利用水位擬合法確定復(fù)雜繞流邊界下海上圓筒內(nèi)的含水層參數(shù)

謝錦波，吳心怡，邱松，徐立新

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

規(guī)范及傳統(tǒng)理論提供的由抽水試驗(yàn)分析水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算方法都基于均質(zhì)、水平含水層以及較簡(jiǎn)單邊界條件的假定[1-2]。近年來(lái)，越來(lái)越多的抽水試驗(yàn)涉及到越流、繞流等復(fù)雜的水文邊界[3-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，迭代法、配線法等開(kāi)始應(yīng)用于抽水試驗(yàn)的結(jié)果分析[5-6]，肖長(zhǎng)來(lái)等在求解含水層參數(shù)時(shí)采用了全程曲線擬合的方法[7]。

Plaxis巖土工程有限元分析軟件近年來(lái)較多應(yīng)用于巖土工程的變形、穩(wěn)定性等問(wèn)題[8]，而其自帶的滲流模塊也同時(shí)具備解決地下水滲流問(wèn)題的功能。鄭穎人等采用Plaxis滲流模塊對(duì)涉水岸坡的水位變化進(jìn)行了模擬計(jì)算，并與解析解、經(jīng)驗(yàn)概化解進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了本軟件用于滲流計(jì)算的準(zhǔn)確性[9]。本文結(jié)合某人工島工程海上格形鋼板樁圓筒內(nèi)的抽水試驗(yàn)資料，采用Plaxis軟件建立模型對(duì)含水層參數(shù)進(jìn)行了擬合計(jì)算，取得了理想的效果。

1 場(chǎng)地邊界及試驗(yàn)概況

1.1 工程概況與試驗(yàn)邊界

某人工島工程島壁部分采用格形鋼板樁圓筒作為擋土結(jié)構(gòu)，圓筒由主、副格相互連接形成整體，主格直徑約31 m。按照施工方案，先水上施打碎石樁形成復(fù)合地基，然后打設(shè)格形鋼板樁圓筒，筒內(nèi)回填砂。圓筒完成后在筒外側(cè)拋石護(hù)坡、分層填筑海堤，筒內(nèi)側(cè)回填砂、施打塑料排水板，繼續(xù)堆載預(yù)壓加固地基。

在圓筒內(nèi)開(kāi)展抽水試驗(yàn)時(shí)，圓筒內(nèi)外預(yù)先施打了碎石樁，筒內(nèi)已完成回填砂，但圓筒外部還未填筑。試驗(yàn)場(chǎng)地原泥面標(biāo)高約-7.5 m，海床面以下主要有兩種土層，一是海相沉積淤泥，二是沖積土，試驗(yàn)場(chǎng)地處的沖積土層為黏土與砂層。圓筒內(nèi)部及臨近圓筒位置施打1 m直徑、3 m間距的碎石樁，后施打C111圓筒并回填滲透性良好的回填砂。試驗(yàn)場(chǎng)地典型斷面見(jiàn)圖1。

圖1 抽水試驗(yàn)場(chǎng)地?cái)嗝鎴DFig.1 Section of pumping test condition

格形板樁將筒內(nèi)與筒外海水隔離，形成止水帷幕，筒內(nèi)碎石樁與底部沖積土砂層形成滲流通道。由于圓筒邊界條件的限制，抽水試驗(yàn)主要目的是探明筒內(nèi)回填砂滲透系數(shù)以及海水通過(guò)筒外碎石樁、碎石樁底部砂層，經(jīng)筒內(nèi)碎石樁進(jìn)入筒內(nèi)的繞流滲透能力。

1.2 試驗(yàn)布置

筒內(nèi)抽水試驗(yàn)布置1組抽水試驗(yàn)孔，共計(jì)1個(gè)抽水主孔（W1）和6個(gè)觀測(cè)孔（G1~G6）。試驗(yàn)布置兩條觀測(cè)線，分別垂直與平行于海墻軸線方向。詳細(xì)井點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖2。

圖2 抽水試驗(yàn)井點(diǎn)平面布置圖（單位：m）Fig.2 Layout of pumping test wells（m）

開(kāi)始抽水后，用時(shí)8 d使筒內(nèi)地下水達(dá)到穩(wěn)定流狀態(tài)。保持穩(wěn)定水位4 d后，試驗(yàn)井停泵，保持抽水井與各觀測(cè)井的水位記錄直至水位恢復(fù)至正常狀態(tài)。

2 數(shù)學(xué)模型與擬合計(jì)算

2.1 模型建立與說(shuō)明

由于傳統(tǒng)理論提供的水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算方法無(wú)法用于豎向繞流的數(shù)據(jù)分析。按照?qǐng)龅剡吔缂霸囼?yàn)布置，采用Plaxis有限元軟件二維滲流模塊建立軸對(duì)稱(chēng)滲流分析模型。X軸方向范圍50 m，Y軸方向范圍55 m，采用板單元止水邊界模擬格形鋼板樁，抽水線模擬抽水井。根據(jù)工程勘察資料，原狀海相淤泥土滲透系數(shù)5.6×10-8cm/s，原狀沖積土砂滲透系數(shù)1.0×10-2cm/s。碎石樁范圍內(nèi)海相淤泥、沖積土作為復(fù)合土層以考察碎石樁對(duì)原狀土滲透系數(shù)的加強(qiáng)作用，抽水試驗(yàn)有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 抽水試驗(yàn)分析模型Fig.3 Numerical model of pumping test

2.2 擬合計(jì)算

按照試驗(yàn)過(guò)程中不同時(shí)間下的各個(gè)井觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算模型調(diào)整回填砂、碎石樁與原土層復(fù)合滲透系數(shù)來(lái)擬合實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。抽水井及觀測(cè)井G3的計(jì)算曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合情況見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 抽水井W1水位擬合曲線Fig.4 Drawdown matching curve for pumping well W1

圖5 觀測(cè)井G3水位擬合曲線Fig.5 Drawdown matching curve for observation well G3

最終擬合分析得出回填砂的滲透系數(shù)為3.6×10-2cm/s，原淤泥土層與碎石樁形成的復(fù)合土層的豎向滲透系數(shù)為1.4×10-3cm/s。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著圍海造地、人工島等向深水區(qū)發(fā)展，以及降水預(yù)壓處理軟土地基的應(yīng)用，探明圍護(hù)結(jié)構(gòu)、復(fù)合地基等復(fù)雜滲流邊界條件的水文地質(zhì)參數(shù)等日趨重要。本文介紹了一種采用商業(yè)有限元軟件Plaxis建立數(shù)學(xué)模型，來(lái)分析海上圓筒中繞流邊界條件下的抽水試驗(yàn)資料，提供了一種規(guī)范與傳統(tǒng)理論公式以外的，更適用的水位地質(zhì)參數(shù)擬合分析方法。同時(shí)，在水位擬合過(guò)程中采用了抽水期間和水位恢復(fù)期間的全部觀測(cè)資料，使得所求含水層參數(shù)的可靠性大大提高。

值得注意的是，雖然有限元方法擬合分析抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的水文地質(zhì)參數(shù)具有較高的合理性及準(zhǔn)確性，但海上邊界條件的復(fù)雜性，以及模型中使用的原狀土滲透系數(shù)等條件的離散性對(duì)計(jì)算結(jié)果均有一定的影響。因此在使用有限元模型擬合所得的水文地質(zhì)參數(shù)時(shí)，以及在后續(xù)方案的應(yīng)用中應(yīng)考慮原始數(shù)據(jù)的離散性，進(jìn)行一定的靈敏性分析，并且在制作方案的過(guò)程中考慮一定的安全系數(shù)。