深基坑工程回灌管井設(shè)計(jì)若干問(wèn)題探討

陸建生

(上海廣聯(lián)建設(shè)發(fā)展有限公司，上海200438)

0 引言

在城市深基坑工程建設(shè)中，采用降水的方法降低開(kāi)挖土層中可能引起基坑底板承壓水突涌的含水層的地下水位是十分必要的［1，2］。但隨著地下水位的降低，地基中原水位以下土體的有效自重應(yīng)力增加，導(dǎo)致地基土體固結(jié)，進(jìn)而造成降水影響范圍內(nèi)的地面和建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不均勻沉降、傾斜、開(kāi)裂等現(xiàn)象，危及其安全和正常使用［1～6］。因此在深基坑建設(shè)中必須采取有效措施消除或降低基坑降水對(duì)周圍環(huán)境的影響?？刂埔蚧咏邓鸬墓こ绦缘孛娉两?，最直接有效的辦法是控制地下水水位，而在控制地下水水位的措施中地下水人工回灌是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)可靠的措施。早在18世紀(jì)末19世紀(jì)初，歐洲的一些國(guó)家已經(jīng)有了人工補(bǔ)給地下水［7］，我國(guó)許多大中城市在20世紀(jì)50年代末期就開(kāi)始了地下水回灌的實(shí)施與研究［7］，但其主要目的是:調(diào)蓄地下水資源和控制區(qū)域地面沉降。為控制區(qū)域地面沉降，上海等地長(zhǎng)期開(kāi)展地下水人工回灌工作，取得了較好的地面沉降防治效果［8］。

隨著城市深基坑工程建設(shè)的復(fù)雜化，上海、北京等城市的部分基坑采用了工程性的回灌［9～11］。這些工程回灌多屬于應(yīng)急措施一部分，備用為主，其回灌目的含水層主要集中于淺層承壓水，同時(shí)深基坑工程回灌井在空間布置上的局限性與回灌時(shí)間的短期性，都決定了基坑工程承壓水回灌技術(shù)方法的特殊性。受限于密集的建筑群和復(fù)雜的地下設(shè)施的影響，深基坑回灌運(yùn)行過(guò)程中必須分析水土應(yīng)力變化，避免因回灌形成土層的二次不利變形。

目前回灌作為一項(xiàng)預(yù)防性工程措施，受到多方的關(guān)注，在多本技術(shù)規(guī)范［12，13］上均有提及，但是對(duì)于其設(shè)計(jì)指導(dǎo)性不強(qiáng)，困惑較多。鑒于此，本文針對(duì)回灌設(shè)計(jì)中不同回灌模式下的控制原則、定水頭回灌與定流量回灌的選取原則、極限回灌壓力及設(shè)計(jì)最大回灌壓力的計(jì)算、回灌井回灌量的確定方法及回灌井開(kāi)啟時(shí)間的設(shè)定等回灌管井設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 深基坑工程回灌控制原則

深基坑工程地下水回灌根據(jù)回灌目的的差異可分為基于環(huán)境控制和基于水資源保護(hù)這兩類不同控制要求的地下水回灌。

基于環(huán)境控制的深基坑工程地下水回灌的主要目的是在保證基坑安全的同時(shí)，減少坑外保護(hù)建(構(gòu))筑物處因地下水變化引起的地層擾動(dòng)，減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，其主要分析指標(biāo)是地下水水位。該類型回灌遵循以下原則:在保證基坑內(nèi)水位滿足基坑安全要求的同時(shí)，控制保護(hù)建(構(gòu))筑物區(qū)地下水水位變化最小。超灌與少灌均不利于環(huán)境的控制。

基于水資源控制的基坑工程地下水回灌主要目的是在保證基坑安全的同時(shí)減少水資源浪費(fèi)，保護(hù)水資源平衡，以及解決基坑降水過(guò)程中外排水量大而導(dǎo)致的市政排水問(wèn)題?；谒Y源控制的基坑工程地下水回灌與常規(guī)水資源型回灌的差異主要是基坑工程地下水回灌還需分析回灌對(duì)基坑內(nèi)水位及建(構(gòu))筑物區(qū)水位的影響。因此該類型回灌遵循以下原則:最大量將原外排地下水回灌至原地層中，同時(shí)確保基坑內(nèi)水位控制在安全水位內(nèi)。

因水文地質(zhì)條件、環(huán)境要求及基坑特點(diǎn)的差異，回灌控制將以某一種方式為主。如上海地區(qū)深基坑工程中的回灌目前主要考慮控制環(huán)境變形，但與此同時(shí)部分工程通過(guò)原水回灌也在一定程度上減少了水資源的排放，達(dá)到水資源控制的目的。對(duì)于那些在含水層滲透性大的地區(qū)，因基坑外排水量遠(yuǎn)大于市政允許排水量，其回灌主要是基于水資源控制的目的。

為防止原地層中的地下水受到污染，回灌水水質(zhì)應(yīng)不劣于含水層水質(zhì)，在深基坑建設(shè)過(guò)程中應(yīng)鼓勵(lì)原水回灌。為避免不同含水層間的水質(zhì)污染，回灌井必須設(shè)置可靠的分隔層。

2 定流量與定水頭回灌的選擇

管井回灌的控制模式可分為定水頭回灌與定流量回灌。

定水頭回灌也叫定壓力回灌，是指回灌過(guò)程中回灌井內(nèi)的水頭高度(或回灌壓力)維持不變，在運(yùn)行過(guò)程中回灌井井損將不斷增大，進(jìn)而使得流量減小，在該類型回灌過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)井壁突涌現(xiàn)象。

定流量回灌是指回灌過(guò)程中流入回灌井內(nèi)的流量維持不變，在運(yùn)行過(guò)程中回灌井井損將不斷增大，進(jìn)而使得回灌井內(nèi)壓力不斷增加，后期運(yùn)行控制極易出現(xiàn)井壁突涌現(xiàn)象。

兩種控制模式均需采用回?fù)P措施確?；毓嗑畠?nèi)壓力小于極限回灌壓力及確保回灌流量的穩(wěn)定性。

基于變形控制的管井回灌其目的是確保保護(hù)建(構(gòu))筑物區(qū)的水位變幅控制在允許范圍內(nèi)。以完整井在承壓含水層中回灌為例，回灌過(guò)程可近似為抽水的逆過(guò)程，則單井回灌水位抬升值可由公式(1)計(jì)算獲得:W(u)為泰斯井函數(shù)

式中:Q——回灌流量，m3/d;T——含水層導(dǎo)水系數(shù)，m2/d;s——任一點(diǎn)任意時(shí)刻的水位抬升值，m;a——導(dǎo)壓系數(shù)，m2/d;H0——初始水位，m;R——計(jì)算點(diǎn)到回灌井的距離，m;H(r，t)——t時(shí)刻距離回灌井r處的含水層水位，m。

W(u)與時(shí)間t之間的關(guān)系如圖1所示，隨著時(shí)間的推移，W(u)值趨于穩(wěn)定，而由公式(1)可知，在t達(dá)到一定值后，Q－s可近似為正比關(guān)系，即如果回灌流量固定，保護(hù)建(構(gòu))筑物區(qū)的最終水位抬升值隨時(shí)間的變化非常小，可近似為定值;在定壓回灌中，因受井損逐漸變大的影響，在回灌壓力不變的條件下，回灌流量減小，進(jìn)而使得在實(shí)際控制中難以確保s為定值，因此基于變形控制為目的的管井回灌應(yīng)以選擇定流量回灌為主，對(duì)于以水資源控制為主的管井回灌應(yīng)以定水頭為主。

圖1 W(u)與時(shí)間t關(guān)系曲線示意圖

3 極限回灌壓力及設(shè)計(jì)最大回灌壓力

在回灌過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)回灌井井壁冒水的現(xiàn)象，其主要原因?yàn)?

(1)井壁回填不密實(shí)，含水層至地面有管道存在，該種情況下，回灌水頭超過(guò)地面即開(kāi)始冒水;

(2)回灌井井壁水壓力超過(guò)上覆土壓力后出現(xiàn)突涌現(xiàn)象;

(3)粘土球底部因回灌水頭的增加發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞，逐漸形成垂向裂隙，最終發(fā)展至地面，冒水。

原因(1)屬于施工不達(dá)標(biāo)，本文不做討論。

原因(2)中的回灌井井壁抗突涌穩(wěn)定性條件為:粘土球底板至地表的土壓力應(yīng)大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力，如圖2所示。

圖2 回灌井示意圖

即:

式中:h1——回灌井內(nèi)承壓水位與地面的距離，m，當(dāng)高出地面時(shí)，該值為正數(shù)，當(dāng)?shù)陀诘孛鏁r(shí)，該值為負(fù)數(shù);h2——粘土球分隔層底至地面間分隔層的厚度，m;H——回灌井內(nèi)承壓水位高于粘土球分隔層底部的高度，m;γs——粘土球分隔層底至地面間各分隔層的平均重度，kN/m3;γw——水的重度，一般取10 kN/m3;Fs——井壁抗突涌安全系數(shù)。

當(dāng)Fs=1時(shí)，h1為極限回灌水頭，

對(duì)應(yīng)的水壓為極限回灌壓力，考慮到回灌井壁回填材料與原狀土、井壁管之間接觸的不確定性，F(xiàn)s的取值應(yīng)大于1，在不同填土材料及施工質(zhì)量條件下其值的選取還需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

原因(3)中為避免粘土球底部發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞，進(jìn)而在垂向逐漸發(fā)展裂縫，土體豎向和水平向主應(yīng)力分別為:

拉伸破壞時(shí)小主應(yīng)力為零:

Hls=(Kγs－γw)/γw·h2=(Kγs/γw－1)h2(7)

對(duì)于拉伸破壞時(shí)，K取靜止土壓力系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)公式可得K=K0=1－sinφ，對(duì)于粘土球考慮φ=15°，則可得K0=0.74，則:

由(4)、(5)、(9)可得:

剪切破壞時(shí)兩主應(yīng)力應(yīng)滿足摩爾－庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則:

對(duì)比式(2)和(11)可知，F(xiàn)s=1/K0≈1.35，即當(dāng)安全系數(shù)Fs≥1.35時(shí)即滿足抗突涌要求，又能避免出現(xiàn)裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。因此克服粘土球底部發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞是淺層回灌設(shè)計(jì)的主控因素。

案例:上海某基坑降水回灌工程中，回灌井結(jié)構(gòu)如圖2所示，為避免井壁冒水，在回填濾料上方回填了10 m長(zhǎng)粘土球，粘土球頂至地面添瓜子片，瓜子片密實(shí)后，通過(guò)預(yù)埋注漿管注漿封填。在回灌試驗(yàn)中，1號(hào)回灌井因回灌流量大，在回灌不到3 min井內(nèi)回灌水頭h1已達(dá)35 m，井壁出現(xiàn)大量冒水，2號(hào)回灌井內(nèi)水頭h1超過(guò)22 m時(shí)，井壁出現(xiàn)冒水，3號(hào)回灌井內(nèi)水頭h1位于20 m時(shí)，未出現(xiàn)井壁冒水現(xiàn)象。

試驗(yàn)中可假設(shè)γs=18.0 kN/m3，h2=58.0 m。

對(duì)于1號(hào)井有:

對(duì)于2號(hào)井有:

對(duì)于3號(hào)井有:

1號(hào)井因壓力聚集過(guò)快及監(jiān)測(cè)頻率等原因，實(shí)際井壁冒水臨界點(diǎn)應(yīng)小于35 m，也即Fs應(yīng)遠(yuǎn)大于1.12，對(duì)于2號(hào)井，其井壁冒水時(shí)的Fs=1.30與1.35比較一致，但考慮由含水層頂至地面管路的形成需要一段時(shí)間，也即實(shí)際的安全系數(shù)應(yīng)大于1.30。

通過(guò)案例比較可知，利用裂縫公式計(jì)算極限回灌壓力是相對(duì)符合實(shí)際的，同時(shí)考慮到下填濾料過(guò)程的復(fù)雜性，工程實(shí)踐中確立最大安全回灌水頭，必須考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

式中:Fl——回灌安全系數(shù)。

對(duì)應(yīng)抗突涌安全系數(shù)Fs=Fl/K0≈1.35Fl。

在回灌流量不變的情況下，回灌壓力將逐漸增加，后期雖然可利用回?fù)P措施降低回灌壓力，但回灌壓力在一定時(shí)間內(nèi)還是存在一定增加空間，為此應(yīng)在充分考慮回灌壓力增長(zhǎng)速率及回?fù)P時(shí)間間隔的基礎(chǔ)上確定回灌安全系數(shù)。

目前基坑工程回灌井多布置于淺層承壓水中，其回灌有較多的特殊性，對(duì)于深層回灌井因其含水層頂板埋深深，回灌可在較高壓力條件下進(jìn)行，而淺層承壓水因其水頭高且其含水層頂板埋深淺，其回灌壓力的設(shè)置受到嚴(yán)格的限制。

4 回灌流量的確定

回灌井設(shè)計(jì)時(shí)回灌井的最大可回灌量是評(píng)估回灌井能力的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

回灌井的最大可回灌量可由下式計(jì)算:

式中:qh——單位設(shè)計(jì)回灌量，L/(h·m)，回灌井內(nèi)水位抬升1 m時(shí)的回灌流量值;Hsaf——最大安全回灌水頭;h0——無(wú)回灌狀態(tài)下的地下水水位埋深值，m。

Hsaf可通過(guò)(13)式確定，h0可通過(guò)地下水滲流計(jì)算獲取降水期間的水位埋深值。單位設(shè)計(jì)回灌量qh是回灌設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，在一般的水文地質(zhì)勘察中不會(huì)給出，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可通過(guò)井單位出水量qc計(jì)算獲得，理論上qh≈qc，但回灌時(shí)阻力遠(yuǎn)大于抽水，且qh的變幅相對(duì)較大，因此回灌設(shè)計(jì)時(shí)單位設(shè)計(jì)回灌量可按下式計(jì)算:

式中:η——阻力系數(shù)比，為保證設(shè)計(jì)的安全性，該值可取為1/2～1/3，滲透系數(shù)大的可取較大值。

對(duì)應(yīng)回灌井的最大可回灌量:

基于環(huán)境控制下的水位抬升值可通過(guò)式(17)求得:

式中:λ——群井回灌效應(yīng)系數(shù)。

當(dāng)S接近至水位抬升目標(biāo)值時(shí)所對(duì)應(yīng)的回灌管井?dāng)?shù)量n為回灌井開(kāi)啟數(shù)量。在工程設(shè)計(jì)中為解決回灌井的措施回?fù)P及回灌井的備用井，設(shè)計(jì)回灌井?dāng)?shù)量為:

式中:Kα——回灌井設(shè)計(jì)安全系數(shù)，其值的選取根據(jù)土層特征及施工工況確定;n——回灌井理論計(jì)算量;N——回灌井設(shè)計(jì)數(shù)量。

在地層復(fù)雜及含水層受到止水帷幕等影響時(shí)，應(yīng)通過(guò)三維地下水滲流分析，確定回灌井理論計(jì)算量。

回灌井開(kāi)啟狀態(tài)下，整個(gè)區(qū)域的地下水水位均要抬升，即在抬高了保護(hù)區(qū)地下水水位的同時(shí)，也抬高了抽水區(qū)的地下水水位。在此條件下需要合理的考慮回灌井的空間布置，即保證基坑的安全也在一定程度上抬升保護(hù)建筑區(qū)的地下水水位。

基于水資源控制下的回灌井理論計(jì)算量為:

式中:Q——場(chǎng)區(qū)單日最大回灌量，m3/d。

基于水資源控制的回灌井應(yīng)盡量遠(yuǎn)離基坑區(qū)，同時(shí)必須分析回灌對(duì)基坑施工的影響。

5 回灌井啟動(dòng)時(shí)間的設(shè)置

基于環(huán)境控制的回灌井其主要目的是控制建(構(gòu))筑物的沉降，相同地層的彈性模量遠(yuǎn)大于壓縮模量，則在相同水位幅度內(nèi)波動(dòng)時(shí)，回彈量要遠(yuǎn)小于沉降量。鑒于此應(yīng)盡量避免或降低建(構(gòu))筑物區(qū)的水位波動(dòng)，也即抽灌應(yīng)同步進(jìn)行，但其抽水流量及回灌流量的確定應(yīng)通過(guò)計(jì)算分析后確定。

基于水資源控制的回灌井應(yīng)在回灌水水質(zhì)滿足回灌要求時(shí)即可啟動(dòng)回灌井回灌，期間抽水流量及回灌流量的確定應(yīng)通過(guò)計(jì)算合理獲取。

對(duì)于兩種目的均有的回灌井應(yīng)選取嚴(yán)格的一方進(jìn)行設(shè)置。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)基坑工程地下水回灌根據(jù)不同回灌目的可分為基于環(huán)境控制和基于水資源保護(hù)這兩類不同控制要求的地下水回灌。

(2)基于環(huán)境控制的基坑工程地下水回灌控制原則:在保證基坑內(nèi)水位滿足基坑安全要求的同時(shí)，控制保護(hù)建(構(gòu))筑物區(qū)地下水水位變化最小。超灌與少灌均不利于環(huán)境的控制。

(3)基于水資源控制的基坑工程地下水回灌控制原則:最大量將原外排地下水回灌至原地層中，同時(shí)確?；觾?nèi)水位控制在安全水位內(nèi)。

(4)基于變形控制為目的的管井回灌應(yīng)以選擇定流量回灌為主，對(duì)于以水資源控制為主的管井回灌應(yīng)以定水頭回灌為主。

(5)目前基坑工程回灌井多布置于淺層承壓水中，其回灌有較多的特殊性，對(duì)于深層回灌井因其含水層頂板埋深深，回灌可在較高壓力條件下進(jìn)行，而淺層承壓水因其水頭高且其含水層頂板埋深淺，其回灌壓力的設(shè)置受到嚴(yán)格的限制。

(6)克服粘土球底部發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞是淺層回灌設(shè)計(jì)的主控因素。通過(guò)案例比較可知，利用裂縫公式計(jì)算極限回灌壓力是相對(duì)符合實(shí)際的，同時(shí)考慮到下填濾料過(guò)程的復(fù)雜性，必須考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，進(jìn)而確立最大安全回灌水頭。

(7)建立了最大安全回灌水頭和最大可回灌量的計(jì)算公式。

(8)基于環(huán)境控制的回灌井其抽灌應(yīng)同步進(jìn)行;基于水資源控制的回灌井應(yīng)在回灌水水質(zhì)滿足回灌要求時(shí)即可啟動(dòng)回灌井回灌。

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