臨江砂卵石地層井群降水試驗及數(shù)值反演研究

馮先導，王金緒，王野

（中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

漢江中游地區(qū)深厚的砂卵石強透水地層與周邊地表水系的聯(lián)系性強，待開挖基坑透水面大，使用周期長，降水難度較大?；又顾桨溉邕x擇不當，極易發(fā)生涌水、管涌等滲透變形破壞[1-3]。因此，充分掌握場地水文地質(zhì)特征，研究砂卵石強透水地層的地下水滲流變化規(guī)律，優(yōu)化深基坑的降水方案，對于深基坑的安全影響深遠[4]。

通過滲流理論與現(xiàn)場實踐相結(jié)合，吳林高等[5]解決了大量基坑開挖涉及的降水問題。針對上海地下水埋深較淺的軟土地層，周念清等[6]以某地鐵站基坑為例，建立地下水滲流模型，通過現(xiàn)場降水試驗反演出相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。侯玉杰等[7]結(jié)合天津濱海地區(qū)復雜軟土層地下水埋深淺、水量豐富等特點，總結(jié)了超大深基坑的降水設計及施工經(jīng)驗。通過建立三維滲流模型來模擬基坑內(nèi)外滲流場，丁智等[8]提出了有效的基坑降水方案。

借鑒上述學者的相關(guān)研究，本文以襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段沉管隧道工程軸線法管節(jié)預制干塢的基坑為例進行降水試驗與數(shù)值模擬，確定降水影響半徑、單井出水量、水位恢復速率等參數(shù)，并利用非穩(wěn)定流分析法與三維滲流數(shù)值模型分別計算臨江富水砂卵石地層的綜合滲透系數(shù)與分層滲透系數(shù)，為基坑降水的設計方案提供參考。

1 工程背景

該地區(qū)補充水系主要為漢江及其支流小清河、唐白河和浩然河。自下游崔家營水庫建成后，工程區(qū)域江面徑流平緩，常年蓄水水位62.73 m，水位變化較小。場地地下水類型主要有上層滯水、第四系孔隙承壓水及第四系孔隙潛水，穩(wěn)定水位埋深 0.1耀6.8 m。

降水試驗場地覆蓋層主要有上層回填土、粉細砂、中砂、圓礫及卵石層，總體透水性好，水量豐富，具有承壓性。前期地質(zhì)勘探參數(shù)見表1。

表1 前期地質(zhì)勘探參數(shù)Table 1 Preliminary geological exploration parameters

2 井群降水試驗

2.1 試驗參數(shù)選取

1）涌水量預測

基坑涌水量按潛水含水層非完整井考慮[9]：

式中：Q為基坑計算涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；H為潛水含水層厚度，m；h為基坑動水位至含水層底板的距離，m，h=H-s0，s0為設計水位降深，m；為平均動水位，m，=（H+h）/2；l為濾管有效工作部分長度，m；R為降水影響半徑，m；r0為基坑等效半徑，F(xiàn)為井點系統(tǒng)的圍合面積。

通過計算，當水位降至要求標高+51 m時，基坑總涌水量約為72 725 m3/d。

2）單井出水量

單井出水能力按下列公式計算：

式中：q憶為管井單井出水能力，m3/d；r為過濾器半徑，m；k為含水層滲透系數(shù)，m/d；l憶為過濾器進水部分長度，m。

理論計算的單井出水量為2 760.7 m3/d，結(jié)合類似地層降水資料及地勘抽水試驗，理論單井出水量取2 400 m3/d。

2.2 試驗場地布置

如圖1所示，本次試驗布置36口降水井（編號JS）、5口水位監(jiān)測井（編號SW），部分降水井兼作觀測井。地面沉降觀測點（編號CJ）與水位觀測井成組布設，以便獲取地面沉降與水位下降之間的關(guān)系。降水井封閉成環(huán)布置，外側(cè)井縱向間距15 m、內(nèi)側(cè)井縱向間距25 m，監(jiān)測點間距60 m。降水井結(jié)構(gòu)詳見圖2。

圖1 降水試驗區(qū)平面布置圖Fig.1 Layout chart of precipitation test area

圖2 降水井結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of dewatering well

2.3 試驗過程及結(jié)果分析

2.3.1 靜止水位

本次抽水試驗中，各階段抽水前均對靜止地下水位進行觀測，水位標高62.73~62.96 m，平均62.80 m。

2.3.2 單井抽水

現(xiàn)場選取JS17作為抽水井，進行單井降深試驗。抽水歷時30 h，平均抽水量約3 210 m3/d，最大降深約0.70 m，見圖3。

圖3 JS17單井抽水試驗Q-t、s-t曲線Fig.3 Q-t and s-t curves of JS17 single well pumping test

抽水3.5 h后，觀測井水位逐步趨于穩(wěn)定。但抽水6~8 h后，開始下暴雨，水位出現(xiàn)線性上漲，至停止抽水時，各觀測井水位漲幅16~20 cm；水位恢復后，較試驗前上漲19~24 cm，充分說明地層透水性好，雨水快速下滲。

2.3.3 井群降水

1）試驗過程

依次開啟18、30、35口降水井，觀測井JS36最終降深9.02 m，未達到要求水位。

因抽水主井內(nèi)動水位較高，還未完全達到單井最大出水能力，因此，將其中12臺額定流量100 m3/h水泵更換為200 m3/h，同時停止抽水進行水位恢復觀測。更換水泵后抽水，水位仍未達到要求的水位標高，井群中心水位較上一次下降約0.1 m，外圍觀測孔水位下降0.5~0.6 m，且仍保持緩慢下降趨勢，見圖4、圖5。更換水泵后，原有23口降水井出水量變小，平均約85 m3/h，而其他12口也僅能達到140 m3/h。

圖4 井群降水觀測s-t曲線Fig.4 s-t curve of well group precipitation

圖5 更換水泵后s-t曲線Fig.5 s-t curve after water pump replacement

2）數(shù)據(jù)分析

淤編號JS井在抽水前期水位迅速下降，反映出地層透水性好；而編號SW井在抽水一段時間后才出現(xiàn)水位下降，說明含水層給水度大，前期以消耗地層靜儲量為主。

于當開啟30口井時，觀測井水位降低到一定深度后出現(xiàn)上漲，離抽水井越近的觀測井，漲幅越明顯，說明抽水過程中地下水獲得新補給源。同時，周邊池塘水位明顯下降，進一步說明地層透水性好，地表水與地下水具有明顯的水力聯(lián)系，地下水位降深越大，地表水入滲越快。更換水泵后，池塘水位下降進一步加快，至停止抽水時池塘底基本暴露。

盂停止抽水后，前期水位恢復較快，后期恢復速率變慢，符合下層砂卵石透水性強與上層粉細砂透水性差的特點。

2.3.4 沉降觀測

本次降水過程中，地面沉降最大值為試驗區(qū)中心CJ01觀測點的0.01 m，隨著距離的增大，SW05沉降值僅為0.004 m，說明降水試驗對周邊建筑物影響較小。

3 水文地質(zhì)參數(shù)計算

非穩(wěn)定流分析法可以充分利用抽水試驗的全部觀測資料，避免個別資料的偶然誤差，在求解地層綜合滲透系數(shù)時效果較好，故選用非穩(wěn)定流分析法計算場地綜合滲透系數(shù)。求解地下水運動問題，可以利用地下水流連續(xù)性方程及其定解條件式來描述地下水的三維非穩(wěn)定滲流規(guī)律。根據(jù)場地地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，建立與之相適應的地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)學模型，用以確定場地分層滲透系數(shù)。

3.1 非穩(wěn)定流分析法計算綜合滲透系數(shù)

將場地概化為巨厚均質(zhì)各向異性潛水含水層，選擇符合條件的Neuman公式，借助Aquifer Test軟件進行分析計算。降水井中水位降深s計算公式如下：

式中：w（uA，uB，茁）為潛水含水層井函數(shù)，uA=r2S/（4Tt）為早期標準曲線，uB=r2Sy/（4Tt）為后期標準曲線，茁=Kvr2/（D2Kh），Kv、Kh為垂直或水平向滲透系數(shù)，S為貯水系數(shù)，Sy為給水度，D為含水層厚度，m；T為導水系數(shù)，T=KD，m2/d。

計算得滲透系數(shù)61.2~67.7 m/d，平均64.5 m/d，給水度0.103~0.265，平均0.204。以JS34、JS36為例，實際降深時間曲線與標準曲線擬合結(jié)果見圖6，除前期少量數(shù)據(jù)點偏離標準曲線外，其余點均接近標準曲線。

圖6 降深-時間曲線與Neuman擬合曲線Fig.6 Drawdown-time curve and Neuman fitting curve

3.2 數(shù)值法計算分層滲透參數(shù)

根據(jù)試驗場地的水文地質(zhì)條件，利用Visual ModFlow軟件，建立地下水三維滲流數(shù)值模型，進行各地層水文地質(zhì)參數(shù)反演和驗證。

1）模型建立

淤水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)場地水文地質(zhì)特征，對其進行概化，建立本工程水文地質(zhì)概念模型。模型自上而下共劃分為3層，漢江直接切割含水層，對含水層進行補給，去魚梁洲四周水體為定水位補給邊界。

于模型網(wǎng)格剖分

采用六面體網(wǎng)格剖分，平面上剖分為227行、291列，共66 057個網(wǎng)格，盡可能保證模型能詳細反映實際工況。

2）數(shù)值反演

根據(jù)試驗資料調(diào)整模型，得到水文地質(zhì)參數(shù)，如表2所示。

表2 水文地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果表Table 2 Inversion results of hydrogeological parameters

3.3 水文地質(zhì)參數(shù)選用

非穩(wěn)定流解析法求得平均綜合滲透系數(shù)為64.5 m/d，該值可用于敞開式基坑降水涌水量預估。單井抽水試驗時，水位降深較小，前期池塘的入滲影響相對較小，計算得到參數(shù)較能反映地層的滲透性能。

數(shù)值法反演得到上部砂層滲透系數(shù)為12 m/d，中間卵石混圓礫的滲透系數(shù)為102.5 m/d，下部圓礫滲透系數(shù)為25.4 m/d。中間卵石混圓礫層的滲透系數(shù)大于下部的圓礫地層，與勘察報告描述的卵石混圓礫層粒徑大，圓礫層粒徑小一致。分層參數(shù)可用于懸掛式止水帷幕條件下的基坑涌水量預測。

4 結(jié)語

1）經(jīng)過降水試驗及數(shù)值分析，得到場地綜合滲透系數(shù)為64.5 m/d，各分層滲透系數(shù)分別為上部砂層12 m/d、中間卵石混圓礫102.5 m/d、下部圓礫25.4 m/d。上述滲透系數(shù)相比前期地勘資料更為準確，可更好地指導基坑降水作業(yè)。

2）單井無干擾抽水時，涌水量約3 210 m3/d，遠大于計算單井出水量2 400 m3/d，且主井水位僅下降約3 m，反映場地所處砂卵石地層富水性強。井群降水時，單純的增大井泵額定流量效果不佳，宜綜合考慮降水井的數(shù)量、間距及過水斷面面積等因素。

3）本次抽水試驗過程中，確定降水影響半徑為700 m，該范圍內(nèi)地面沉降量控制較好，未對周邊地表建筑物造成不利影響。

4）場地自上而下為砂卵石層，且砂層直接出露在地表，池塘的入滲補給量大，預估超過2.3萬m3/d，降雨后水位上升明顯，反映出地表水與地下水之間水力聯(lián)系密切。根據(jù)水位恢復曲線，水位回升1 m約為21 min，考慮水位降深為基坑底標高以下1 m，故后期降水過程中，備用發(fā)電機需保證斷電后20 min內(nèi)及時供電。

5）由于項目基坑開挖深度大、使用周期長，而場地滲透系數(shù)大、地表水入滲快、補給源豐富，強降水風險大，軸線干塢基坑開挖時宜采用落底式止水帷幕形式，盡量減少基坑涌水量，以提高施工可行性，降低施工風險。