基于Aquifer test 的基坑降水試驗分析
——以天津地鐵11 號線外環輔道站為例

2020-07-03 04:00:36劉軼喆

科學技術創新 2020年19期

劉軼喆

（中國交通建設股份有限公司總承包經營分公司，北京100032）

地鐵施工期間，為保證基坑的安全開挖，需通過短期的降水試驗驗證坑內降水井的成井質量，得到單井出水量、基坑涌水量、水位降深及含水層滲透系數等信息，推斷坑內降水井布置是否能滿足將基坑水位降至基底的要求[1]。目前針對工程降水試驗的數據結果，多數工程采用基于傳統解析法的穩定流抽水試驗公式計算滲透系數，但由于抽水孔井損及水躍等現象的存在，使得計算結果有一定程度偏差。另一方面，由于技術人員能力及條件的限制，大部分抽水試驗過程中非穩定階段觀測的大量數據以及水位恢復階段觀測數據未能有效的利用和分析，因此，采用專業的抽水試驗軟件Aquifer test 軟件，最大程度利用試驗數據分析水文地質參數尤其必要。

Aquifer test 軟件由加拿大滑鐵盧水文地質公司開發研制，專門用于抽水試驗和微水試驗資料分析、數據處理的圖形化、分析軟件。該軟件處理試驗數據快捷簡便，包含了多種分析模型，包括Theis、Cooper & Jacob 等模型，能夠確定多種類型含水層的參數，如承壓含水層、潛水含水層、越流含水層和基巖裂隙含水層等，并能夠進行水位預測、井群干擾降深計算、含水介質性質判斷以及試驗數據處理報告等功能[2]。

1 場地自然地理概況

工程建設區位于天津市區，天津的地下水受基底構造、地層巖性和地形、地貌、氣象以及海進、海退等綜合因素的影響，水文地質條件較復雜。場地內地下水分為潛水和承壓水，上部潛水埋藏較淺，勘察期間地下水穩定水位埋深0.5～1.5m（高程1.24～2.49m）。主要賦存于人工填土層、第Ⅰ陸相層及第Ⅰ海相層中的粉土、黏性土與淤泥質土互層的地層中。潛水接受大氣降水和地表水入滲補給，地下水具有明顯的豐、枯水期變化，多年變化平均值0.8m。主要含水介質顆粒較細，水力坡度小，地下水徑流十分緩慢。排泄方式主要有蒸發、人工開采和下滲補給下部承壓水。工程建設涉及兩層地下承壓水，第一層承壓水，穩定水位埋深3.56～5.39m（高程-0.54～-2.48m），含水層埋深15.4～20.3（高程-12.12～-17.53m），巖性以黏質粉土、粉砂為主。第二層承壓水，穩定水位埋深4.91m（高程-1.89m），含水層埋深25.7～35.50（高程-22.94～-32.22m），巖性粉砂及黏質粉土為主。承壓水主要接受上層潛水滲透補給，與上層潛水水力聯系緊密，排泄以相對含水層中的徑流形式為主，同時以滲透方式補給深層地下水，各層地下水水位受季節影響較小。根據潛水、微承壓水穩定水位觀測變化情況，在宏觀角度上，潛水、微承壓水水力聯系密切。

2 抽水試驗設計

2.1 場地抽水井設置

本次抽水試驗位于車站主體基坑內，基坑標準段深度約為16.9m，寬度為20.7m。盾構井段基坑深度為18.8m，寬度為25.7m。基坑內外抽水井監測井位置如分布圖所示。各井井深、井徑等相關參數見表1。抽水試驗采用單孔抽水，抽水孔為J1 孔，觀測孔為J2、J3、G2、WG1-2、WG2-2，各觀測孔距離抽水孔的距離見圖1，抽水孔及觀測孔的初始水位見表2，抽水孔結構見圖2。基坑周邊建有止水帷幕，阻擋坑內地下水與坑外地下水的相互聯系。

抽水觀測時間按開泵后規定的時間間隔進行，各類水位觀測井時間間隔如下：坑內疏干觀測井：每隔30min 觀測一次，至水位穩定后每2h 觀測一次，直至抽水停止。坑內承壓水備用觀測井：每2h 觀測一次，直至抽水停止。坑外水位觀測井：每2h 觀測一次，直至抽水停止。

圖1 單井抽水試驗井布置圖

表1 降水井及觀測井參數和初始水位統計表

圖2 抽水井地層巖性及結構示意圖

2.2 單井抽水試驗結果

抽水期間，J1 降水井前期出水量約2.0m3/h，后期出水量逐漸減小，出水量約0.90m3/h。動水位穩定標高為-19.41m。實驗過程中觀測井內水位降深統計見表2。

表2 觀測孔水位降深統計(m)

單井試驗抽水期間坑內外觀測井水位隨時間變化曲線見圖3，圖4。

圖3 單井試驗期間坑內觀測井水位變化特征曲線

圖4 單井試驗期間坑外觀測井水位變化特征曲線

3 試驗結果分析

3.1 穩定流抽水試驗分析

選用潛水完整孔穩定流滲透系數的計算公式，對滲透系數進行計算。首先，利用抽水孔數據計算滲透系數，然后利用坑內觀測孔數據計算滲透系數[3-5]。兩種計算公式如下：

式中：Q 為抽水井流量(m3/d)；M- 含水層厚度(m)；K 為滲透系數(m/d)；rw為井半徑(m)；sw為抽水井處的水位降深；R 為影響半徑（圓島半徑）(m)；s1、s2分別為r1和r2處的水位降深。

經計算，利用抽水孔數據計算滲透系數為0.096m/d；影響半徑為21.5m；利用坑內兩觀測孔數據計算滲透系數為0.0405m/d，兩觀測孔計算結果比抽水孔計算值小一半以上。

3.2 Aquifer test 求參

將抽水孔及觀測孔（主要利用坑內觀測孔）的初始水位數據、孔徑、地下水位動態數據輸入軟件的相應模塊中，利用Analysis 模塊中Theis、Theis 水位恢復法、Cooper-Jacob 時間降深、Cooper-Jacob 距離降深4 種方法對抽水孔及觀測孔的數據進行配線、分析，配線過沖中主要利用分析工具中“ Fit”工具，進行自動配線擬合。通過軟件計算，不同方法及井孔數據的結果見表3。

由計算結果發現，利用抽水孔或不同觀測孔數據，采用同一方法的計算結果不同。計算的滲透系數值存在J3＞J2＞J1 的情況。對比不同方法計算結果，Theis 水位恢復法三個孔的結果變差相對較小，三孔計算結果均值為0.037，與穩定流觀測孔計算結果較為接近。