濟(jì)南承壓含水層場(chǎng)地單井常壓回灌試驗(yàn)研究

孫劍平，許瑞健，江宗寶，邵廣彪，

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東建大工程鑒定加固研究院，山東 濟(jì)南250014）

0 引言

深基坑工程進(jìn)行坑內(nèi)降水時(shí)將大量抽取地下水，止水帷幕滲漏及地下水的繞滲將會(huì)影響基坑周圍場(chǎng)地地下水平衡而產(chǎn)生固結(jié)沉降［1］，同時(shí)大量抽取地下水也將會(huì)造成水資源浪費(fèi)。如濟(jì)南西客站片區(qū)距離中心區(qū)約為10 km的范圍內(nèi)，長(zhǎng)期穩(wěn)定的地下水位埋深約為2.0～3.0 m，隨著該片區(qū)近年來(lái)的大規(guī)模水位下降的影響，目前總體地下水位埋深已穩(wěn)定在6.0～8.0 m，水位下降造成的大范圍地面沉降將對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生較為不利的影響，同時(shí)也不利于地下水資源的保護(hù)。因此，發(fā)展人工回灌技術(shù)既可以有效控制地下水位的穩(wěn)定，減小土體固結(jié)沉降，避免周邊環(huán)境沉降事故，也可以將坑內(nèi)降水再次回灌于地下，有效地保護(hù)水資源，避免城市沉降漏斗的產(chǎn)生。

目前，地下水控制技術(shù)規(guī)范對(duì)回灌設(shè)計(jì)及施工進(jìn)行了相關(guān)的規(guī)定［2］，但由于地層的差異性及復(fù)雜性，回灌理論計(jì)算與工程實(shí)際相比仍有一定的差距。隨著城市地下工程建設(shè)力度的日益增加，對(duì)基坑周邊環(huán)境保護(hù)及地下水回灌引起更多學(xué)者的關(guān)注，主要在理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程應(yīng)用等方面進(jìn)行了相應(yīng)的研究。毛根海等［3］利用勢(shì)流理論和鏡像原理，推導(dǎo)了完整及非完整抽—注水井耦合作用時(shí)浸潤(rùn)線的計(jì)算公式；鄭剛等［4］在天津某地鐵基坑工程場(chǎng)地開(kāi)展了單井抽灌試驗(yàn)和群抽群灌試驗(yàn)，全面研究了天津第二粉土粉砂微承壓含水層回灌特性；吳建中等［5］對(duì)防治上海市地面沉降進(jìn)行了人工回灌試驗(yàn)研究；俞建霖等［6］采用水頭線性疊加的方法提出了5步驟的回灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為工程應(yīng)用提供參考方法；趙志航等［7］進(jìn)行深層承壓水回灌數(shù)值研究，表明深層承壓水層回灌能有效控制保護(hù)區(qū)水位變化和地表沉降；王國(guó)富等［8］采用模糊層次分析和專家調(diào)查法，研究了濟(jì)南地鐵車站基坑的回灌適宜性，確定含水層滲透系數(shù)及厚度為地下水回灌最重要的因素；瞿成松等［9］基于下負(fù)荷面劍橋理論，建立地面沉降的數(shù)學(xué)模型，科學(xué)預(yù)測(cè)了人工回灌下深基坑工程的地面沉降，與實(shí)際數(shù)據(jù)較為吻合；李罡［10］以濟(jì)南軌道交通R1線工程為背景，針對(duì)濟(jì)南的水文地質(zhì)條件，歸納總結(jié)了回灌技術(shù)的實(shí)施要點(diǎn)；牛磊等［11］通過(guò)對(duì)比地下水回灌前后的各項(xiàng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行回灌可以有效地保證基坑與周邊建筑物的穩(wěn)定；曾超峰等［12］研究了主、副回灌井布置條件下，副回灌井的回灌量對(duì)組合回灌引起的土體變形的影響，并從控制土體變形方面對(duì)回灌井的布置提出了建議。

上述研究，雖然針對(duì)地下水回灌的不同方面開(kāi)展了相關(guān)研究，但對(duì)于承壓水層場(chǎng)地單井常壓條件下回灌影響半徑及回灌能力尚未有系統(tǒng)的研究。文章利用濟(jì)南西客站片區(qū)某工程建設(shè)場(chǎng)地，對(duì)于該地區(qū)多層承壓含水砂層非均質(zhì)場(chǎng)地，開(kāi)展實(shí)際場(chǎng)地的多次單井常壓回灌試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析，修正了該場(chǎng)地條件下單井回灌影響半徑及回灌能力計(jì)算方法。

1 濟(jì)南多層承壓含水層回灌場(chǎng)地概況

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地簡(jiǎn)介

濟(jì)南西客站片區(qū)某商業(yè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目共有兩個(gè)地塊，分列于規(guī)劃道路東、西兩側(cè)，其中東地塊后期建設(shè)，地塊內(nèi)空曠，經(jīng)協(xié)商后可利用西側(cè)地塊抽取的地下水在東地塊進(jìn)行回灌試驗(yàn)研究，從而為試驗(yàn)提供了較為有利的場(chǎng)地條件。

為減少工程浪費(fèi)，回灌研究時(shí)東地塊擬建建筑已設(shè)計(jì)完畢，故在現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行后期降水井施工，試驗(yàn)時(shí)則利用此次施工的降水井開(kāi)展回灌研究，由于該場(chǎng)地?zé)o任何地下結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)?zāi)芊从匙杂蓤?chǎng)地降水及回灌特性。達(dá)到了開(kāi)工節(jié)點(diǎn)，上述降水井再投入到實(shí)際工程中。

1.2 場(chǎng)地地質(zhì)條件

根據(jù)場(chǎng)地勘察報(bào)告，場(chǎng)地區(qū)域地貌類型屬山前沖積平原，地層以粉質(zhì)黏土和粗砂層為主，場(chǎng)地典型地層剖面如圖1所示。

圖1 場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面圖

對(duì)于粗砂層，④層粗砂主要為黃褐色，其松散、濕且局部飽和，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石，其呈亞圓狀、顆粒均勻、級(jí)配不良，平均厚度為1.08 m。⑦層粗砂主要為黃褐色，其稍密、局部密實(shí)且飽和，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石，其呈亞圓狀、顆粒均勻、級(jí)配不良，含黏性土團(tuán)塊及圓礫，并局部含圓礫較多；該層局部呈泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，巖芯呈短柱狀、塊狀，泥質(zhì)膠結(jié)處較易鉆進(jìn)，巖芯手可掰開(kāi)；鈣質(zhì)膠結(jié)處較難鉆進(jìn)，巖芯錘擊不易碎，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)程度不一，呈不規(guī)律分布，其平均厚度為1.20 m。

對(duì)于粉質(zhì)黏土層，②和③層均有描述局部夾粉土薄層，厚度為20～40 cm；⑤和⑥層均有描述局部含姜石或少量粗砂及圓礫。

場(chǎng)地地下水屬于第四系空隙潛水，勘察期間測(cè)得地下水穩(wěn)定水位埋深約為7.5 m，水位標(biāo)高為19.60 m。④與⑦層粗砂層總厚度為2.28 m，其滲透系數(shù)遠(yuǎn)超出其上下粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)，故此兩層可視為該場(chǎng)地的透水層和主要回灌層。另外，由于上下隔水層的存在，粗砂層具有一定的微承壓性；由黏性隔水層和中粗砂透水層間隔分布，形成濟(jì)南地區(qū)西部常見(jiàn)的多層非均質(zhì)場(chǎng)地，其主要地層分布及滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地土層參數(shù)表

2 多層承壓含水層回灌試驗(yàn)布置

在地下水抽取過(guò)程中，地下水位曲線逐漸呈漏斗狀，水的滲流帶是原始地下水位以下及井內(nèi)水位以上的土層；在回灌的情況下，地下水位曲線呈倒漏斗狀，水的滲流帶是周圍地下水位以上及井內(nèi)水位以下的土層，降水與回灌影響曲線如圖2所示。由于滲透系數(shù)是場(chǎng)地固有特性，影響范圍受滲透系數(shù)的影響顯著，為確保回灌試驗(yàn)的順利實(shí)施，取得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將根據(jù)地層相關(guān)參數(shù)計(jì)算后，繼續(xù)回灌井的布置。

圖2 降水與回灌影響曲線示意圖

2.1 場(chǎng)地滲透系數(shù)

場(chǎng)地滲透系數(shù)可根據(jù)各土層滲透系數(shù)加權(quán)平均計(jì)算，見(jiàn)表1。可得到場(chǎng)地的埋深＜20 m，即地表至⑦層粗砂層底部范圍內(nèi)的等效滲透系數(shù)k為0.68m／d。

由于工程項(xiàng)目西地塊正在進(jìn)行降水施工，可利用實(shí)際單井降水量計(jì)算滲透系數(shù)。在西側(cè)場(chǎng)地取5眼降水井滿負(fù)荷抽水，抽水穩(wěn)定一周后，單井最大抽水量為28 m3／d，單井平均抽水量為221 m3／d。管井的單井出水能力由式（1）［2］表示為

式中：q0為管井的單井出水能力，取值為221 m3／d；rs為過(guò)濾器半徑，取值為0.175m；l為過(guò)濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度，取值為2.3 m；k為含水層滲透系數(shù)，m／d。

將相關(guān)參數(shù)代入式（1），計(jì)算可得k為3.07m／d。

以上兩種方法得到的滲透系數(shù)相差較大，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得的資料進(jìn)行滲透系數(shù)計(jì)算，更符合地下水層流運(yùn)動(dòng)的假設(shè)條件，后期計(jì)算均采用該滲透系數(shù)值。

2.2 回灌影響半徑

根據(jù)規(guī)范中的庫(kù)薩金公式可以進(jìn)行降水井影響半徑的計(jì)算［2］，潛水含水層和承壓水含水層的降水井影響半徑R1、R2分別由式（2）和（3）表示為

式中：sw為井水位降深，m；k為含水層滲透系數(shù)，m／d；H0為潛水含水層厚度，m。

假設(shè)初始水位位于地表，則實(shí)際水位相當(dāng)于井水位降深sw為7.5 m；如按潛水含水層考慮，則潛水含水層的厚度H0為12.5 m，代入式（2）計(jì)算，可得降水影響半徑R1為124.2 m。如按承壓水考慮，則降水影響半徑R2為131.4 m，降水的影響半徑稍大。

回灌是抽水的逆過(guò)程，假定回灌和抽水條件下的影響因素相同，相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式也適用于回灌井流［13］，可以根據(jù)式（2）和（3）進(jìn)行回灌影響范圍的簡(jiǎn)單理論計(jì)算。

2.3 回灌試驗(yàn)井布置

考慮初步計(jì)算的回灌影響范圍為124.2～131.4 m，則按照正常基坑降水井布置完全能夠滿足回灌試驗(yàn)要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在東地塊場(chǎng)地南側(cè)按照后期的降水井進(jìn)行布設(shè)，先期施工試驗(yàn)井有13眼，井水平間距為13 m、井深為20 m、井徑為600 mm和濾管內(nèi)徑為350 mm。

先期試驗(yàn)井布置如圖3所示，該13眼試驗(yàn)井可以選擇某一眼井進(jìn)行回灌，其余試驗(yàn)井作為水位觀測(cè)井以量測(cè)地下水位。

圖3 試驗(yàn)井布置平面圖／m

為進(jìn)一步精細(xì)化反映回灌過(guò)程中地下水位的變化，后期在9＃與10＃井之間增設(shè)了6眼水位觀測(cè)井，編號(hào)為a～f，井間距、井徑分別為1.9 m和220 mm。

3 濟(jì)南多層承壓含水層場(chǎng)地單井回灌實(shí)驗(yàn)

3.1 常規(guī)單井回灌試驗(yàn)

3.1.1 單井最大回灌量

先對(duì)4＃井進(jìn)行自然回灌，重點(diǎn)觀察1～7＃井水位回升情況。開(kāi)始回灌時(shí)，4＃井內(nèi)水位標(biāo)高為19.60 m，而地面標(biāo)高約為27.10 m。

表2 單井日回灌量試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)日回灌量達(dá)到110 m3／d時(shí)，回灌井內(nèi)水位基本處于地表位置，如再增大回灌量，井內(nèi)地下水溢出，該回灌井最大回灌量約為110 m3／d。

相鄰場(chǎng)地單井最大日抽水量為286 m3，單井平均日抽水量為221 m3，而回灌量?jī)H有110 m3／d，兩者相比可得單井常壓條件下實(shí)際回灌率約為30%～50%，略大于某深層承壓水層約為28%的回灌率［14］，這可能與場(chǎng)地存在兩層承壓水層有一定關(guān)系。如要滿足基坑降水全部回灌的要求，則回灌井的數(shù)量至少應(yīng)為降水井的兩倍。

3.1.2 回灌影響范圍初判

根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)，在4＃井進(jìn)行回灌過(guò)程中，即使日回灌量由20m3／d增加到110m3／d，在其左、右兩側(cè)的6個(gè)觀測(cè)井水位均無(wú)明顯變化。由此可見(jiàn)，此工程場(chǎng)地條件下單井常壓回灌的影響范圍＜13.0 m。

與利用庫(kù)薩金公式計(jì)算的影響半徑相比，實(shí)際回灌影響半徑遠(yuǎn)小于理論值，因此進(jìn)行回灌工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的回灌試驗(yàn)，以確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，為適應(yīng)新時(shí)代社會(huì)的發(fā)展，要求學(xué)生全面提高素質(zhì)能力，對(duì)學(xué)生增加了學(xué)業(yè)的壓力，每個(gè)學(xué)校都以成績(jī)制定門(mén)檻，只有取得好成績(jī)，學(xué)生才能走進(jìn)理想的大學(xué)，在嚴(yán)肅的教育下，無(wú)形地增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力。與此同時(shí)，還有很多家長(zhǎng)及教師，對(duì)自己的孩子以及學(xué)生有著更高的期盼，從而對(duì)青少年苛刻要求，使學(xué)生在心理上產(chǎn)生了極大的負(fù)擔(dān)，使其不能靈活面對(duì)問(wèn)題，長(zhǎng)此以往，抑制了青少年發(fā)揮自身的個(gè)性特點(diǎn)，產(chǎn)生了影響學(xué)生成長(zhǎng)的心理問(wèn)題，例如抑郁、過(guò)度緊張等。

3.1.3 單井回灌穩(wěn)定水頭分析

根據(jù)相關(guān)研究［13，15］，對(duì)場(chǎng)地多層承壓含水層，水流進(jìn)入回灌井后，隨著井內(nèi)地下水位逐漸隆起，在井周圍形成軸對(duì)稱的地下水丘，然后水流將主要進(jìn)入地下含水粗砂層，此時(shí)豎向流動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平流運(yùn)動(dòng)，該流動(dòng)為滿足裘布依公式的層流，符合達(dá)西定律的條件為連續(xù)穩(wěn)定流，因此承壓含水層回灌井內(nèi)的穩(wěn)定水位可由式（4）［2］表示為

式中：Q為回灌井回灌量，m3／d；h0為回灌時(shí)井內(nèi)的動(dòng)水位，即回灌時(shí)穩(wěn)定水頭至含水層底板高度，m；H0為自然狀態(tài)下含水層底板至井內(nèi)水位高度，m；h0－H0為穩(wěn)定水頭差，m；M為承壓砂層厚度，取值為2.28 m；影響半徑R2取值為13.0 m；rw為濾水管半徑，m。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，4＃井回灌量和井內(nèi)的穩(wěn)定水頭差變化如圖4所示，可見(jiàn)在場(chǎng)地兩層粗砂層條件下，單井回灌過(guò)程表現(xiàn)為承壓含水層穩(wěn)定層流現(xiàn)象，實(shí)測(cè)回灌量與井內(nèi)穩(wěn)定水頭差呈線性上升趨勢(shì)，與式（4）計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)基本符合；同時(shí)當(dāng)回灌量增大到一定程度，井內(nèi)穩(wěn)定水頭差增長(zhǎng)趨緩，實(shí)際與理論計(jì)算的水頭差差距增大。

圖4 回灌井穩(wěn)定水頭差隨日回灌量變化曲線圖

3.2 精細(xì)化單井回灌試驗(yàn)

如圖3所示，9＃與10＃井之間增設(shè)6眼井，實(shí)際井間距約為1.9m，通過(guò)加密井位布置對(duì)回灌效果進(jìn)行精細(xì)化研究。

3.2.1 精細(xì)回灌試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)9＃井進(jìn)行常壓自然回灌，在保證井內(nèi)水滿而不溢的情況下回灌量最大值為117 m3／d，試驗(yàn)持續(xù)一周，對(duì)a～f井及10＃井共7眼井的水位進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)初始、第3、5及7穩(wěn)定水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3，并將表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如圖5所示。

表3 精細(xì)回灌試驗(yàn)結(jié)果表／m

圖5 單井回灌水位曲線圖

根據(jù)表3和圖5分析可知，時(shí)間約為5 d時(shí)，單井自然回灌周邊地下水位基本達(dá)到穩(wěn)定；隨著水平距離增大，回灌引起的水位升高迅速衰減；該場(chǎng)地條件下，單井最大回灌量時(shí)產(chǎn)生的回灌影響距離約為11.0 m，驗(yàn)證了前期觀測(cè)井間距為13.0 m時(shí)，無(wú)法反映回灌后周邊土體地下水位變化情況。

3.2.2 回灌影響半徑

由回灌試驗(yàn)所得到的影響半徑約為11.0 m，與庫(kù)薩金公式計(jì)算結(jié)果相差較大，也反映了回灌過(guò)程與抽水過(guò)程存在一定差異，因此需將主要用于降水試驗(yàn)的庫(kù)薩金公式進(jìn)行折減修改后用于回灌影響半徑的計(jì)算。

考慮承壓水層條件，計(jì)算影響半徑為131.4 m，實(shí)際試驗(yàn)尚不到10%，因此需對(duì)式（3）進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以用于回灌實(shí)際影響半徑計(jì)算。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，考慮承壓含水層厚度M的影響，承壓含水層條件下單井回灌影響半徑可由式（5）表示為

利用式（5）進(jìn)行回灌影響計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

3.2.3 單井回灌能力

實(shí)際工程在進(jìn)行回灌井?dāng)?shù)量設(shè)計(jì)時(shí)，需預(yù)估單井回灌能力，對(duì)承壓含水層回灌井，仍利用式（4）進(jìn)行單井回灌量的計(jì)算，計(jì)算時(shí)僅考慮承壓含水層的厚度M，并根據(jù)精細(xì)回灌試驗(yàn)，實(shí)際單井回灌影響半徑取11.0 m。

利用4＃井回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同回灌強(qiáng)度下的理論回灌能力計(jì)算，見(jiàn)表4，實(shí)際回灌量約為理論計(jì)算的1.3倍，說(shuō)明實(shí)際場(chǎng)地除承壓砂層外，其余地層也有一定的滲透作用，并隨著回灌井內(nèi)水頭差的增大，實(shí)際回灌量進(jìn)一步增大，最高穩(wěn)定水頭時(shí)達(dá)到1.38倍，因此進(jìn)行回灌能力估算時(shí)，可根據(jù)隔水層厚度和滲透系數(shù)等情況將理論回灌量增加30%。

表4 單井回灌量實(shí)測(cè)與理論計(jì)算結(jié)果比較表

4 結(jié)論

文章對(duì)濟(jì)南地區(qū)多層非均質(zhì)承壓含水層場(chǎng)地單井常壓回灌進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算公式，分析了單井回灌的穩(wěn)定水頭、影響范圍及回灌量的計(jì)算公式及方法，總結(jié)了相應(yīng)的回灌規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

（1）試驗(yàn)場(chǎng)地單井回灌為承壓含水層穩(wěn)定流，實(shí)測(cè)回灌量與井內(nèi)穩(wěn)定水頭差呈線性上升趨勢(shì)，與理論公式計(jì)算趨勢(shì)基本符合。同時(shí)，當(dāng)回灌量增大到一定程度，井內(nèi)穩(wěn)定水頭差增長(zhǎng)趨緩，實(shí)際與理論計(jì)算的水頭差差距增大。

（2）在同場(chǎng)地條件下，單井常壓回灌量約為抽水量的30%～50%，因此常壓回灌時(shí)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)合理確定單井回灌量。另外，常壓回灌效率較低，難以實(shí)現(xiàn)水資源的合理保護(hù)，因此應(yīng)對(duì)加壓回灌進(jìn)行深入研究和推廣應(yīng)用。

（3）作為回灌設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要參數(shù)，實(shí)際回灌影響半徑遠(yuǎn)小于理論計(jì)算，在實(shí)際工程中應(yīng)通過(guò)場(chǎng)地試驗(yàn)確定該參數(shù)，才能合理確定回灌井間距。