深基坑多層承壓含水層中混合井降水技術優(yōu)化研究

張哲斐，馮曉臘,2，蔡兵華，陳 帥，劉旭陽

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢豐達地質工程有限公司， 湖北 武漢 430074；3.武漢市政建設集團有限公司，湖北 武漢 430074)

承壓含水層水頭高、水量大、補給迅速，尤其對于深基坑多層含水系統(tǒng)地下水控制問題，若盲目采用降水措施，由此誘發(fā)的地面沉降以及對周邊環(huán)境的影響問題是不容忽視的。因此，常采用降低承壓水水位的方式來控制承壓水對基坑工程的不利影響。

目前，針對深基坑地下水控制方法已有大量的研究。如程蕓等以武漢長江隧道基坑為例，利用正交試驗和數值模擬方法分析了存在止水帷幕情況下地下水滲流場特點和黏土層釋水固結特征；馬鄖等以富水復雜環(huán)境地質條件下的深基坑為例，提出布設在下部強透水層中的降水井深度要適當，并非其越深降水效果越好；陳崇希建立了地下水定流量降水井抽水的穩(wěn)定混合井流和不穩(wěn)定混合井流兩種模型，對比Hantush、Neuman關于混合觀測孔水位建議方程所需要的條件，研究得出混合抽水井各層流量的分配與各層的導水系數成正比；Ai等針對滲透各向異性層狀地層中的點源抽水問題進行了求解分析，重點分析了滲透各向異性地層對孔壓的影響；Barzegar等通過對伊朗大不里士平原水文地質條件的調查，發(fā)現(xiàn)平原中部存在無限含水層和承壓含水層，而靠近高地地區(qū)只有無限含水層，且承壓含水層存在輕微滲漏；曹洪等以沙金煊提出的承壓非完整井中濾管頂或底位于含水層中的理論推導為基礎，假設上下部滲流場中深井濾管長度與其含水層厚度的比值相等，得到適用于濾管頂、底均不在含水層層面的承壓非完整井的近似計算方法；王軍輝等以北京地區(qū)為例，通過建立滲流-壓縮耦合數學模型，提出采用主控含水層來確定耦合模型下邊界的新方法；李佐春等以太原地鐵2號線某站采集水樣測得的含砂量數據為基礎，從濾網類型、濾料、井管和降水井實時出水量等方面分析了管井降水中出水含砂量的影響因素；Zhao等通過對多層含水層中14個抽水試驗數據聯(lián)合反演水文地質參數，將估計的含水層滲透系數

K

和儲水率

S

參數用于另一種泵送測試的正向仿真系統(tǒng)，從而合理計算出含水層的水文地質參數。

綜上所述，國內外對深基坑地下水控制方法已有大量的研究，但由于工程特點不一，降水方案也不相同，應進一步圍繞降水管井進行深入研究。

本文基于荊州市某深基坑工程現(xiàn)場試驗數據，采用理論計算與數值模擬相結合的方法，通過改進“降水井濾管”在兩層承壓含水層中的數量、長度以及分布位置，提出兩層間“最優(yōu)濾管比”以研究坑內降水的最優(yōu)方案，為類似復雜水文地質條件下深基坑降水提供針對性、目的性更強的參考依據。

1 工程實例分析

1.1 工程概況

某深基坑為荊州市修建某翻車機房所需基坑，場區(qū)全部位于陸域，地形較平坦，高程多在30 m左右，地表以農田為主，場區(qū)東側60 m以外為已建成的鐵路橋墩，其余區(qū)段外圍100 m范圍內無重要建(構)筑物，均為空地，臨近荊江河岸北段。基坑周長為316 m，面積約為5 587.25 m，南北兩側基坑面積相當。基坑北側區(qū)開挖深度較大，約為26.2 m；基坑南側區(qū)開挖深度略小，約為19 m。該基坑平面布置如圖1所示。

圖1 某基坑平面示意圖Fig.1 Schematic plan of a foundation pit

1.2 工程地質及水文地質條件

表1 某基坑土層分布及相關參數

擬建場地地下水類型主要為賦存于上部土層中的孔隙潛水以及中、下部砂性土組、卵礫石組中的承壓水，即分別對應構成第一、二承壓含水層。

孔隙潛水賦存于地表以下黏性土組覆蓋層中，該類土孔隙度較小，滲透性較差，水量隨季節(jié)變化，其主要接受大氣降水補給，其次為下部富水層補給，排泄方式主要為蒸發(fā)，勘探期間測得孔隙潛水的水位為29.6～30.8 m。

弱承壓水賦存于黏性土組覆蓋層以下的地層中，主要的富水層為砂類土層及卵礫石層，該類土孔隙度較大，滲透性較好，水量隨季節(jié)變化明顯，其主要接受遠源大氣降水的側向徑流補給和長江水的側向補給，向相鄰含水層徑流排泄，其次為人工抽水排泄,勘探期間測得孔隙承壓水水位約為27.9～29.5 m。對該基坑開挖影響較大的地層涉及④、⑤粉細砂和⑥卵石層，勘探鉆孔未揭露卵石層厚度，因此控制地下水成為基坑開挖的關鍵。

1.3 基坑承壓水控制方案

1.3.1 單井試驗

為了獲取場區(qū)有效水文地質參數，分別在砂土層和卵石層中布置水文觀測孔，其中砂土層試驗采用1個抽水孔和3個觀測孔，選取孔深范圍為14.0～30.0 m作為抽水試驗段；卵石層試驗采用1個抽水井、2個觀測井，選取孔深范圍為30.0～35.0 m作為抽水試驗段。抽水井為承壓非完整井結構，累計抽水時間約為30 h，流量采取由小到大先后進行3次穩(wěn)定流抽水試驗，其試驗結果見圖2。

圖2 單井試驗Q-t變化曲線Fig.2 Cumulative pumping Q-t versus time curves of single well test

由圖2可見，第一承壓含水層累計單井抽水量≤1 400 m/d，第二承壓含水層累計單井抽水量≤1 100 m/d，抽水約100 min時承壓含水層水位基本穩(wěn)定。

場區(qū)水文地質參數依照《水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程》(SL 320—2005)，承壓含水層穩(wěn)定流非完整井滲透系數

K

及影響半徑

R

的計算結果如下：第一承壓含水層：

K

=1.6×10cm/s，

R

=95.3 m；第二承壓含水層：

K

=2.5×10cm/s，

R

=150.9 m。

1.3.2 基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗算

為了防止高水頭承壓水由最不利點突涌從而造成基坑危害，根據《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ 120—2012)中附錄C.0.1，對該基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性進行驗算，其計算公式如下：

D

·

γ

≥

F

·

h

·

γ

(1)

式中：

γ

為坑底隔水土層平均重度(kN/m)；

D

為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度(m)；

F

為基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定安全系數(取值為1.10)；

h

為承壓水高度(m)；

γ

為水的重度(kN/m)。以北側深坑抗承壓水突涌穩(wěn)定安全系數計算為例，第⑥層承壓含水層頂標高為0.43 m，承壓水頭標高為29.5 m，坑底標高為4.2 m，

γ

取19.0 kN/m，按壓力不平衡法，不采取降壓措施時，北側深坑抗承壓水突涌穩(wěn)定安全系數為0.25(<1.10)。同理，計算得到南側淺坑抗承壓水突涌穩(wěn)定安全系數為0.73。即基坑整體的承壓水壓力遠大于土壓力，故需采取措施降低承壓水頭。

1.3.3 初步降水方案

針對基坑開挖深度涉及到的上、中、下含水層的補、徑、排特征，提出的基坑地下水控制方案為：側壁隔水帷幕+深井降水。

本基坑工程按照“封閉止水，按需降水”的原則，淺坑初步布置14口降水井(含2口備用降水井BG1、BG2)，其余12口井編號為J1-(J～J)，井深為27～35 m， 濾管長為6～14 m； 深坑初步布置17口降水井(含3口備用降水井BG3、BG4、BG5)，其余井的編號為J2-(J～J)，井深為38～40 m，濾管長為9～21 m。降水井與地層剖面相對位置關系見圖3，圖中(1)、(2)為深坑區(qū)降水井抽取卵石層中地下水，(3)、(4)為淺坑區(qū)降水井抽取砂土層中的地下水。

圖3 降水井與地層剖面相對位置關系Fig.3 Relative position relationship between precipitation wells and stratigraphic sections

1.4 群井試驗

為了驗證實際降水效果，開展了深淺坑群井試驗，降水井平面布置如圖4所示。

圖4 降水井平面布置圖Fig.4 Layout of precipitation wells 注：藍色標記(×)為暫時未抽水井，其余均為抽水井

試驗前測得場區(qū)內孔隙承壓水水位為26.9～27.8 m。整個試驗選取20口井開啟抽水，抽水井泵量為32～80 t/h，輪流選擇1口井作為觀測井。根據《基坑降水手冊》，當最遠觀測孔水位波動值<2～3 cm時即達到穩(wěn)定，本次試驗觀測井水位在停抽2 h后穩(wěn)定，再開啟本口觀測井同時停抽下一口待測觀測井，逐一循環(huán)完成深坑內所有井的靜止水位觀測，抽水累計時間約38 h。群井試驗結果見表2。

表2 群井試驗結果匯總

群井試驗中，抽水可以有效降低承壓水頭，淺坑采用32 t/h小泵抽水，降水目標層為粉砂層，輪流觀測觀測井J1-水位變化，其水位有較靈敏的變化，基本滿足淺坑坑底開挖要求(基底標高為11.4 m)；深坑采用80 t/h大泵抽水，降水目標層為卵石層，輪流觀測觀測井J2-水位變化，其水位變化幅度較小，較淺坑的降水效果差，而深、淺坑間面積僅差252.75 m，坑內、外降水均存在差異，說明卵石層補給水量大。

基于以上分析，初步方案未能實現(xiàn)承壓水水位降至基底以下安全范圍，后續(xù)將對其進一步優(yōu)化，以達到最優(yōu)降水效果。

2 多層承壓含水層降水優(yōu)化研究

為了研究最適宜本基坑工程深井結構的優(yōu)化值，本次采用承壓非完整井理論并結合數值模擬軟件Visual Modflow，針對承壓不完整井濾管結構參數(濾管數量、長度、位置)的設定進行討論，分析多種濾管結構的優(yōu)化結果，提出適宜本基坑工程深井結構的建議。

2.1 承壓非完整井理論基礎

沙金煊提出將滲流場以假想的虛線分開，分為上、下部滲流場，求得流線長度加權平均，運用井附近的局部抗阻概念，將不完整井的軸向滲流場以

r

+

ξT

為界，分為內圈急變區(qū)和外圈緩變區(qū)兩個滲流場(見圖5)，運用流量連續(xù)原理得到井流量的計算公式如下：

(2)

(3)

式中：

Q

為井流量(m/d)；

K

為土層滲透系數(m/d)；

h

、

H

分別為井口、井軸

R

處的水頭(m)；

f

為不完整井附近流線急劇彎曲產生的附加阻力；

s

為濾管長度(m)；

T

為透水層非濾管部分的厚度(m)。

圖5 濾管頂位于含水層層面的計算模型Fig.5 Calculation model of the filter tube at the aquifer level

若采用普通井可使用上述計算模型，但本基坑工程為多層含水層，也可采用混合井雙濾管結構，同樣分上、下滲流場，可參考曹洪等的做法采用等比例分配法進行改進，將該計算模型進行簡化(見圖6)，假設上下兩層滲流路徑相同、井濾管長度與其含水層厚度比值相等、不考慮越流等復雜情況，從而得到兩個附加阻力并求得井流量，具體計算公式如下：

s

/

T

=

s

/

T

=

s

/

T

=

a

(4)

(5)

井的總流量為上、下部滲流場井流量之和：

Q

=

Q

+

Q

(6)

根據上述方程，若

T

、

T

、

H

、

h

、

R

、

R

、

r

、

K

、

K

已知，當控制混合井雙濾管總長度為

s

時，含水層上部濾管長度為

s

，則含水層下部濾管長度

s

=

s

-

s

。結合多層含水層水文地質條件，因上部含水層濾管長度

s

未知，故本次借助數值模擬軟件進行解析解的計算。

圖6 本算例計算模型Fig.6 Calculation model for this study

2.2 承壓非完整井數值模擬

根據本基坑工程特點，對計算模型作出如下假設:

(1) 土層滲透系數為某一定值，且各向同性；

(2) 土層中地下水滲流運動遵循達西定律。

地下水滲流模擬中的影響半徑

R

=150.9 m，水平方向有限元計算域以基坑的東、西、南、北最遠邊界為起點，各向外擴展200 m，即計算區(qū)域設為600 m×500 m。為了保證計算精度，對基坑內管井密布區(qū)進行網格細化，每個單元的水平尺寸為2 m×2 m，隨著計算范圍與基坑距離的增加，逐漸放寬單元格，見圖7。

圖7 計算模型三維示意圖Fig.7 3D model of the calculation model

由于場地范圍相對較小，地層起伏變化對模擬結果的影響較小，故為了節(jié)約建模及計算時間，將各土層概化為等厚度。根據模型取地面標高為30.5 m，從上到下將各土層概化為5個地層，經驗證每層地層參數見表3，利用該模型能夠較好地擬合現(xiàn)場觀測井水位降深數據(見圖8)，基本符合實際情況，便于進一步優(yōu)化。

表3 地層數值模擬參數表

圖8 觀測井水位降深-時間擬合曲線Fig.8 Fitted curve of the water level drawdown of the observation well with time

為了克服由于邊界的不確定性給計算結果帶來的隨意性，設置的定水頭邊界應遠離源匯項，模型四周按定水頭邊界處理；初始水頭第一、二承壓含水層相同，設為地下-1 m(絕對標高為29.5 m)；止水帷幕采用墻邊界(WALL)進行模擬，厚度設置為1 m，插入深度為28 m，滲透系數設置為1×10cm/s；深井27口，每口井設定抽水泵量為80 t/h，單井出水量為1 920 m/d。

2.3 混合井雙濾管結構深井濾管數量的優(yōu)化

本次對比了普通井單濾管和混合井雙濾管的降水效果，以深坑為例，控制濾管總長度為21 m。普通井單濾管[標高為10～-11 m，見圖9(a)]由第一承壓含水層貫穿隔水層至第二承壓含水層中，即構成“實管+濾管”的常規(guī)結構；另外一種結構為從地面向下交替布設實管與濾管，將降水井設計成集“疏干、減壓”功能為一體的混合井，即開挖淺部土層時混合井起疏干作用，開挖中部及深部土層時起減壓作用[見圖9(b)]，混合井雙濾管貫穿第一承壓含水層10 m(標高18.5～8.5 m)、第二承壓含水層11 m(標高為1.5～-9.5 m)。

圖9 濾管結構示意圖Fig.9 Schematic diagram of the filter structure

同時開啟雙濾管混合井和單濾管普通井雙模型，每口井設定抽水泵量為80 t/h，開啟所有降水井，抽水天數設定為1 d、5 d、10 d、20 d，對比了抽水10 d、20 d后混合井和普通井第二承壓含水層水位降深結果，見圖10和圖11。

圖10 混合井第二承壓含水層水位降深云圖Fig.10 Cloud chart of drawdown of the mixed well in the second confined aquifer

圖11 普通井第二承壓含水層水位降深云圖Fig.11 Cloud chart of drawdown of the ordinary well in the second confined aquifer

由圖10和圖11可見，普通井單濾管結構坑內水位降深均小于混合井雙濾管結構，普通井抽水10 d的水位降深最大為22.6 m，此時承壓水頭為6.9 m，高于基底開挖4.2 m，不滿足深坑開挖要求；混合井承壓水頭達27.4 m，滿足深坑開挖要求，故針對本基坑工程建議選用混合井雙濾管結構。分析如下：當降水井不抽水時，上層滯水可緩慢滲透到混合井中并匯至承壓含水層，起蓄水作用；當蓄水達到一定量進行降水抽水時，因兩層承壓水水頭差，井流呈“竄流”狀態(tài)，井管周圍的承壓水會以“爆發(fā)式噴射”方式透過濾網進入到降水井管內，井管內動水位在短時間內會急劇下降可使混合井中水位迅速降低，從而導致井內水位降低。

2.4 混合井雙濾管結構深井濾管位于層頂時分層插入深度的優(yōu)化

混合井濾管總長度同上為21 m，濾管位置由第一承壓含水層層頂(標高為18.5 m)開始以1 m為步長漸變至層底，第二承壓含水層濾管插入深度依次遞減，共計15 種工況，見圖12。本試驗模擬得到混合井濾管長度與水位降深的關系曲線，見圖13。

圖12 混合井濾管長度示意圖Fig.12 Schematic diagram of the filter length of the mixed well

由圖13可見，隨著混合井濾管位置由第一承壓含水層層頂依次向層底移動，卵石層坑內水位降深逐漸變小，變化趨勢較為平穩(wěn)；當上部濾管(管底標高為3.5 m)完全貫穿第一承壓含水層時水位降深最小為22 m。由此可見，地下水向管井運動具有分帶特征，并非濾管越長水位降深越大；砂土層坑內水位降深先增大后減小，當上部濾管接近第一承壓含水層層底時發(fā)生驟減；基坑坑外水位降深隨著上部濾管插入深度的增長先減小，當上部濾管長度達10 m時(濾管底標高為8.5 m)開始增大，接近層底時逐漸減小。

圖13 混合井濾管長度與水位降深的關系曲線Fig.13 Relationship between the filter length of the mixed well and the water level drawdown

依據實測和模擬結果，濾管總長21 m均滿足基坑降水要求，建議降水井上部濾管應盡量靠近第一承壓含水層中部，即上部濾管深入第一承壓含水層10 m，深度約占第一承壓含水層總厚度的2/3，上下分層濾管長度比為10∶11(約等于1∶1時)時達到最優(yōu)值(即“最優(yōu)濾管比”)，此時坑外水位降深最小，坑內降水效果明顯。

2.5 混合井雙濾管結構深井濾管空間分布位置的優(yōu)化

由上述建議值進一步研究深井濾管的空間分布位置。因現(xiàn)場實際第二承壓含水層深度未知，本次研究對象取上部濾管深入第一承壓含水層10 m為定值，劃分為3種：上部濾管位于頂部2/3處、上部濾管位于底部2/3處和上部濾管位于中部2/3處，見圖14。本試驗模擬得到的降水井濾管位置不同時的水位降深值，見表4。

圖14 深井濾管空間位置分布示意圖Fig.14 Spatial distribution of filter tubes in deep wells

由表4可見，將深井濾管空間分布位置劃分為3種對坑內、外水位降深的影響很小，其中濾管(16.0～6.0 m)靠近第一承壓含水層中部的井流量大于另外兩種。分析原因如下：濾管頂或底端為不透水界面阻隔，井端進水量占井總流量的比例小，同樣濾管長度，流線會隨濾管位置的變化而改變，流線越短，阻力越小，過水斷面面積越大，流量越大；但3種濾管位置的涌水量的差值較小，綜合考慮建議降水井濾管應盡量靠近第一承壓含水層層頂位置。

表4 降水井濾管位置不同時的水位降深值

2.6 理論計算結果與數值模擬結果的對比

為了驗證上述優(yōu)化值的可靠性，參考模擬結果，當采用混合井雙濾管結構時，第一承壓含水層參數為：

T

=15 m，

R

=95 m，

r

=0.14 m，

K

=14.39 m/d，

H

=30.8 m，

h

=29.5 m，

s

取1 m，2 m,…,15 m；第二承壓含水層參數為：

T

=50 m，

R

=150 m，

r

=0.14 m，

K

=21.60 m/d，

s

=(21-

s

) m，水頭取值相同，代入公式(6)可計算得到井的總流量理論計算值。并將井的總流量理論計算值與數值模擬結果進行對比，其相對誤差見圖15。

圖15 理論計算結果與數值模擬結果的對比Fig.15 Comparison of theoretical calculation values and simulation values注：相對誤差(%)=(理論值-模擬值)/模擬值×100%

分析可得：①經計算，當

s

/

s

=10/11=0.91≈1時精度最高，此時單井

Q

=503.4 m/d、

Q

=1 321.26 m/d，與模擬相匹配，設置27口井，井的總流量

Q

=49 265.8 m/d，相對誤差值僅為6.81%，與模擬結果基本相符；②兩種計算方法整體計算結果的吻合度較高，最大相對誤差約為12%，進一步增強了優(yōu)化措施的可信度。

3 優(yōu)化后的降水方案與驗證

3.1 優(yōu)化后的降水方案

根據現(xiàn)場降水效果，結合理論與模擬計算結果，優(yōu)化后的降水方案如下：淺坑布置降水井14口(井深為27～35 m)，深坑布置降水井27口(井深為38～40 m)，均深入第二承壓含水層，共計41口降水井，其中混合井19口。配置水泵功率為32～100 t/h，基坑外側布置6口觀測井，以檢查止水帷幕的效果?？紤]到工程地質勘察不能完全揭示地層局部的差異以及止水帷幕可能存在滲漏等因素，需在坑內預留備用井，以備在突發(fā)情況下兼降水井使用。

3.2 降水效果驗證及現(xiàn)場監(jiān)測

在降水過程中務必做到“按需降水”，隨基坑開挖深度的逐漸加大，需逐步開啟更多的降水井來降低承壓水頭，經統(tǒng)計選取深、淺坑內觀測井的地下水水頭平均值，見圖16。

圖16 基坑地下水水位變化曲線Fig.16 Variation curves of groundwater level in the foundation pit

圖17 基坑附近鐵路橋墩豎向沉降的監(jiān)測曲線Fig.17 Monitoring curves of vertical settlement of the railway bridge pier near the foundation pit

當采用混合井降水后，淺坑區(qū)域承壓水頭基本滿足基底開挖要求，深坑地下水水位降幅明顯增大，最終穩(wěn)定地下水水位標高約為5.7 m，距離深坑底板安全水位不足2 m，后期持續(xù)抽水結合明排方法可保證地下水水位降至底板以下。

降水的同時務必監(jiān)測其對周邊環(huán)境的影響，結合布設在基坑臨近鐵路橋墩的5個監(jiān)測點(見圖1)的實測結果(見圖17)，監(jiān)測周期為60 d，結果顯示：豎向沉降最大點為QCJ3，其最大值為2.16 mm，在規(guī)范允許的范圍內，說明整個降水工程的方案設計及施工管理較合理，基坑降水未對臨近鐵路橋墩造成不良的影響。

4 結 論

本文針對多層承壓含水層中深基坑減壓降水措施進行了討論，降壓時采用混合井雙濾管結構的降水效果明顯，得出如下結論：

(1) 該基坑工程處于多層承壓含水層的復雜水文地質條件下，在基坑降水設計與施工中應慎重對待中、下部高承壓水頭的處置，布設在下部強透水層中的降水井深度要適當，并非濾管插入越深降水效果越好。

(2) 該基坑工程前期降水效果不佳，優(yōu)化后采用混合井替代部分疏干井與減壓井，其降水效果明顯，避免了常規(guī)深井降水中同時在淺部潛水層設置疏干井、在深部承壓水層設置減壓井的冗繁施工。相同開啟數量的混合井與普通井對比，混合井設計時的水位降深滿足深坑底板開挖要求，較好地適應場地內各分項施工對降水的需求。

(3) 在本基坑工程中，因下部卵石層未見底，本次以第一承壓含水層濾管插入深度為控制變量，結合有限元分析并套用沙金煊公式，提出該基坑工程上下分層濾管長度的最優(yōu)比值約為1∶1，即上部濾管位于第一承壓含水層的長度與下部濾管位于第二承壓含水層的長度相當；濾管插入深度建議取第一承壓含水層厚度的2/3，即從第一承壓含水層層頂向下10 m，此時可達到最優(yōu)降水效果。