黏土地基深井排水效果試驗與滲流場分析

徐力群　江沆　王麗艷　沈振中　李強

摘要：深井降水效果將影響水利工程的排水方案設計。為了分析黏土地基工程深井井點降水措施的有效性，結合無錫市生態休閑島工程，根據地質勘測資料，通過建立滲流分析有限元模型，采用固定網格有限元非飽和滲流計算分析方法，分析了深井降水的非穩定滲流場，對比分析了試驗井的排水量實測數據，研究結果表明深井降水具有較好的排水效果，提出了地基土層滲透性對滲流場有較大的影響，建議了采取合適的井深和井間距以保證深井降水效果，結果可為類似黏土地基排水措施提供設計參考。

關鍵詞：非穩定滲流分析；黏土地基；深井排水效果；現場試驗；井點流量

中圖分類號：TV223 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0149-07

某生態休閑島景觀工程為開挖湖面取土堆起，為加速人工島基礎沉降、縮短施工工期、加快工程進度以及保證工程的正常進行以及施工和運行安全性，擬建場地擬采用深井井點降水措施，但考慮到工程基礎滲透系數較小，地層復雜，常規的計算方法和經驗難以判斷其效果，因此擬進行深井點降水試驗，進而分析井點降水的實際效果，通過現場試驗以及有限元理論分析，提出合理的井點降水措施。

國外關于深井排水及非穩定滲流的研究起步較早。有記錄的第一個采用深井降水方法的工程是1896年英國柏林的地鐵工程；1931年，德國Breme-havell建造二座水閘時采用了58口深井進行減壓；日本1953年在名古屋鐵道大廈建設中首次采用井點降水法。1931年，Richards將Darey定律推廣應用到非飽和滲流中以后，人們才開始了非飽和滲流的研究。基于Richards控制方程的飽和-非飽和滲流后來得到了深入的研究，并成功地應用到許多實際工程中。Neuman最早將有限元方法應用到解飽和-非飽和問題。國內關于降水技術的應用及非穩定滲流的研究相對較晚。首先是在1950年，東北某工業基地的建設中首先使用了輕型井點降水的方法；隨后1955年上海在武寧路泵站的基坑工程施工中，成功研制出了真空泵式抽水裝置。井點降水法在國內越來越成熟，也更多的應用在各種工程中。最近幾年，國內學者也開展了不少非穩定滲流的研究。理論研究方面，王文科提出用有限分析法求解地下水非穩定井流問題并對該方法作了改進；速寶玉等提出了采用截止負壓法進行三維非穩定滲流分析；戚藍等提出了基于逐步積分法研究得到非穩定滲流場分布、滲流損失水量。工程應用方面，毛昶熙等指出了江河堤防必須考慮河水漲落的非穩定滲流來設計最經濟可靠的滲控措施；師穎應用Seep3D對基坑降水三維非穩定滲流進行模擬，量化分析了基坑降水；高丹盈分析了排水管間距等對南水北調工程大沙河段渠道排水非穩定滲流場的影響。本工程擬針對黏土地基深井降水方案，采用非穩定飽和-非飽和非穩定滲流有限元法，計算分析深井降水的效果，確定合適的井深和井間距，為設計提供理論參考依據。

1深井降水試驗

某生態休閑島景觀工程位于無錫市惠山區職教園區的洋溪河畔，擬建生態休閑島由景觀人工島、景觀人工湖、配套建筑、直駁岸、天橋、龍橋、棧橋、拱橋、西橋等幾部分組成。生態休閑島共有4座人工島，均為開挖湖面取土推起，其中1號島工程量最大，其占地面積約5.2萬m²，基礎地面高程為3.5 m（黃海下同），項高程為14.5 m，最大高度為11 m，顯山路貫穿將1號島，路面高程為5.5～6.5 m，將其分為左右兩側。顯山路兩側邊坡為1：1，其余部分坡度在1：2～1：5。1號島堆土方量約為23萬m³。根據野外鉆孔土層資料及各土層的物理力學性能指標，本工程基礎主要為黏土、粉質黏土夾粉土和粉質黏土，土層分層較為明顯，含水層間隔分布。地下水位較高，初見水位標高為1.16～4.20m，穩定水位標高為0.76～4.10 m。

1.1試驗方案設計、試驗過程

根據地質資料，（1）層為表土，（2）層為黏土，（5_-1）、（5_-3）、（6）、（8）層為粉質黏土，（3）、（5_-2）層為粉質黏土夾粉土，此含水層土性以砂性土為主，富水性較好。根據生態島沉降計算分析得出基礎沉降影響深度約為50 m。根據本地區多年來成功的降水經驗，常規管井深度約在30～40 m，結合沉降計算分析，初步擬定管井井深到（5_-2）層，降水深度約為30 m。

根據以上分析，本次管井排水試驗，管井深度為30～40 m。采用管井直徑為200 mm。試驗井選取1號島西側，現場施工條件較好的地段，試驗井點可作為后期施工井使用，本次管井排水試驗共布置井點6眼，編號為1號-6號，管井井點間距為15～20 m，試驗深井布置見圖1。

本次深井排水實驗按圖鉆取6口深井，安裝好水表進行計量后采用抽水泵對試驗深井內滲水進行抽排，保證井內水及時全部排空。安排2人24小時觀察并做好水量記錄，安排專人每天至施工現場收集水量記錄表，核對記錄表每天抽水時間的準確性。整個試驗過程抽水出水均正常，末發生異常情況。

1.2試驗結果

每個試驗井點排水量采用水表計量，每隔24 h記錄一次排水量，觀測期為1個月。各試驗井排水過程線見圖2。圖中點實線為實測值，實線為計算擬合值。

各試驗井初始排水量和穩定排水量如圖3所示，比較各試驗井初始排水量、結束時排水量可知，試驗井深度及相對位置對排水量影響較大。1號、6號井井深為40 m，初始排水量為53 m³、56 m³，基本穩定時流量為29.3 m³、44 m³。3號、5號井井深同為40m，其初始階段、穩定階段排水量均小于1號井、6號井，主要原因是其在1號、6號井之間，受其影響較大。2號井初始排、穩定時排水流量分別僅為8.8 m³、4.0 m³，主要是其井深僅為30 m，比相鄰井深度少10 m。

從影響半徑來看，1號、6號距相鄰井距離為15m、20 m，6號井排水量略高于1號井。從時間上來看，1號、6號井試驗結束時，即排水25～30 d后，排水量基本達到穩定；3號、4號、5號井排水20 d后，排水量基本達到穩定；2號井排水20 d后，排水量基本達到穩定。

由試驗數據分析可以看出，各試驗井的數據與滲流基本規律一致，1號一6號井平均排水量，初始階段排水量平均值為33.2 m³，穩定階段排水量為平均值為20.9 m³。

2有限元結果分析

2.1有限元計算理論

根據飽和-非飽和土的滲流基本微分方程，應用Galerkin加權余量法及格林第一公式，對時間采用隱式有限差分格式，導出非穩定飽和-非飽和滲流有限元法的基本方程

（1）

2.2有限元分析模型

根據滲流計算分析的一般原則和特點，結合深井排水實驗及工程擬采用的深井排水布置情況，考慮到如以完整的實驗方案建立模型，工作量較大，因此考慮以外最外側兩孔深井建立數值模型。以試驗井鄰近地質勘測孔土層分布建立數值模型的豎向分布，取以1號島基礎外側兩排深井作為模型的邊界，計算模型的截取范圍如下：X方向以最外側排水井為基準，向外截取150 m，向內截取島第二口井；Z方向為高程方向，底部截至相對不透水層，底高程-76 m；y方向取井孔直徑0.20 m，數值模型計算范圍見圖4。計算模型保留土層的詳細結構，準確模擬基礎分層。

模型左側截取邊界地面高程以下部分、右側深井井底以下部分以及模型底部，取為不透水邊界；初始地下水位為已知水頭邊界，深井井壁邊界部分為出滲邊界，深井內滲水及時抽排，井內水位設置固定水深0.1 m。沿壩軸線截取的兩側面均為不透水邊界。三維有限元網格模型節點總數為33 300個，單元總數為16 325個，有限元網格模型圖見圖5。

2.3非穩定滲流分析參數

根據地質勘測資料和現場試驗以及類比其它類似工程，本工程采用的滲透系數見表1。初始時刻地下水位2.0 m。

對于所缺的黏土、粉質黏土夾粉土的土水特性關系曲線，計算采用滲透系數類似工程的砂摻合料的土水特性關系來進行計算分析。體積含水率θ與毛細壓力^的關系，以及體積含水率θ與相對透水率k_r的關系分別見表2、表3。本次計算分析粉質黏土的土水特性參照粉質黏土夾粉土的土水特性關系曲線。

2.4深井降水效果分析

本次分析考慮以深井降水控制深度32 m、井間距30 m，建立基本模型。飽和一非飽和非穩定滲流下模型剖面的浸潤線位置、等水頭線及其數值見圖6。由圖可知，深井連續排水條件下，兩井點之間的地下水位能有效降低，粉質黏土夾粉土相對透水層排水效果明顯，黏土層處于暫態飽和狀態，其面積隨時間的增加逐漸減小，由于黏土的滲透系數較小，其暫態飽和狀態消散速度較為緩慢。降水至第7 d，兩井間飽和區面積為初始狀態下的27.84%，至第30 d，兩井間飽和區面積為初始狀態下的25.56%。從外側井降水效果來看，其較為明顯的影響半徑約為80 m，在前150 d時間段內變化不大，隨著時間的增加而逐漸擴大，至穩定時刻見圖6。

暫態飽和區平均厚度變化見圖7，從圖中可以看出，從時間上看，從第7 d至150 d，暫態飽和區平均厚度由8.72 m降為6.24 m，其占原初始狀態飽和區厚31 m的28 2%降為20.1%。同時由于第三層黏土較厚，暫態飽和區占主要部分，其厚度約占總厚度的80%。從圖的變化趨勢看，其暫態飽和區完全消散的時間約為550～600 d。

當井間距由30 m減少為20 m時，暫態飽和區厚度能明顯減少，以降水至第15 d為例，深井間距20 m與30 m時暫態飽和區對比見圖8，其暫態飽和區厚度由8.56 m減少為4.06 m，此刻占原初始狀態飽和區厚31 m的27.6%降為13.1%。

試驗井排水量與數值計算排水量對比見圖9，從深井排水量來看，與一號試驗井相比，外側井理論計算第7 d、15 d、30 d排水量分別為10.30 m³/d、17.10 m³/d、15.50 m³/d，小于試驗井的35.7m³/d、34 m³/d、2933 m³/d，與試驗井平均排水量基本相當。出現這種原因主要有：f 1）試驗1號井比模型要深8 m，其排水量必然較大；（2）為減少計算量，本次采用的數學模型與實際試驗井存在一定的區別。從兩者排水量級及變化趨勢看及考慮上述原因，本次數值計算結果基本與試驗數據保持一致。對比外圍井與內部井排水量來看，外部排水量大于內部井，主要原因是外部井的集水面積大于內部井，這與井群滲流規律保持一致。

考慮到地層的不均勻性，擋土層滲透系數在一圖10、圖11。定范圍內變化時，深井排水30 d時其地下水位線見當相對透水層滲透系數放大10倍時，暫態飽和區厚度略有減少，暫態飽和區面積與基本工況相比，占原初始狀態飽和區厚31 m的28%降為24%。當相對透水層滲透系數縮小10倍時，相對透水層排水效果急劇減少，暫態飽和區面積大幅度上升，占初始狀態飽和區的62%。

當黏土層滲透系數放大10倍時，相對透水層排水效果減若，暫態飽和區面積大幅度上升，占初始狀態飽和區的47%。當黏土層滲透系數放大100倍時，基礎滲透系數均處于同一數量級，深井排水效果不明顯，其地下水位下降約8.6 m，非飽和區僅為初始狀態飽和區的26%，連續排水150 d后，地下水位下降18.5 m，非飽和區約為初始狀態飽和區的58%。這種現象的主要原因是土層的滲透系數較大，深井間距相對大，深井水補給量較大，這從井的影響半徑及排水量上能明顯反映。上述分析表明，相對透水層與黏土滲透系數差距越大，降水效果越明顯，兩者相差一個數量級時，非飽和區面積約占50%左右。

黏土層滲透系數變化相對應的井排水量見圖12，由圖可知，土層的滲透系數變化對井的排水量影響較大。以降水第15 d為例，相對透水層滲透系數放大10倍后，外側井排水量為75.20 m³，排水量增加4.85倍，內側井排水量為9.5 m³，排水量增加2.73倍；相對透水層滲透系數減小10倍后，外側井排水量為4.62 m³，排水量為原來的30%，內側井排水量為1.29 m³，排水量增加0.37倍。當黏土的滲透系數放大10倍、100倍時，外側井排水量分別為原來的1.95倍、6.6倍，內側井排水量分別為原來的3.65倍、12.2倍。

3結論

針對黏土地基深井降水效果，基于現場試驗成果分析，以及非穩定飽和-非飽和有限元法有限元的非穩定滲流分析，分析了深井降水的非穩定滲流場，對比分析了試驗深井的排水效果實測數據，開展了粘土地基滲透性對降水效果的敏感性分析，可得到以下結論。

（1）擬建場地地層含水量較為豐富，通過深井降水試驗和有限元分析可知，在井深35～40 m、井間距20-30 m條件下，深井能夠有效降低地下水位，四周外圍井間距應適當減少，采取管井降水加速地基沉降是可行的。

（2）通過三維非穩定滲流有限元計算分析可知，針對黏土地基，采用深井降水，深井降水前15-20 d時，深井降水效果明顯，但后期較弱，建議擬建場地清基前15-20 d前開始管井降水。

（3）因本工程相對透水層滲透系數較小，相對透水層與黏土滲透系數相差越大，降水效果越明顯，本案例中兩者相差一個數量級時，非飽和區面積約占50%左右，相差二個數量級時，非飽和區面積約占70%左右。

（4）本工程深井降水水位較低，降水效果明顯，當水位較高時，采用此類方法進行排水，效果有待進一步研究。