錢塘江潮汐作用下地層降水試驗(yàn)研究

摘 要：本文以杭州市望江路過江隧道項(xiàng)目降水試驗(yàn)為依托，對(duì)錢塘江潮汐作用下，復(fù)雜地層承壓水降水參數(shù)以及地層滲透系數(shù)進(jìn)行研究，對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)反演，對(duì)下一步深基坑降水施工進(jìn)行實(shí)際指導(dǎo)。該工程基坑降水井單井出水量大，周邊環(huán)境復(fù)雜敏感，通過抽水試驗(yàn)?zāi)軐?shí)測含水層的初始水位，測定單井實(shí)際涌水量，確定地層相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)，判斷降水設(shè)計(jì)方案的合理性，且該段地下水水位受季節(jié)性及潮汐影響較大，通過降水試驗(yàn)對(duì)杭州該地層地下水情況進(jìn)行歸納總結(jié)。

關(guān)鍵詞：降水；潮汐；參數(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.213

1 研究概況

望江路過江通道工程位于杭州市錢江三橋上游約1.5km處，由北岸秋濤路起，沿望江路，穿越錢塘江，至南岸江暉路，終于江南大道，銜接上城區(qū)與濱江區(qū)，隧道全長3586.566m，其中盾構(gòu)隧道段長度1837m。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)井離錢塘江邊約200m，地下水受錢塘江水影響，受潮汐作用較大。

根據(jù)勘探揭露地基土的成因時(shí)代、巖性、埋藏分布特征、物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合原位測試，可將勘探深度內(nèi)地基土劃分為10個(gè)工程地質(zhì)層，共28個(gè)亞層和5個(gè)夾層。具體分層見表1-2，典型工程地質(zhì)剖面見圖1-1。

試驗(yàn)工作量布置。

試驗(yàn)井布置。在工作井南側(cè)施工1口降壓井，井號(hào)為S1，另利用設(shè)計(jì)方案中工作井南側(cè)的兩口坑外承壓觀測井，井號(hào)為GY2～GY3，設(shè)計(jì)井深均為42m。具體試驗(yàn)井平面布置及井結(jié)構(gòu)見圖1-2。本次試驗(yàn)期間，將同步觀測地表沉降變化。

2 抽水試驗(yàn)成果分析

2.1 試驗(yàn)流程

為完成試驗(yàn)?zāi)康?，本次抽水試?yàn)分別進(jìn)行2組單井試驗(yàn)及1組群井試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中進(jìn)行了水位觀測和第三方沉降監(jiān)測，通過水位降深-時(shí)間曲線及單井出水量等，確定含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。

具體試驗(yàn)流程如表2-1所示。

2.2 初始水位測定

根據(jù)勘察報(bào)告可知，承壓含水層（⑧3粉砂、?1粉砂）初始水位標(biāo)高為-0.45m。根據(jù)觀測，承壓水位由于受潮汐影響，在試驗(yàn)期間有一定的變化，各井最大變化幅度約0.70m～1.02m，本次在10月15號(hào)潮汐前后進(jìn)行水位觀測，觀測結(jié)果曲線見圖2-1。

各試驗(yàn)井初始水位觀測數(shù)據(jù)如表2-2所示。

2.3 單井抽水試驗(yàn)

GY2、S1井深為42m，濾管深度35～41m（位于⑧3粉砂、?1粉砂中），持續(xù)抽水3d。采用50m揚(yáng)程額定流量為25m3/h的潛水泵，參考GY2水表讀數(shù)時(shí)，單井平均出水量為20.7m3/h。S1抽水持續(xù)抽水48h后停抽恢復(fù)至水位相對(duì)穩(wěn)定，采用55m揚(yáng)程，額定流量為50m3/h的潛水泵，單井出水量平均約為39.4m3/h。

試驗(yàn)期間同步對(duì)各試驗(yàn)井進(jìn)行水位觀測，穩(wěn)定后最大水位降深值見表2-3、2-4。

2.4 兩井抽水試驗(yàn)

S1、GY2兩井深均為42m，35～41m（位于⑧3粉砂、?1粉砂中），開啟2口井進(jìn)行抽水，持續(xù)抽水24h后停抽恢復(fù)，由于交叉作業(yè)占用場地，恢復(fù)時(shí)間為1h。抽水期間，GY2采用額定流量為25 m3/h的潛水泵，S1采用額定流量為50 m3/h的潛水泵，單井平均出水量GY2為17.5m3/h，S1為33.2m3/h。

試驗(yàn)期間同步對(duì)各試驗(yàn)井進(jìn)行水位觀測。各試驗(yàn)井內(nèi)水位降深變化情況如圖2-2，最大水位降深值見表2-5。

由圖表可知：（1）當(dāng)以兩井形式抽汲承壓水時(shí)，距抽水井12.05～19.20m距離處的GY3觀測井處水位降深為3.38m。（2）停抽后對(duì)觀測井的水位恢復(fù)速率進(jìn)行了觀測，兩井停抽后觀測井GY3水位恢復(fù)較快，停抽10min后，水位恢復(fù)了80.5%。

3 試驗(yàn)區(qū)地下水三維非穩(wěn)定流數(shù)值模擬

3.1 地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)本工程的承壓含水層的特性，以及邊界情況，在計(jì)算時(shí)采用如下地下水滲流三維數(shù)學(xué)模型。以試驗(yàn)區(qū)為中心，邊界布置在抽水井影響半徑以外。本次建模范圍為1600m×1600m。

（1）含水層的結(jié)構(gòu)特征及模型網(wǎng)格剖分。本次數(shù)值模擬計(jì)算采用含水層三維模型，其網(wǎng)格剖分情況見圖3-1。

（2）水力特征。地下水滲流系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律；含水層分布廣、厚度大，在常溫常壓下地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律；考慮淺、深層之間的流量交換以及滲流特點(diǎn)，地下水運(yùn)動(dòng)可概化成空間三維流；地下水系統(tǒng)的垂向運(yùn)動(dòng)主要是層間的越流，三維立體結(jié)構(gòu)模型可以很好地解決越流問題；地下水系統(tǒng)的輸入、輸出隨時(shí)間、空間變化，參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性，但沒有明顯的方向性，所以參數(shù)概化成水平向各向同性。

綜上所述，模擬區(qū)可概化成非均質(zhì)水平向各向同性的三維非穩(wěn)定地下水滲流系統(tǒng)。模擬區(qū)水文地質(zhì)滲流系統(tǒng)通過概化、單元剖分，即可形成為地下水三維非穩(wěn)定滲流模型。

（3）模擬期及應(yīng)力期確定。數(shù)值模擬的模擬期和相應(yīng)計(jì)算周期示試驗(yàn)不同而設(shè)定不同值，在每個(gè)計(jì)算周期中，所有外部源匯項(xiàng)的強(qiáng)度保持不變。

（4）源匯項(xiàng)處理方式。① 試驗(yàn)井處理。在《Visual Modflow》中，抽水井可以設(shè)置過濾器長度、出水量等參數(shù)，與實(shí)際數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)對(duì)比性。抽水井、觀測井設(shè)置如圖3-2和3-3所示。② 邊界條件處理。在本次抽水試驗(yàn)區(qū)較小，且抽水時(shí)間短，故可將模型邊界定義為定水頭邊界，水位不變。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)反演

以S1單井抽水為模擬原型，以GY2及GY3觀測井水位數(shù)據(jù)為擬合基準(zhǔn)。通過對(duì)觀測井的實(shí)測數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定承壓含水層的綜合水力參數(shù)，并判定模型計(jì)算參數(shù)的有效性和合理性。水文地質(zhì)參數(shù)取值如表3-1所示，擬合結(jié)果如圖3-4、3-5所示。 從觀測井計(jì)算水位與實(shí)測水位對(duì)比圖可以看出，吻合良好，該模型可作為模擬預(yù)測基坑降水的依據(jù)。

從擬合情況來看，該參數(shù)組合下觀測井內(nèi)水位計(jì)算值與觀測值水位擬合情況良好。該參數(shù)組合下觀測井內(nèi)水位計(jì)算值與觀測值相關(guān)系數(shù)為0.99。說明調(diào)整后的數(shù)值模型可作為模擬預(yù)測基坑降水的依據(jù)。

根據(jù)以上反演結(jié)果，綜合后，參數(shù)取S1單井?dāng)M合的結(jié)果，其相關(guān)土層主要水文地質(zhì)參數(shù)如表3-2所示。

4 結(jié)論

（1）通過降水參數(shù)分析，本次抽水試驗(yàn)各含水層參數(shù)如表4-1所示。

根據(jù)勘察報(bào)告可知，勘察期間觀測承壓水初始水位標(biāo)高取-0.45m（觀測時(shí)間2015年5月）。說明現(xiàn)階段場區(qū)內(nèi)的微承壓水位埋深較勘察期間有大幅的抬升，后期應(yīng)密切關(guān)注微承壓水位的動(dòng)態(tài)變化。另外，通過對(duì)比試驗(yàn)前和試驗(yàn)過程中最高水位，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)期間承壓水水位變化較大，試驗(yàn)期間各井水位最大變化量0.70m～1.02m。主要原因是與錢塘江水域存在補(bǔ)給關(guān)系，在后續(xù)基坑降水施工中要密切關(guān)注錢塘江水位變化。

（2）本次抽水試驗(yàn)開始前（觀測時(shí)間2016年10月）及試驗(yàn)24h恢復(fù)過程中，觀測得承壓水（⑧3粉砂、?1粉砂）初始水位標(biāo)高為+0.38m～+0.69m。

（3）單井采用額定流量為50m?/d的潛水泵抽水時(shí)，單井流量約為39m?/d，出水量較大，后期盾構(gòu)進(jìn)出洞處降水用水泵可采用大于等于50m?/d的抽水泵進(jìn)行抽水。

（4）根據(jù)恢復(fù)試驗(yàn)情況，承壓水恢復(fù)速度很快，停抽10分鐘水位恢復(fù)83%左右。

（5）單抽及恢復(fù)試驗(yàn)期間，地表沉降呈現(xiàn)明顯的下降及回彈現(xiàn)象，但地表沉降變化滯后于抽水變化。單抽及恢復(fù)試驗(yàn)期間，最大累計(jì)沉降量為1.5mm。

本次降水試驗(yàn)結(jié)果以及理論分析是基于杭州典型場區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件下的，代表錢塘江兩岸地區(qū)區(qū)典型地層特性和含水層特征，為后期基坑工程提供參考，也為錢塘江潮汐作用下杭州區(qū)域該地層的參數(shù)取值進(jìn)行參考。

參閱文獻(xiàn)：

[1]丁智，程圍峰，胡增燕.杭州地鐵人民廣場站深基坑降水研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2014（01）.

[2]王華偉.地鐵車站施工降水研究[J].山西建筑，2009，（10）.

[3]劉熙明，傅敏寧，鄒海波.湖泊對(duì)降水的影響研究回顧[J].氣象與減災(zāi)研究，2012，35（01）：1-6.

[4]江科.建筑深基坑降水方案研究[J].山西建筑，2010（15）.

作者簡介：房中玉（1986-），男，安徽廬江人，碩士，工程師，中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司杭州望江路過江隧道項(xiàng)目總工程師。