渠道深基坑降水試驗及工程應用

張 偉，定培中，肖 利，盛小濤

(長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 概述

引江濟漢渠道進口段位于長江荊江河段龍洲垸，渠道及節制泵站深基坑直接毗鄰長江，基礎為典型的二元結構地層，上部為黏性土層，厚度7 m左右，滲透性微弱，下部為細砂和砂卵石，厚度60 m左右，屬強透水地層。區域內地下水豐富，受長江水位的影響明顯，汛期地下水具承壓性。如果采用封閉的防滲墻進行處理，造價極高，且施工難度較大，為此，在實際施工中采用了純井點降水方案，目前工程正在施工中。

采用純井點降水在建筑基坑中比較常見［1－4］，但在臨河渠道深基坑中采用還不多見，近期南水北調有些類似工程初期采用純井點降水，后來因為對砂卵石滲透系數估計不足以及降水難度很大而不得不重新增加防滲墻［5］。引江濟漢渠道工程建設各方也擔心基坑降水效果，一是基坑挖深大，基坑底部直接位于砂卵石層中，且砂卵石滲透系數大小直接影響降水效果以及降水方案的確定;二是基坑緊鄰長江，長江水通過砂卵石向基坑范圍內地下水的補給明顯，這就增加了降水的難度，也成為基坑施工中重點關注問題［6，7］。

為了解決上述問題，確保基坑施工安全，結合基坑實際施工，進行了現場降水試驗［8］，一方面進一步驗證初步設計階段的地層滲透系數，為后期降水方案提供基本參數;另一方面檢驗降水效果，驗證降水模型。結果表明，砂卵石滲透系數比初步設計階段大了一個數量級，降水量顯著增加，降水費用遠超出設計概算，為此進行了專項審查，及時調整了降水方案;并采用數值模擬對降水試驗進行了擬合，進一步驗證了初步設計階段建立的滲流模型。

2 降水試驗設計

2.1 試驗目的

本次試驗目的主要有3個:①利用單井降水試驗確定地層水文地質參數和單井排水能力，復核地質勘察報告中的有關參數;②根據不同組合條件下群井抽水試驗結果，分別評價深層群井抽水和淺層群井抽水的降水效果，并提出群井抽水條件下單井出水量;③為驗證數值模型和降水實施方案提供基本數據。

2.2 試驗內容

(1)降水試驗基礎資料的整理分析:對地勘資料進行詳細的分析，查閱相關資料［1－7，9－11］，初步確定降水試驗參數，如井數、井位、井深、花管段長度、井間距、降水方案等。

(2)單井降水試驗:在不同降深條件下進行降水試驗，觀測流量、降深以及水位變化。根據觀測結果，采用公式法和反演方法求得含水層的滲透系數、影響半徑等參數。

(3)降水試驗數值模擬計算分析:針對降水試驗1和試驗3第三降深結果進行數值模擬計算分析，求得合理的計算參數，率定數學模型，為實際工程降水方案提供基礎數據。

2.3 降水試驗設計

本次降水試驗布置在引江濟漢進口段(其平面布置見圖1)節制泵站下游側渠道軸線兩側，其平面布置見圖2，降水井結構布置見圖3，觀測孔結構布置見圖4。

圖3中，J01，J02為深井，花管段設置在砂卵石層中，用于測定砂卵石滲透系數;J03，J04為淺井，花管段設置在細砂層中，用于測定細砂滲透系數。圖4中，觀測孔G01，G02，G03花管段進入砂卵石層中5 m，用于深井降水試驗的水位觀測;觀測孔G04花管段設置在細砂中，用于淺井降水試驗水位觀測。

圖1 進口段平面布置圖Fig.1 Layout of the entrance region

圖2 降水井及觀測孔平面布置圖Fig.2 Layout of dewatering wells and observation holes

圖3 降水井結構圖Fig.3 Structure of dewatering wells

2.4 降水試驗方案

共進行8組現場降水試驗，其中4組為單井降水試驗，4組為群井降水試驗。本文僅介紹用于求參的4組單井降水試驗。

試驗1:以J01井作為降水試驗井，進行單井降水試驗。除了專門的觀測孔外，J02井，J03井和J04井也作為觀測孔進行水位觀測，并以G01，G03觀測結果為主。

圖4 觀測孔結構圖Fig.4 Structure of observation holes

試驗2:以J02井作為降水試驗井，進行單井降水試驗，其余降水井和觀測孔進行水位觀測，并以G01，G03觀測結果為主。

試驗3:以J03井作為降水試驗井，進行單井降水試驗，其余降水井和觀測孔進行水位觀測，并以J04，G04觀測結果為主。

試驗4:以J04井作為降水試驗井，進行單井降水試驗，其余降水井和觀測孔進行水位觀測，并以J03，G04觀測結果為主。

其中試驗1，2是用于求取砂卵石滲透系數，試驗3，4用于求取細砂的滲透系數。

3 降水試驗結果整理分析

3.1 試驗1

試驗1得到的井內降深隨時間的關系曲線見圖5，圖中還給出了該降深條件下的抽水量。圖6是觀測孔孔內降深隨時間的變化曲線，其變化規律與圖5一致。

圖5和圖6表明，試驗1分為3個流量抽水，降水井中降深遠大于觀測孔降深，且降深都隨著流量增加而增加，曲線呈現明顯的3個階梯。

采用規范［10］推薦的2種計算方法計算砂卵石層的滲透系數。

(1)以降水井井內水位降深計算砂卵石滲透系數K，其計算公式為

圖5 J01井降深曲線Fig.5 History curve of water level decrease of well J01

圖6 觀測孔G01和G03降深曲線Fig.6 History curves of water level decrease of observation hole G01 and G03

式中:K為滲透系數，單位為m/d;M為含水層厚度，單位為m;L為過濾器長度，單位為m;R為抽水影響半徑，單位為m;r為降水井半徑，單位為m;Q為抽水量，單位為m3/d;S為井內降深，單位為m。

計算時，可依據地質資料以及抽水試驗實測的參數。根據式(1)計算出所測含水層滲透系數，其中含水層厚度M按地質剖面圖揭示試驗區域砂卵石層平均厚度取為55 m，R根據式(2)確定。由式(1)和式(2)通過迭代計算含水層水文地質參數，結果見表1。

表1 基于降水井J01觀測數據計算得到的參數Table 1 Calculated parameters based on observed data of dewatering well J01

(2)通過2口距降水井不同距離觀測孔井內水位降深來計算砂卵石滲透系數K，其計算公式為

式中:r1和r2為第一、二口觀測孔中心距降水井中心距離，單位為m;S1和S2為第一、二口觀測孔井內水位降深，單位為m;其余符號同公式(1)和(2)。

根據觀測孔G01和G03井的觀測數據，按公式(3)計算砂卵石滲透系數，結果見表2。G01和G03井距降水井J01的直線距離分別為25，105 m。

由于降水井J01在成井施工過程中采用泥漿護壁，井損效應明顯，對于采用公式(1)和(2)進行計算得到的表1結果影響較大，井內降深越大，井損效應越大，計算得到的滲透系數越小;采用不同距離觀測孔水位計算得到的滲透系數(表2)克服了井損影響，隨著井內降深的增加，兩觀測孔水位差變化相對平穩(見圖6)，得到的滲透系數稍有增加，同時，現場開挖得到的砂卵石隨著深度的增加，砂含量減少，意味著隨著深度的增加，其滲透系數逐步增加，這也是滲透系數隨著降深增加而增加的原因之一。因此，認為采用公式(3)的計算結果更為合理(下同)，基坑降水方案設計中，推薦采用表2中計算結果作為砂卵石的滲透系數。試驗得到砂卵石的滲透系數范圍值為25.75 ～40.26 m/d。

表2 基于觀測孔G01和G03數據計算得到的滲透系數Table 2 Calculated coefficients of permeability based on observed data of hole G01 and G03

3.2 試驗2

試驗2作為試驗1的平行試驗，測得的井內降深隨時間的關系曲線見圖7，圖中給出了該降深條件下的抽水量。表3是抽水量相對穩定時觀測孔的降深。采用公式(3)計算得到砂卵石滲透系數見表4。

圖7 J02井降深曲線Fig.7 History curve of water level decrease of well J02

表3 觀測孔J01，G01和G03降深Table 3 Water level decrease of observation hole J01，G01，and G03

表4 基于觀測孔J01，G01和G03計算得到的滲透系數Table 4 Calculated coefficients of permeability based on observed data of hole J01，G01，and G03

對比表4中結果發現，采用不同的觀測孔組合進行計算得到的滲透系數具有一定差別，與觀測孔間距離有關，距離越大，越能反映砂卵石層滲透系數的真實值，同時減少井損的影響，因此建議采用G03與G01組合計算值，滲透系數范圍為18.84～46.14 m/d，與試驗1結果一致。

3.3 試驗3

試驗3用于測定粉細砂的滲透系數。井內降深隨時間的關系曲線見圖8。表5是抽水量相對穩定時觀測孔的降深。采用公式(3)計算得到細砂滲透系數見表6。

圖8 J03井降深曲線Fig.8 History curve of water level decrease of well J03

表5 觀測孔J04和G04降深Table 5 Water level decrease of observation hole J04 and G04

表6 基于觀測孔G04和J04計算得到的滲透系數Table 6 Calculated coefficients of permeability based on observed data of hole G04 and J04

分析表6結果不難發現，隨著降深的增加或抽水量的增加，計算得到的滲透系數逐步降低，考慮到觀測孔(表5)降深觀測結果，在第一、二降深條件下，觀測孔G04降深較小，因此建議取第三降深條件下的滲透系數作為細砂的滲透系數，即10.11 m/d。

3.4 試驗4

作為試驗3的平行試驗，試驗4得到井內降深隨時間的關系曲線見圖9。表7是抽水量相對穩定時觀測孔的降深。采用公式(3)計算得到粉細砂滲透系數見表8。

圖9 J04井降深曲線Fig.9 History curve of water level decrease of well J04

表7 觀測孔J03和G04降深Table 7 Water level decrease of observation hole J03 and G04

表8 基于觀測孔G04和J03計算得到的滲透系數Table 8 Calculated coefficients of permeability based on observed data of hole G04 and J03

表8表明，隨著降深的增加或抽水量的增加，計算得到的滲透系數逐步降低，這與試驗3揭示的規律一致。取第三降深條件下的滲透系數，即細砂的滲透系數為11.40 m/d，與試驗3十分接近。

試驗得到細砂的滲透系數偏大，主要原因可能是實際成井中沒有很好地控制砂卵石與細砂的分界面位置，部分花管段進入砂卵石層，且花管段主要位于降水井下部，使得試驗結果偏大，考慮到細砂滲透系數不是控制基坑降水的主要地層(見本文后面表述)，試驗沒有重復再做。

4 降水試驗的擬合計算分析

4.1 計算模型邊界條件

降水試驗擬合計算模型是渠道初步設計階段建立的，并應用于渠道施工期基坑降水方案的研究，其計算模型見圖10。模型周邊為定水頭邊界，其中左邊界以及前后邊界(荊江大堤外側)取長江水位39.40 m，右邊界取荊江大堤內側常年地下水位32 m，底部(高程－39 m)邊界為隔水邊界。本次降水試驗區域位于計算模型中部的節制泵站基坑內。

圖10 降水試驗擬合計算模型Fig.10 Model of numerical simulation

4.2 擬合計算結果及分析

考慮到平行試驗結果一致的情況，這里分別選取試驗1和試驗3的第三降深進行了數值擬合計算，在大量試算的基礎上，列出了代表性計算方案和計算參數，見表9。其中，J01－3－1 至 J01－3－3 是對降水試驗1 擬合計算方案，J03－3－1 至J03－3－4是對試驗3的擬合計算方案。黏壤土層滲透系數取地質建議值 0.042 m/d。

表9 擬合計算方案及參數Table 9 Plans and parameters of the numerical simulation

降水試驗1的擬合計算結果列于表10，降水試驗3的擬合計算結果列于表11。

比較表10中觀測孔G01實測水位與擬合水位可知，實測水位介于J01－3－2和J01－3－3擬合水位之間，即砂卵石滲透系數介于51.84～69.12 cm/d之間。以觀測孔 G03為例，砂卵石滲透系數取69.12 m/d，擬合水位最接近實測值。

表10 試驗1的擬合計算結果Table 10 Results of numerical simulation for test 1

表11 試驗3的擬合計算結果Table 11 Results of numerical simulation for test 3

分析表11的擬合計算結果不難發現，粉細砂層滲透系數變化一個量級，擬合水位變化很小，說明整個降水區域內水位變化受到粉細砂滲透系數的影響較小，這與實際工程情況相符，一是粉細砂層厚度較小，對整個計算域降水影響很小;二是實際工程中基坑降水均低于粉細砂層，即粉細砂層將成為疏干區，對降水流量的影響也較小。由此也說明，粉細砂層滲透系數大小對于降水方案的影響甚微，主要取決于砂卵石的滲透系數。

5 節制泵站基坑降水效果分析

5.1 關于砂卵石滲透系數

從上述初步分析可以知道，渠道基坑降水的關鍵是砂卵石的滲透系數。初步設計階段地質建議砂卵石滲透系數取0.86 m/d，由此得到基坑降水量僅2 300 m3/d左右，因此，初步設計審查時，對于降水費用沒有單列，僅考慮臨時工程排水，并按此進行了節制泵站工程施工招標。考慮到南水北調工程中已經遇到的基坑降水問題［5］，為慎重起見，結合節制泵站基坑進行了初步分析，得到砂卵石滲透系數與基坑抽水量的關系曲線見圖11，可見，基坑抽水量與砂卵石滲透系數成正比，也說明砂卵石滲透系數是基坑降水成敗的關鍵。

圖11 砂卵石滲透系數與基坑抽水量關系曲線Fig.11 Relationship between permeability coefficients of sand gravels and foundation pit dewatering amount

5.2 基于降水試驗的基坑降水方案及降水效果

降水試驗得到砂卵石滲透系數為 25.92～69.12 m/d，遠大于渠道初步設計階段基坑降水方案設計采用的滲透系數，這樣，實際降水量是初步設計階段的30倍以上，顯然，采用初步設計階段的降水方案難以保證基坑施工期降水安全，為此需要結合現場降水試驗對砂卵石滲透系數進行綜合分析，對初步設計階段砂卵石滲透系數進行必要的調整。為此，降水試驗結束后甲方多次組織專家咨詢會，綜合現場降水試驗結果以及數值擬合計算結果，最終確定砂卵石滲透系數按30.24 m/d，并按照初步設計階段確定的數學模型進行不同降水方案的降水效果計算分析，確定實際工程降水井52口，給出了設計水位條件下，整個基坑抽水量為6.8萬m3/d，也遠大于初步設計階段的基坑抽水量2 300 m3/d。由于基坑運行時間長，降水費用很大，為此，設計進行了變更并經過相關單位審查，為基坑安全運行提供了安全保障。

施工單位按照現有的降水方案進行了實施，在長江水位較低情況下，實測基坑抽水量最大達5.2萬m3/d，與預測基坑抽水量接近，且基坑內水位下降19 m左右，有效保證了基坑干地施工。目前節制泵站基坑底板混凝土澆筑完成，并成功封底，這為臨河渠道基坑采用純降水方案積累了豐富經驗，可供類似工程借鑒。尤其是南水北調中線工程陶岔-沙河南渠道目前已經招標施工［12］，其中遇到很多類似渠道基坑降水問題，可以借鑒本工程的成功經驗。

6 結語

(1)對于臨河渠道強透水砂基以及豐富地下水區域進行深基坑開挖，采用純降水方案來保證渠道及其建筑物基坑的干地施工，技術難度很大。本項目的成功實施，對類似工程，尤其是對近期南水北調中線工程大面積施工中遇到的高地下水以及強透水渠基基坑降水方案的制定具有重要借鑒作用。

(2)進行必要的施工期降水試驗以及數學模型擬合計算分析，一方面檢驗初設階段地層參數取值的合理性，另一方面可以通過對降水試驗的擬合計算分析，進一步檢驗初設階段的數學模型，進而準確進行基坑降水方案設計以及降水效果預測，為類似工程準確制定降水方案提供了一種新方法。

(3)采用多個觀測孔數據進行滲透系數的求解，可以減少降水井井損的影響。

(4)影響降水效果的因素很多，依據具體工程進行分析，抓住主要因素進行研究(如本工程中砂卵石滲透系數)，方能準確提出基坑降水方案，并預測降水效果。

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