基于抽水試驗的基坑降水引起地面沉降的預(yù)測分析①

孫錦劍

(1.上海民防地基勘察院有限公司，上海200237;2.上海城建集團(公司)，上海200122)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，基坑的開挖深度不斷增加，而基坑的降水往往會引起周邊地面的沉降.對于沉降較為敏感的建筑(如地鐵、道路、管線等)，如何有效控制降水引起的沉降將顯得尤為重要.抽水試驗對承壓水控制設(shè)計有以下幾個作用:①獲取水文地質(zhì)參數(shù);②確定降壓井深度和相關(guān)參數(shù);③確定相鄰?fù)翆又g的水力聯(lián)系;④預(yù)估承壓水降水對周邊環(huán)境的影響［1～2］.在工程實踐中，通過抽水試驗得到水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬，確定合理的基坑降水方案，最后通過一維壓縮公式預(yù)估周邊地面的沉降是目前較為常用手段［3～4］.

本文結(jié)合上海地區(qū)某深基坑抽水試驗工程，介紹了通過抽水試驗獲取水文地質(zhì)參數(shù)的方法及所得參數(shù)的合理性;其次，結(jié)合抽水試驗結(jié)果，利用軟件建立滲流計算模型［5］.最后，根據(jù)抽水試驗結(jié)果，設(shè)計了基坑降水方案，對基坑降水引起的基坑內(nèi)外地下水位變化進行了模擬預(yù)測.

1 工程概況

本基坑位于上海市徐匯區(qū)，西側(cè)臨近某地鐵車站，基坑開挖地面積約2.2 萬平方米，開挖深度16.3m.根據(jù)勘察報告提供的水文地質(zhì)條件，場地深層第⑤3－2層透水性較強，尚不能確定是否為微承壓水.若該層為微承壓水，則根據(jù)上?；庸こ桃?guī)范，第⑤3－2層按照高水位埋深3.0m 及勘察期間實測最高水位4.50m 分別計算，抗突涌安全系數(shù)小于1.05，存在突涌可能性.故抽水試驗的主要目的在于查明第⑤3－2層的水力連通性、導(dǎo)水系數(shù)、彈性釋水系數(shù)等相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)以及與下層第⑦1層承壓水的水力連通性.

2 單井抽水試驗參數(shù)計算分析

2.1 單井抽水試驗資料

在該地塊第⑤3－2層和⑦1層進行了多孔非穩(wěn)定流單井抽水試驗，抽水井和觀測井參數(shù)如表1 所示.⑤3－2層觀測井G01 距離⑤3－2層抽水井C01 為10m，⑤3－2層觀測井G02 距離⑤3－2層抽水井C01 為5m.⑦1層觀測井G03 距離抽水井C02 為5m，觀測井G04 距離抽水井C02 為10m.C01 抽水期間穩(wěn)定出水量1.5m3/h，C02 抽水期間穩(wěn)定出水量3.5m3/h.⑤3－2層厚度為13.5m，⑦1 層厚度為9.7m.

表1 單井抽水試驗工作量表

注:表中C 表示抽水井，G 表示觀測井

單井試驗每個抽水井抽水時間為24 小時，水位恢復(fù)時間為24 小時.單井抽水期間觀測井水位降深與時間的關(guān)系如圖1 ～4 所示.

圖1 G01 觀測井水位降深變化曲線

圖2 G02 觀測井水位降深變化曲線

圖3 G03 觀測井水位降深變化曲線

圖4 G04 觀測井水位降深曲線

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)求參

本文根據(jù)單井試驗資料，采用非穩(wěn)定流求參方法，應(yīng)用單井試驗分析軟件進行計算.根據(jù)試驗場區(qū)的補給、排泄邊界條件、地下水類型、試驗井的性質(zhì)、布井方式等一系列水文地質(zhì)條件，結(jié)合規(guī)范中有關(guān)計算公式的適用條件，水文地質(zhì)參數(shù)計算采用定流量、承壓含水層非穩(wěn)定流的Hantush－Jacob 方法.

根據(jù)觀測井G01 計算得到，導(dǎo)水系數(shù)S=1.24×10－1cm2/s，滲透系數(shù)C=9.07×10－5cm/s，貯水系數(shù)T=4.13×10－3;根據(jù)觀測井G02 計算得到導(dǎo)水系數(shù)S=1.87×10－1cm2/s，滲透系數(shù)C=1.36×10－4cm/s，貯水系數(shù)T=2.55×10－3;

根據(jù)觀測井G03 計算得到導(dǎo)水系數(shù)S=4.81×10－1cm2/s，滲透系數(shù)C=4.96×10－4cm/s，貯水系數(shù)T=1.66×10－3;根據(jù)觀測井G04 計算得到導(dǎo)水系數(shù)S=6.79×10－1cm2/s，滲透系數(shù)C=7.00×10－4cm/s，貯水系數(shù)T=6.53×10－3.

3 群井抽水試驗參數(shù)計算分析

3.1 群井抽水試驗資料

本次群井試驗主要針對⑤3－2層，共設(shè)置了4個抽水井，6 口觀測井(⑤3－2和⑦1層各3 口).井管的平面布置圖如圖5 所示.各抽水井和觀測井的孔深及濾管長度如表2 所示，G01 ～G05 參數(shù)已在單井試驗中闡述.

表2 群井抽水試驗工作量表

圖5 群井平面布置圖

3.2 群井抽水試驗成果

群井抽水共歷時約250 個小時，其中C03 號井平均出水量約1.54m3/h，C04 號井平均出水量約0.62m3/h，C05 號井平均出水量約0.79m3/h，C06號井平均出水量0.45m3/h.抽水期間各觀測井水位的變化曲線如圖所示.

圖6 G01 觀測井水位降深變化曲線

圖7 G02 觀測井水位降深變化曲線

圖8 C01 觀測井水位降深變化曲線

圖9 G03 觀測井水位降深變化曲線

圖10 G04 觀測井水位降深變化曲線

圖11 G05 觀測井水位降深變化曲線

圖12 C01 降深實測值與模擬值對比曲線

由圖6 ～8 可知，隨著抽水的進行，⑤3－2層水位迅速降低，最后趨于穩(wěn)定;停止抽水后，水位恢復(fù)至一定值，最后逐漸恢復(fù)至初始值.由圖9 ～11 可知，⑦1層水位變化較小，這說明⑤3－2層和⑦1層之間水力聯(lián)系較弱.|

3.3 三維數(shù)值模擬反演分析

根據(jù)群井抽水試驗結(jié)果，對抽水井的實測資料進行整理，在三維計算模型中設(shè)置抽水井和觀測井，將抽水井涌水量代入三維數(shù)值模型中，進行群井抽水試驗的數(shù)值模擬.對比降深計算值和實測值的變化情況，不斷調(diào)整并優(yōu)化相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，使兩者最大限度的吻合，從而得到合理的水文地質(zhì)參數(shù).

圖13 G01 降深實測值與模擬值對比曲線

圖14 G03 降深實測值與模擬值對比曲線

圖15 G04 降深實測值與模擬值對比曲線

圖16 G05 降深實測值與模擬值對比曲線

圖12 ～16 為群井抽水試驗水頭降深模擬值和實測值的對比曲線，可以發(fā)現(xiàn)，模擬值和實測值基本一致，兩者的偏差較小，滿足工程精度要求.此時的水文地質(zhì)參數(shù)如表3 所示.通過對比前文單井試驗得到的水文地質(zhì)參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)反演得到的水文地質(zhì)參數(shù)與單井抽水試驗得到的水文地質(zhì)參數(shù)基本一致.

表3 群井抽水模型參數(shù)表

4 地面沉降預(yù)測

4.1 沉降計算方法

本文采用三維有限元軟件預(yù)測該地塊基坑降水引起的周邊地面沉降問題.沉降預(yù)測基本思路如下:a.根據(jù)前文單井和群井試驗計算得到的水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合勘察報告建立合理的三維滲流計算模型;b.結(jié)合群井抽水試驗成果及相關(guān)經(jīng)驗，布置合理的基坑降水方案;c.通過軟件模擬得到基坑降水引起的水位變化;d.采用一維沉降計算公式計算得到相應(yīng)的地面沉降.

本文基于有效應(yīng)力原理的一維壓縮公式計算地面沉降，計算公式如下［6～7］:

式中:ξ 為為經(jīng)驗系數(shù);αv為壓縮系數(shù);γw為水體重度;dHi為第i 層土體水頭變化量;S0i為第i 層土體初始高度;e0為初始孔隙比

圖17 方案一懸掛止水帷幕3m 地表沉降預(yù)測等值線(單位:mm)

圖18 方案二懸掛止水帷幕5m 地表沉降預(yù)測等值線(單位:mm)

圖19 方案三懸掛止水帷幕8m 地表沉降預(yù)測等值線(單位:mm)

4.2 模型的建立

本文根據(jù)抽水試驗成果以及基坑降水經(jīng)驗，對該地塊布置了3 種降水方案.

數(shù)值模擬采用抽水試驗期間實測的⑤3－2層最高承壓水水頭埋深4.00m 進行計算.根據(jù)目前的圍護設(shè)計方案，考慮止水帷幕對滲流的影響，利用抽水試驗所建立的地下水模型，結(jié)合含水層分布、止水帷幕和抽水試驗井的結(jié)構(gòu)，在基坑內(nèi)布設(shè)濾管長度為6.0m，深度為41m 的減壓降水井.基坑止水帷幕分別按43m、45m 和48m 三種方案進行減壓降水計算.根據(jù)基坑止水帷幕長度的不同，降壓井?dāng)?shù)量分布為65 口，43 口，32 口.預(yù)測基坑抽水120 天引起的周邊地面沉降.

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果

隨著地墻隔水段的加深，基坑降水對周邊環(huán)境的影響逐漸減小，三種方案下沉降預(yù)測計算結(jié)果以及降水工作量如下表4 所示.沉降等值線如圖17～19 所示.

表4 沉降預(yù)測計算結(jié)果以及降水工作量

由圖17 ～19 可知，止水帷幕越長，基坑降水引起的周邊地面沉降越小，這是由于止水帷幕越長，承壓水的滲流路徑越長，基坑周邊的水位下降也就越小.

5 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了通過抽水試驗獲取水文地質(zhì)參數(shù)的方法;利用三維數(shù)值計算程序?qū)咏邓鸬牡叵滤蛔兓M行了合理的模擬預(yù)測，并通過一維壓縮公式預(yù)測周邊地面沉降，可以得到如下結(jié)論:

(1)通過單井和群井抽水試驗均能得到較為準(zhǔn)確的水位地質(zhì)參數(shù).

(2)三維滲流計算模型能較好的預(yù)測基坑降水引起的地下水文變化.

(3)模擬得到的地面沉降值符合工程實際，能為同類工程的承壓水降壓控制設(shè)計提供參考和指導(dǎo).

(4)本文計算沉降采用的一維壓縮公式，雖能進行地面沉降的預(yù)測，但該公式較為簡單，為考慮的因素較多，部分參數(shù)的取值較難做到準(zhǔn)確，因此該公式有待進一步修正.

［1］ 李進軍，王衛(wèi)東.受承壓水影響的深基坑工程中的群井抽水試驗［J］.土地下空間與工程學(xué)報，2010，6(3):460－466.

［2］ 徐耀德，童利紅.利用Modflow 預(yù)測某基坑降水引起的地面沉降［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004，6(1):96－98.

［3］ 黃林海，汪光福.上海某基坑降水環(huán)境影響評價研究［J］.建筑監(jiān)督檢測與造價，2010，3(5):5－8.

［4］ 孫訥正.地下水流的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法［M］.北京:地質(zhì)出版社，1981，25－51.

［5］ 賈振興，魏放，侯燕軍，等.Visual－Modflow 在臨汾市土門供水水源地保護區(qū)劃分中的應(yīng)用［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2007，38(2)119－121.

［6］ 供水水文地質(zhì)手冊［M］.北京:北京地質(zhì)出版社，1996.

［7］ B50021－2012，巖土工程勘察規(guī)范［S］.