基于大口徑穩定流抽水試驗的基坑降水方案設計

近年來，隨著長江沿線城市基礎設施建設步伐的不斷加快，基坑深度也在不斷增加，高水頭承壓水深基坑問題亟待解決。在勘察過程中，一般采取大口徑多井、群井穩定流抽水試驗，獲取承壓含水層準確的水文地質參數，以防止基坑突涌、管涌等事故的發生，這對基坑的安全建設具有重要意義。本文以江陰—靖江過江通道北岸盾構井工程抽水試驗為例，開展多井（一抽多觀）與群井（多抽多觀）承壓水穩定流抽水試驗，對基坑底部Ⅱ層承壓含水層進行研究，將得到的多組水文地質參數進行對比，綜合分析給出Ⅱ層承壓含水層準確的水文地質參數，以此為基礎計算基坑涌水量、設計基礎降水方案，并用數值模擬的方法動態模擬基坑降水過程，以期為基坑設計施工提供依據。

1.工程概況

江陰—靖江過江通道長江北岸盾構井基坑位于靖江市六圩村，基坑尺寸30.4m×56m，基坑開挖深度28.9m；工程場區范圍內地面標高2.5m，地下水主要為潛水（水位標高2.2m）、Ⅰ層承壓水(水位標高0.86m)、Ⅱ層承壓水(水位標高0.21m)，由于止水帷幕穿Ⅰ層承壓水進入其下的相對隔水層，場區潛水及Ⅰ層承壓水對工程影響不大；Ⅱ層承壓水位于基坑底部，水頭高、水量豐富，該層承壓含水層對基坑施工安全影響較大。本文主要對Ⅱ層承壓水進行研究，場區地層巖性自上往下依次為新近堆積（Q4ml）的松散～稍密狀人工填土，厚度1m—2m；全新統沖洪積(Q4al+pl) 成因的流塑狀淤泥質粉質黏土，厚度5.5m—9.0m；全新統沖洪積 (Q4al+pl) 成因的軟狀粉質黏土，頂面埋深7.3m—11.7m，厚度4.0m—7.4m；全新統沖洪積(Q4al+pl)成因的稍密狀粉細砂，頂面埋深14.9m—16.5m，厚度5.0m—8.0m，該層是本場區Ⅰ、Ⅱ層承壓水含水層；上更新統沖積—海積（Q3al+mc）成因的可塑狀粉質黏土，頂面埋深20.7m—22.8m，厚度5.6m—7.5m，該層為兩層承壓含水層間的隔水層；上更新統沖積—海積（Q3al+mc）成因的密實狀粉細砂，頂面埋深28.2m—29.4m，厚度20.9m—21.8m，該層是本場區Ⅱ層承壓水含水層；底部為上更新統沖積-海積（Q3al+mc）成因的硬塑狀粉質黏土，頂面埋深49.1m—51.2m，勘察過程中未提示該層底板。場區代表性剖面如圖1所示。

圖1 北岸盾構井工程地質剖面圖

2.試驗方案

2.1 影響試驗方案的因素

工程場區位于長江北側，距長江約1.5km，Ⅱ層承壓水層與長江水之間可能存在水力聯系，在Ⅱ層承壓含水層中存在的流場將導致該層平行與垂直長江方向的水文地質參數存在差異，因此在設計試驗方案時應能分別得到平行與垂直長江方向的上水文參數；從剖面圖上看，Ⅰ、Ⅱ層承壓含水層間由隔水層隔開，但兩層間的隔水層在更大尺度上可能呈透鏡體狀，即Ⅰ、Ⅱ層承壓水可能存在直接水力聯系，對Ⅱ層承壓水進行抽水試驗時，Ⅰ層承壓水會補給Ⅱ層承壓水。因此，判斷兩層承壓水間是否存在水力聯系及水力聯系的強弱，對試驗方案設計及計算公式選擇的影響很大。

2.2 水文鉆孔布置方案

沿平行長江和垂直長江方向布置兩條水文試驗鉆孔，觀測孔與抽水孔距離為5m—10m。所有抽水井均為承壓水完整井，深度55m、井徑600mm、濾管直徑273mm；觀測井除Ⅰ-G01外均為Ⅱ層承壓水觀測井，深度42m、井徑600mm、濾管直徑273mm；觀測井Ⅰ-G01為Ⅰ層承壓水觀測井，深度25m、井徑600mm、濾管直徑273mm。按該方案布置水文孔，通過抽水試驗可以得到Ⅱ層承壓含水層在垂直與平行長江兩個方向上的水文參數，從而能判斷該層在兩個方向上水力學性質是否存在明顯差異；另外，在抽水試驗的同時可以觀察Ⅰ層承壓水水頭的變化，以此判定兩層承壓水之間水力聯系強弱。水文鉆孔平面布置圖如圖2所示。

2.3 試驗過程

2.3.1 成井工藝

在盾構井基坑場區開展了多井（一抽多觀）及群井抽水試驗，采用多種試驗方法比較驗證，以獲取含水層準確的水文地質參數。所有水文試驗井均采用反循環鉆機鉆進成孔，鉆進過程中不使用黏土粉，依靠鉆進過程中自造的泥漿。成孔后趁泥漿稀薄，及時下井管，并在試驗段充填中粗砂，在試驗段以上充填黏土球并搗實，成井后采用活塞洗井，并采用空壓機洗井至水清、砂凈。洗孔完畢后靜置24小時，待水位恢復后開始進行抽水試驗。水文孔深度、濾管位置及結構參數如表1所示。

2.3.2 多井抽水試驗

此次多井抽水試驗從平行長江方向與垂直長江方向兩組分別進行，每組多井抽水試驗分3組降深（因篇幅所限，本文只展示最大降深抽水試驗降深曲線圖）。先進行平行長江方向上的多井抽水試驗（C01為抽水井，G01、G02為觀測井），進行抽水試驗時同步記錄鉆孔Ⅰ-G01中Ⅰ層地下水水頭的變化，平行長江方向上多井抽水試驗各降深曲線如圖3所示。

如圖3所示，根據試驗測量數據，抽水時鉆孔Ⅰ-G01中Ⅰ層地下水水頭沒有變化，證明兩層水之間不存在水力聯系，兩層承壓水之間不存在越層補給，因此，此次抽水試驗適用于裘布衣關于承壓完整井的公式如下：

圖2 水文試驗孔布置圖

圖3 平行長江方向最大降深曲線圖

表1 管井結構數據

表2 平行長江方向抽水試驗水文參數計算成果表

表3 垂直長江方向抽水試驗水文參數計算成果表

圖4 垂直長江方向最大降深曲線圖

圖5 群井抽水時各孔位水位降深曲線圖

平行長江方向抽水試驗水文參數計算成果見表2。

同時，觀測記錄垂直長江方向兩口觀測井G03、G04的水位動態，垂直長江方向上多井抽水試驗各降深曲線如圖4所示。

根據裘布衣關于承壓完整井的公式，垂直長江方向上多井抽水試驗成果如表3所示。

對比表2、表3可知Ⅱ層承壓水含水層在水平、垂直長江方向上的水文參數相近，故可認為Ⅱ層承壓水含水層在兩個方向上的水力學性質相同。

2.3.3 群井抽水試驗

為了模擬施工降水工況（要求水位降深達到基坑結構底板下1m），多井抽水試驗完成后，進行了群井抽水試驗（C01、C02、C03同時抽水，G01、G02、G03、G04為觀測井）測定在群井抽水時Ⅱ層承壓水含水層的水文地質參數，同時對布設的第一層含水層觀測孔（Ⅰ-G01）進行了觀測，進一步分析群井抽水時兩層承壓含水層的越流補給情況。此次群孔抽水選用泵量100m3/h的潛水泵，控制單井穩定出水量均為95m3/h，在連續穩定抽水24h后趨于穩定，觀測孔受影響最小的為G03，水位下降值為19.14m，抽水孔中C03降深最大達28.10m。群井抽水時各水文井水位曲線如圖5所示。

從群井抽水試驗的水位降深關系曲線可以看出，在群井工況下，觀測孔Ⅰ-G01中Ⅰ層承壓水水頭依舊沒有響應，由此可以判定施工降水時Ⅰ層承壓水不會越流補給Ⅱ層承壓水。由于群井抽水工況下沒有專門的計算公式計算含水層的水文地質參數，于是采用水文專業數值計算軟件MODFLOW進行參數反演計算，此次群孔干擾抽水試驗單井穩定出水泵量95m3/h時，反演計算結果顯示Ⅱ層承壓水含水層影響半徑R為1015.19m，計算出滲透系數K值為10.09m/d。

2.3.4 水文地質參數建議值

綜合考慮群井及多井抽水試驗計算成果，施工降水時Ⅱ層承壓水含水層滲透系數K按10.5m/d考慮，當水位降至基坑底板下1m時，影響半徑R取1050m。

3.施工降水方案設計及降水過程動態模擬

3.1 施工降水井管井結構設計

由于基坑作業面較小，施工設備、人員眾多，為了盡可能減少施工抽水作業占據面積，最大效率地抽取地下水，擬采用完整井抽水，有效濾管長度與含水層厚度相當；考慮到工民建市場上水文井鉆探成孔能力、工藝，并結合場地地層情況，抽水井擬采用反循環鉆機成孔，利用成井過程自造泥漿護壁，鉆孔直徑600mm，抽水井徑取273mm。施工抽水管井結構圖如圖6所示。

圖6 施工抽水時管井結構圖

3.2 施工降水井數量確定

按照《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)中8.3.4節單井的管井出水量q(m3/d)可按下列經驗公式確定：

此次施工降水參數rs取0.1365m，l取20m，k取10.5m/d，依《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)公式8.3.4計算單井的管井出水量q=2252.5m3/d，施工降水時應選用出水量100t/h的潛水泵。

基坑平面尺寸30.4×56m,開挖深度為28.9m，Ⅱ承壓含水層地下水位埋深為2.29m，按設計要求，設定地下水位降至基坑以下1m，此時地下水位埋深29.9m，地下水位降深須要達到27.61m。考慮到基坑邊界上支護結構施工，因此，把抽水井布置在基坑邊界外側1m處，對基坑邊界外擴1m的矩形基坑按《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)附錄F中公式(F.0.3-1)計算基坑涌水量Q(m3/d)

圖7 基坑降水Ⅱ層承壓水降水井平面布置圖（紅色圓點表示降水井）

式中，k為滲透系數（m/d）；M為含水層厚度（m）；S為設計水位降深（m）；a，b為基坑邊界外擴1m后的邊長。按該公式計算得基坑涌水量Q=9811.2(m3/d)。

按《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)中公式：計算降水井數量n=4.8，取整為5口。考慮到施工降水過程須要盡量均衡,要求降水井對稱布置，由于施工過程中不允許在基坑中間布置降水井，故設計降水井數量調整為6口，具體平面布置如圖7所示。

3.3 降水過程動態模擬

根據抽水試驗成果，不考慮兩層承壓水間的越流補給，建立三維穩定流數學模型，其書寫模型可用下面的偏微分方程及其定解條件進行描述：

式中：Kx、Ky和Kz分別為x、y、z方向的滲透系數（按現場試驗成果，認為水平方向上Kx=Ky=10.5，依室內試驗Kz=3.49，m/d）；H為含水層的水頭值，m；M為含水層厚度，m為源匯項，m/d；S為給水度或比彈性釋水系數，潛水含水層取重力給水度，承壓含水層取彈性釋水系數為模擬范圍；n為邊界外法向方向單位向量；Γ為側邊界；B為底邊界；H0為初始水頭，m。

圖8 模型運行過程中地下水位等值線圖（紅色區域表示基坑范圍）

結合邊界條件，利用水文專業數值模擬軟件Processing MODFLOW對施工降水過程進行動態模擬，模型運行第1天、第3天、第5天、第10天的地下水流場分布如圖8（a）所示。從不同時期水位等值線圖可以看出，降水井開采條件下地下水位以降水井為中心向基坑延伸。基坑降水初期，地下水位呈現急劇下降趨勢，模型運行第1天時降水井周邊地下水位標高達到目標水位標高-27.4m（對應埋深29.9m）。隨著降水時間的延長，基坑范圍內地下水位標高呈現降低趨勢，當降水井持續以2400m3/d的抽水量運行至第3天時，基坑范圍內接近一半的區域地下水位標高已達到目標水位標高[圖8（b）]。當降水井持續運行至第5天時，基坑區域絕大部分范圍地下水位標高均已達到目標水位標高[圖8（c）]。從圖8（d）可以看出，模型運行第10天時，基坑周邊和基坑內的地下水位標高均已達到目標水位標高-27.4m（對應埋深29.9m），滿足基坑降水所需達到的水位條件。

4.結論

本文通過在抽水過程中對Ⅰ層承壓水頭觀測，判定兩層承壓水之間沒有水力聯系，為選用水文參數的計算公式提供了依據；通過對比分析水平、垂直長江方向上兩組抽水試驗成果，證明了Ⅱ層承壓含水層在兩個方向上水力學性質差異甚小，建模過程中可以認為平面上各個方向上的水文參數相同；通過展開大口徑穩定流多井、群井抽水試驗，綜合確定了Ⅱ層承壓含水層水文參數；基于以上成果，科學地設計了基坑降水方案，并利用數值模擬的方法驗證了基坑降水方案的可行性。