錢塘江潮汐作用下地層降水試驗研究

摘 要：本文以杭州市望江路過江隧道項目降水試驗為依托，對錢塘江潮汐作用下，復雜地層承壓水降水參數以及地層滲透系數進行研究，對水文地質參數進行參數反演，對下一步深基坑降水施工進行實際指導。該工程基坑降水井單井出水量大，周邊環境復雜敏感，通過抽水試驗能實測含水層的初始水位，測定單井實際涌水量，確定地層相關的水文地質參數，判斷降水設計方案的合理性，且該段地下水水位受季節性及潮汐影響較大，通過降水試驗對杭州該地層地下水情況進行歸納總結。

關鍵詞：降水；潮汐；參數

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.213

1 研究概況

望江路過江通道工程位于杭州市錢江三橋上游約1.5km處，由北岸秋濤路起，沿望江路，穿越錢塘江，至南岸江暉路，終于江南大道，銜接上城區與濱江區，隧道全長3586.566m，其中盾構隧道段長度1837m。盾構機始發井離錢塘江邊約200m，地下水受錢塘江水影響，受潮汐作用較大。

根據勘探揭露地基土的成因時代、巖性、埋藏分布特征、物理力學性質，結合原位測試，可將勘探深度內地基土劃分為10個工程地質層，共28個亞層和5個夾層。具體分層見表1-2，典型工程地質剖面見圖1-1。

試驗工作量布置。

試驗井布置。在工作井南側施工1口降壓井，井號為S1，另利用設計方案中工作井南側的兩口坑外承壓觀測井，井號為GY2～GY3，設計井深均為42m。具體試驗井平面布置及井結構見圖1-2。本次試驗期間，將同步觀測地表沉降變化。

2 抽水試驗成果分析

2.1 試驗流程

為完成試驗目的，本次抽水試驗分別進行2組單井試驗及1組群井試驗，試驗過程中進行了水位觀測和第三方沉降監測，通過水位降深-時間曲線及單井出水量等，確定含水層的水文地質參數。

具體試驗流程如表2-1所示。

2.2 初始水位測定

根據勘察報告可知，承壓含水層（⑧3粉砂、?1粉砂）初始水位標高為-0.45m。根據觀測，承壓水位由于受潮汐影響，在試驗期間有一定的變化，各井最大變化幅度約0.70m～1.02m，本次在10月15號潮汐前后進行水位觀測，觀測結果曲線見圖2-1。

各試驗井初始水位觀測數據如表2-2所示。

2.3 單井抽水試驗

GY2、S1井深為42m，濾管深度35～41m（位于⑧3粉砂、?1粉砂中），持續抽水3d。采用50m揚程額定流量為25m3/h的潛水泵，參考GY2水表讀數時，單井平均出水量為20.7m3/h。S1抽水持續抽水48h后停抽恢復至水位相對穩定，采用55m揚程，額定流量為50m3/h的潛水泵，單井出水量平均約為39.4m3/h。

試驗期間同步對各試驗井進行水位觀測，穩定后最大水位降深值見表2-3、2-4。

2.4 兩井抽水試驗

S1、GY2兩井深均為42m，35～41m（位于⑧3粉砂、?1粉砂中），開啟2口井進行抽水，持續抽水24h后停抽恢復，由于交叉作業占用場地，恢復時間為1h。抽水期間，GY2采用額定流量為25 m3/h的潛水泵，S1采用額定流量為50 m3/h的潛水泵，單井平均出水量GY2為17.5m3/h，S1為33.2m3/h。

試驗期間同步對各試驗井進行水位觀測。各試驗井內水位降深變化情況如圖2-2，最大水位降深值見表2-5。

由圖表可知：（1）當以兩井形式抽汲承壓水時，距抽水井12.05～19.20m距離處的GY3觀測井處水位降深為3.38m。（2）停抽后對觀測井的水位恢復速率進行了觀測，兩井停抽后觀測井GY3水位恢復較快，停抽10min后，水位恢復了80.5%。

3 試驗區地下水三維非穩定流數值模擬

3.1 地下水三維非穩定滲流數學模型

根據本工程的承壓含水層的特性，以及邊界情況，在計算時采用如下地下水滲流三維數學模型。以試驗區為中心，邊界布置在抽水井影響半徑以外。本次建模范圍為1600m×1600m。

（1）含水層的結構特征及模型網格剖分。本次數值模擬計算采用含水層三維模型，其網格剖分情況見圖3-1。

（2）水力特征。地下水滲流系統符合質量守恒定律和能量守恒定律；含水層分布廣、厚度大，在常溫常壓下地下水運動符合達西定律；考慮淺、深層之間的流量交換以及滲流特點，地下水運動可概化成空間三維流；地下水系統的垂向運動主要是層間的越流，三維立體結構模型可以很好地解決越流問題；地下水系統的輸入、輸出隨時間、空間變化，參數隨空間變化，體現了系統的非均質性，但沒有明顯的方向性，所以參數概化成水平向各向同性。

綜上所述，模擬區可概化成非均質水平向各向同性的三維非穩定地下水滲流系統。模擬區水文地質滲流系統通過概化、單元剖分，即可形成為地下水三維非穩定滲流模型。

（3）模擬期及應力期確定。數值模擬的模擬期和相應計算周期示試驗不同而設定不同值，在每個計算周期中，所有外部源匯項的強度保持不變。

（4）源匯項處理方式。① 試驗井處理。在《Visual Modflow》中，抽水井可以設置過濾器長度、出水量等參數，與實際數據具有很強對比性。抽水井、觀測井設置如圖3-2和3-3所示。② 邊界條件處理。在本次抽水試驗區較小，且抽水時間短，故可將模型邊界定義為定水頭邊界，水位不變。

3.2 水文地質參數反演

以S1單井抽水為模擬原型，以GY2及GY3觀測井水位數據為擬合基準。通過對觀測井的實測數據與模型計算數據進行對比分析，確定承壓含水層的綜合水力參數，并判定模型計算參數的有效性和合理性。水文地質參數取值如表3-1所示，擬合結果如圖3-4、3-5所示。 從觀測井計算水位與實測水位對比圖可以看出，吻合良好，該模型可作為模擬預測基坑降水的依據。

從擬合情況來看，該參數組合下觀測井內水位計算值與觀測值水位擬合情況良好。該參數組合下觀測井內水位計算值與觀測值相關系數為0.99。說明調整后的數值模型可作為模擬預測基坑降水的依據。

根據以上反演結果，綜合后，參數取S1單井擬合的結果，其相關土層主要水文地質參數如表3-2所示。

4 結論

（1）通過降水參數分析，本次抽水試驗各含水層參數如表4-1所示。

根據勘察報告可知，勘察期間觀測承壓水初始水位標高取-0.45m（觀測時間2015年5月）。說明現階段場區內的微承壓水位埋深較勘察期間有大幅的抬升，后期應密切關注微承壓水位的動態變化。另外，通過對比試驗前和試驗過程中最高水位，發現在試驗期間承壓水水位變化較大，試驗期間各井水位最大變化量0.70m～1.02m。主要原因是與錢塘江水域存在補給關系，在后續基坑降水施工中要密切關注錢塘江水位變化。

（2）本次抽水試驗開始前（觀測時間2016年10月）及試驗24h恢復過程中，觀測得承壓水（⑧3粉砂、?1粉砂）初始水位標高為+0.38m～+0.69m。

（3）單井采用額定流量為50m?/d的潛水泵抽水時，單井流量約為39m?/d，出水量較大，后期盾構進出洞處降水用水泵可采用大于等于50m?/d的抽水泵進行抽水。

（4）根據恢復試驗情況，承壓水恢復速度很快，停抽10分鐘水位恢復83%左右。

（5）單抽及恢復試驗期間，地表沉降呈現明顯的下降及回彈現象，但地表沉降變化滯后于抽水變化。單抽及恢復試驗期間，最大累計沉降量為1.5mm。

本次降水試驗結果以及理論分析是基于杭州典型場區地質及水文地質條件下的，代表錢塘江兩岸地區區典型地層特性和含水層特征，為后期基坑工程提供參考，也為錢塘江潮汐作用下杭州區域該地層的參數取值進行參考。

參閱文獻：

[1]丁智，程圍峰，胡增燕.杭州地鐵人民廣場站深基坑降水研究[J]. 鐵道工程學報，2014（01）.

[2]王華偉.地鐵車站施工降水研究[J].山西建筑，2009，（10）.

[3]劉熙明，傅敏寧，鄒海波.湖泊對降水的影響研究回顧[J].氣象與減災研究，2012，35（01）：1-6.

[4]江科.建筑深基坑降水方案研究[J].山西建筑，2010（15）.

作者簡介：房中玉（1986-），男，安徽廬江人，碩士，工程師，中鐵十四局集團大盾構工程有限公司杭州望江路過江隧道項目總工程師。