊界部分為出滲邊界，深井內(nèi)滲水及時抽排，井內(nèi)水位設(shè)置固定水深0.1 m。沿壩軸線截取的兩側(cè)面均為不透水邊界。三維有限元網(wǎng)格模型節(jié)點總數(shù)為33 300個，單元總數(shù)為16 325個，有限元網(wǎng)格模型圖見圖5。

2.3非穩(wěn)定滲流分析參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘測資料和現(xiàn)場試驗以及類比其它類似工程，本工程采用的滲透系數(shù)見表1。初始時刻地下水位2.0 m。

對于所缺的黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土的土水特性關(guān)系曲線，計算采用滲透系數(shù)類似工程的砂摻合料的土水特性關(guān)系來進(jìn)行計算分析。體積含水率θ與毛細(xì)壓力^的關(guān)系，以及體積含水率θ與相對透水率k_r的關(guān)系分別見表2、表3。本次計算分析粉質(zhì)黏土的土水特性參照粉質(zhì)黏土夾粉土的土水特性關(guān)系曲線。

2.4深井降水效果分析

本次分析考慮以深井降水控制深度32 m、井間距30 m，建立基本模型。飽和一非飽和非穩(wěn)定滲流下模型剖面的浸潤線位置、等水頭線及其數(shù)值見圖6。由圖可知，深井連續(xù)排水條件下，兩井點之間的地下水位能有效降低，粉質(zhì)黏土夾粉土相對透水層排水效果明顯，黏土層處于暫態(tài)飽和狀態(tài)，其面積隨時間的增加逐漸減小，由于黏土的滲透系數(shù)較小，其暫態(tài)飽和狀態(tài)消散速度較為緩慢。降水至第7 d，兩井間飽和區(qū)面積為初始狀態(tài)下的27.84%，至第30 d，兩井間飽和區(qū)面積為初始狀態(tài)下的25.56%。從外側(cè)井降水效果來看，其較為明顯的影響半徑約為80 m，在前150 d時間段內(nèi)變化不大，隨著時間的增加而逐漸擴(kuò)大，至穩(wěn)定時刻見圖6。

暫態(tài)飽和區(qū)平均厚度變化見圖7，從圖中可以看出，從時間上看，從第7 d至150 d，暫態(tài)飽和區(qū)平均厚度由8.72 m降為6.24 m，其占原初始狀態(tài)飽和區(qū)厚31 m的28 2%降為20.1%。同時由于第三層黏土較厚，暫態(tài)飽和區(qū)占主要部分，其厚度約占總厚度的80%。從圖的變化趨勢看，其暫態(tài)飽和區(qū)完全消散的時間約為550～600 d。

當(dāng)井間距由30 m減少為20 m時，暫態(tài)飽和區(qū)厚度能明顯減少，以降水至第15 d為例，深井間距20 m與30 m時暫態(tài)飽和區(qū)對比見圖8，其暫態(tài)飽和區(qū)厚度由8.56 m減少為4.06 m，此刻占原初始狀態(tài)飽和區(qū)厚31 m的27.6%降為13.1%。

試驗井排水量與數(shù)值計算排水量對比見圖9，從深井排水量來看，與一號試驗井相比，外側(cè)井理論計算第7 d、15 d、30 d排水量分別為10.30 m³/d、17.10 m³/d、15.50 m³/d，小于試驗井的35.7m³/d、34 m³/d、2933 m³/d，與試驗井平均排水量基本相當(dāng)。出現(xiàn)這種原因主要有：f 1）試驗1號井比模型要深8 m，其排水量必然較大；（2）為減少計算量，本次采用的數(shù)學(xué)模型與實際試驗井存在一定的區(qū)別。從兩者排水量級及變化趨勢看及考慮上述原因，本次數(shù)值計算結(jié)果基本與試驗數(shù)據(jù)保持一致。對比外圍井與內(nèi)部井排水量來看，外部排水量大于內(nèi)部井，主要原因是外部井的集水面積大于內(nèi)部井，這與井群滲流規(guī)律保持一致。

考慮到地層的不均勻性，擋土層滲透系數(shù)在一圖10、圖11。定范圍內(nèi)變化時，深井排水30 d時其地下水位線見當(dāng)相對透水層滲透系數(shù)放大10倍時，暫態(tài)飽和區(qū)厚度略有減少，暫態(tài)飽和區(qū)面積與基本工況相比，占原初始狀態(tài)飽和區(qū)厚31 m的28%降為24%。當(dāng)相對透水層滲透系數(shù)縮小10倍時，相對透水層排水效果急劇減少，暫態(tài)飽和區(qū)面積大幅度上升，占初始狀態(tài)飽和區(qū)的62%。

當(dāng)黏土層滲透系數(shù)放大10倍時，相對透水層排水效果減若，暫態(tài)飽和區(qū)面積大幅度上升，占初始狀態(tài)飽和區(qū)的47%。當(dāng)黏土層滲透系數(shù)放大100倍時，基礎(chǔ)滲透系數(shù)均處于同一數(shù)量級，深井排水效果不明顯，其地下水位下降約8.6 m，非飽和區(qū)僅為初始狀態(tài)飽和區(qū)的26%，連續(xù)排水150 d后，地下水位下降18.5 m，非飽和區(qū)約為初始狀態(tài)飽和區(qū)的58%。這種現(xiàn)象的主要原因是土層的滲透系數(shù)較大，深井間距相對大，深井水補給量較大，這從井的影響半徑及排水量上能明顯反映。上述分析表明，相對透水層與黏土滲透系數(shù)差距越大，降水效果越明顯，兩者相差一個數(shù)量級時，非飽和區(qū)面積約占50%左右。

黏土層滲透系數(shù)變化相對應(yīng)的井排水量見圖12，由圖可知，土層的滲透系數(shù)變化對井的排水量影響較大。以降水第15 d為例，相對透水層滲透系數(shù)放大10倍后，外側(cè)井排水量為75.20 m³，排水量增加4.85倍，內(nèi)側(cè)井排水量為9.5 m³，排水量增加2.73倍；相對透水層滲透系數(shù)減小10倍后，外側(cè)井排水量為4.62 m³，排水量為原來的30%，內(nèi)側(cè)井排水量為1.29 m³，排水量增加0.37倍。當(dāng)黏土的滲透系數(shù)放大10倍、100倍時，外側(cè)井排水量分別為原來的1.95倍、6.6倍，內(nèi)側(cè)井排水量分別為原來的3.65倍、12.2倍。

3結(jié)論

針對黏土地基深井降水效果，基于現(xiàn)場試驗成果分析，以及非穩(wěn)定飽和-非飽和有限元法有限元的非穩(wěn)定滲流分析，分析了深井降水的非穩(wěn)定滲流場，對比分析了試驗深井的排水效果實測數(shù)據(jù)，開展了粘土地基滲透性對降水效果的敏感性分析，可得到以下結(jié)論。

（1）擬建場地地層含水量較為豐富，通過深井降水試驗和有限元分析可知，在井深35～40 m、井間距20-30 m條件下，深井能夠有效降低地下水位，四周外圍井間距應(yīng)適當(dāng)減少，采取管井降水加速地基沉降是可行的。

（2）通過三維非穩(wěn)定滲流有限元計算分析可知，針對黏土地基，采用深井降水，深井降水前15-20 d時，深井降水效果明顯，但后期較弱，建議擬建場地清基前15-20 d前開始管井降水。

（3）因本工程相對透水層滲透系數(shù)較小，相對透水層與黏土滲透系數(shù)相差越大，降水效果越明顯，本案例中兩者相差一個數(shù)量級時，非飽和區(qū)面積約占50%左右，相差二個數(shù)量級時，非飽和區(qū)面積約占70%左右。

（4）本工程深井降水水位較低，降水效果明顯，當(dāng)水位較高時，采用此類方法進(jìn)行排水，效果有待進(jìn)一步研究。