復(fù)合含水層地區(qū)深基坑減壓降水方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

張英英 徐辰春 沈 馳

長江三角洲地區(qū)分布有巨厚的第四紀(jì)松散沉積層，其間發(fā)育有多層厚度較大的孔隙承壓含水層，構(gòu)成一復(fù)合含水層系統(tǒng)。承壓水位埋深淺，深基坑施工時(shí)圍護(hù)深度難以深入至含水層底板[1]，減壓降水為一大技術(shù)難題。制定科學(xué)有效的減壓降水設(shè)計(jì)方案可以降低工程風(fēng)險(xiǎn)及提高施工效率[2]。本文以上海市虹梅南路—金海路通道越江段工程奉賢段基坑減壓降水工程為例，運(yùn)用現(xiàn)場抽水試驗(yàn)結(jié)果，反演出含水層水文地質(zhì)參數(shù)，并采用Visual Modflow三維有限差分計(jì)算軟件模擬減壓降水期間基坑內(nèi)外地下水位分布，得到減壓降水最優(yōu)布井方案。

1 工程概況

上海市虹梅南路—金海路通道越江段奉賢段～FX04區(qū)段，長約129 m，寬為35 m～48 m。奉賢工作井開挖深度達(dá)29.62 m，底板已揭穿上海地區(qū)第一承壓含水層的頂板，圍護(hù)深度為50.327 m;FX01～FX04區(qū)段開挖深度為25.935 m ～17.857 m，圍護(hù)深度為44 m～33 m。

2 場地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場地主要土層自上而下依次為:①1雜填土、②1粉質(zhì)粘土、②2粉質(zhì)粘土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④淤泥質(zhì)粘土、⑤1-1粘土、⑥粉質(zhì)粘土、⑦1-1粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、⑦1-2砂質(zhì)粉土、⑦2粉砂、⑧1粉質(zhì)粘土夾粉砂、⑧2粉砂與粉質(zhì)粘土互層、⑨粉細(xì)砂。

場地淺部地下水屬潛水類型，潛水位主要補(bǔ)給來源為大氣降水、黃浦江和周邊河道。潛水位埋深一般為地表下0.3 m～1.5 m。

3 減壓降水設(shè)計(jì)

3.1 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性分析

要使基坑底板保持穩(wěn)定必須滿足基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力。即:

其中，h為基坑底至承壓含水層頂板間距離，m;γs為基坑底至承壓含水層頂板間土的重度，kN/m3;H為承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離;γw為水的重度，kN/m3，取10 kN/m3;Fs為抗突涌安全系數(shù)，本次計(jì)算取1.10。

結(jié)合現(xiàn)場抽水試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果，驗(yàn)算時(shí)⑦層初始水位標(biāo)高取－3.81 m;⑧2層初始水位標(biāo)高取－3.90 m。按照不利原則，選取代表性勘探孔作為計(jì)算參考，⑦2層頂板標(biāo)高取－39.54 m，⑧2層頂板標(biāo)高取－50.78 m。

據(jù)此，驗(yàn)算結(jié)果如表1，表2所示。

表1 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算(⑦層)

表2 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算(⑧2層)

3.2 抽水試驗(yàn)

抽水試驗(yàn)在奉賢工作井及FX01區(qū)段內(nèi)進(jìn)行，抽水試驗(yàn)的目標(biāo)層是⑦層及⑧2層。試驗(yàn)井Y1～Y7，YG1分別為⑦層減壓井、觀測井，其中Y1～Y3井深48 m，Y4～Y7，YG1井深45 m;試驗(yàn)井Y8-1，YG8-1分別為⑧2層減壓井、觀測井，井深均為64 m。

抽水試驗(yàn)安排分三個階段:第一階段分別以減壓井Y3和Y8-1進(jìn)行⑦層及⑧2層單孔抽水，由此可確定各承壓含水層的靜止水位、降深和單井涌水量。另外可知，針對⑧2層采用額定出水量為50 m3/h的抽水泵單井抽水即可滿足水位降深需求。第二階段以Y1～Y3(抽水泵額定出水量均為50 m3/h)同時(shí)抽水，其水位降深隨時(shí)間的變化如圖1所示，并在Y1～Y3停止抽水后，對YG1的水位進(jìn)行了跟蹤觀測，水位恢復(fù)比率歷時(shí)曲線見圖2。第三階段選取Y1～Y7(Y1，Y3抽水泵額定出水量分別為80 m3/h，100 m3/h，Y2，Y4～Y7抽水泵額定出水量均為50 m3/h)同時(shí)抽水，其水位降深隨時(shí)間的變化如圖3所示。

圖1 Y1～Y3抽水，YG1水位降深隨時(shí)間變化曲線

三井停抽后，觀測井YG1前6分鐘水位恢復(fù)約6.3 m，恢復(fù)率約38.7%。因此，后期正式運(yùn)行時(shí)應(yīng)采用減壓降水運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)智能控制系統(tǒng)，有效控制承壓水降水運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 地下水滲流模型的建立

3.3.1 數(shù)值模擬范圍與邊界條件

本次數(shù)值模擬計(jì)算采用三維數(shù)值模型，將上覆潛水含水層以及下伏承壓含水層組一起納入模型參與計(jì)算，并將其概化為三維空間上的非均質(zhì)各向異性水文地質(zhì)概念模型。通過試算，本次計(jì)算以整個基坑的東、西、南、北最遠(yuǎn)邊界點(diǎn)為起點(diǎn)，各向外擴(kuò)展約400 m，即實(shí)際計(jì)算平面尺寸為(1000×800)m2。

圖2 觀測井YG1水位恢復(fù)比率歷時(shí)曲線

圖3 Y1～Y7抽水，YG1水位降深隨時(shí)間變化曲線

3.3.2 模型離散處理

根據(jù)相關(guān)勘察、抽水試驗(yàn)、圍護(hù)設(shè)計(jì)等資料對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，建立三維數(shù)值模型。在網(wǎng)格剖分中，對基坑區(qū)域范圍進(jìn)行了局部加密[4]，水平方向上將整個模型剖分為72行、134列，垂向?qū)⑵淦史譃?6層。減壓降水過程中，基坑外的地下水將通過基坑周圍的地下連續(xù)墻底繞流進(jìn)入基坑，地下水流態(tài)為三維非穩(wěn)定流，基坑內(nèi)減壓井為唯一的源、匯項(xiàng)。

3.4 水文地質(zhì)參數(shù)的推求

3.4.1 水文地質(zhì)參數(shù)反演

為獲得準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)，選取一組觀測效果比較理想的群抽試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非穩(wěn)定流水文地質(zhì)參數(shù)反演。本次選取三井群抽試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即將Y1～Y3抽水時(shí)，YG1的實(shí)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，反演獲得的各含水層水文地質(zhì)參數(shù)如表3所示。

表3 反演獲得的水文地質(zhì)參數(shù)

3.4.2 水文地質(zhì)參數(shù)校核

為驗(yàn)證反演獲得的各含水層水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性，利用七井試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證，即選取Y1～Y7抽水時(shí)YG1的實(shí)測數(shù)據(jù)輸入到利用三井試驗(yàn)調(diào)整好的模型中。

采用反演出的各層水文地質(zhì)參數(shù)驗(yàn)證七井試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，計(jì)算水位與實(shí)測水位擬合良好，說明反演出的水文地質(zhì)參數(shù)可靠性較高，其模型可作為模擬預(yù)測基坑降水引起地下水滲流場變化的依據(jù)。

3.5 三維數(shù)值模型模擬結(jié)果

根據(jù)基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果，基于現(xiàn)場抽水試驗(yàn)成果，運(yùn)用調(diào)整后的地下水滲流三維數(shù)值模型進(jìn)行分析計(jì)算，確定減壓降水最優(yōu)布井方案。經(jīng)計(jì)算，在滿足各層承壓水位降深要求的前提下，需在奉賢工作井～FX04區(qū)段內(nèi)針對⑦層共布設(shè)12口減壓井，編號為Y1～Y12，兩口備用兼觀測井，編號為YG1，YG2。井深分別為:Y1～Y3井深48 m，Y4～Y12，YG1，YG2井深45 m。12口⑦層減壓井群抽水位穩(wěn)定后降深等值線參見圖4。另外，由前期抽水試驗(yàn)第一階段結(jié)果可知，采用1口⑧2層減壓井、1口備用兼觀測井，編號分別為Y8-1，YG8-1，便可滿足⑧2層的減壓降水設(shè)計(jì)要求。模擬計(jì)算分析時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場抽水試驗(yàn)時(shí)抽水泵的配備情況，合理設(shè)置不同井結(jié)構(gòu)的單井出水量。該模擬計(jì)算結(jié)果經(jīng)后續(xù)工程驗(yàn)證正確、可靠。

圖4 ⑦層減壓井群抽水位穩(wěn)定后降深等值線分布圖

4 結(jié)語

長江三角洲地區(qū)第四紀(jì)沉積層厚度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深基坑減壓降水設(shè)計(jì)難度大。通過實(shí)地非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)結(jié)合三維數(shù)值模型進(jìn)行模擬分析，可反演獲得各承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，再運(yùn)用數(shù)值模擬方法結(jié)合現(xiàn)場抽水試驗(yàn)成果可實(shí)現(xiàn)減壓降水方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該計(jì)算分析方法通過在上海市虹梅南路—金海路通道越江段奉賢工作井～FX04區(qū)段實(shí)際應(yīng)用，證明其模擬結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，有效解決了超深基坑施工過程中的一大難點(diǎn)，滿足了基坑開挖的安全需求，為類似后續(xù)超深基坑減壓降水方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

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[2]駱祖江，劉金寶，李 朗.第四紀(jì)松散沉積層地下水疏降與地面沉降三維全耦合數(shù)值模擬[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(2):193-198.

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[4]吳林高，李 國，方兆昌，等.基坑工程降水案例[M].北京:人民交通出版社，2009.