基于數值模擬的深厚卵石地層超深基坑降水預測分析

王晉華

隨著我國城市化進程的加速，各種類型的城市建筑不斷增多，很多城市面臨著空間不足的問題。所以各大城市重視對于城市空間的合理應用，實施了一系列深基坑工程。在此類工程施工過程中，需要將基坑中的水位控制在一定的范圍內，地下水是必須考慮的問題，否則容易導致施工過程中發生危險，成為潛在的安全隱患。在研究中發現，深厚卵石地區往往存在大量的地下水，含水層具有較高的滲透性，增大了施工的復雜度和危險性。所以必須通過有效的方式對降水效果進行分析，減少基坑施工過程中存在的危險，提升施工的質量和效率。

一、工程概況

在基坑施工過程中需要考慮到地下水的影響，本次研究中主要采用開放式施工降水，面積總和達到了17064m2，具體劃分為兩大部分，分別是主體部分、施工豎井部分（L2、L4、L5和L6），其中前者為南北向。在設計的具體施工方案中，總計有136口降水井，各個井的間隔為6m。但是受制于現場的施工條件，有33口降水井并未正常施工。

二、水文地質條件

從地質特征上來看，施工區域地層厚度達到了85m左右，主要劃分為兩種，分別是人工堆積層、第四紀沖洪積層，進一步可以細分為21個大層以及亞層，各個層的厚度以及巖性存在一定的差異性。

結合現有的資料可知，在103m深以內的區域以1層地下水為主，其中潛水含水層的厚度達到了55m左右，具有較高的滲透性，而水位標高、埋深分別是18.8m、29.9m。

在研究過程中實施了1組單井抽水試驗，其中觀測井和試驗井的數目分別為3、1，以此可以得到需要的滲透參數。在試驗過程中需要選擇科學的儀器設備，這里采用了標準測繩、250QJ140-46水泵以及TDS-100F1(DN100)流量計，滿足了試驗的要求。

試驗持續時間為46h，穩定降深3.97m，持續時間33h，涌水量為39.389L/S。

受到諸多因素的影響，試驗過程中的流量存在一定的波動性，經過分析主要與水泵不穩定等因素有關。而水位恢復過程中的穩定性比較高。考慮到上述因素，在滲透系數K的計算過程中利用了恢復數據，選擇了Jacob直線圖解法。

三、地下水數值模擬

1.地下水位觀測數據

在研究過程中進行了1組生產性群井試驗，降臭水井的數目為12，涌水量12673.92m3/d，群井外、中心分別有三個、一個觀測點，降深最大值為1.411m，試驗持續196h。試驗中采用了TDS-100F1(DN100)流量計、250QJ63-54水泵，根據得到的數據可以對第1層進行模擬。

2.含水層及邊界條件概化

確定模擬范圍的原則如下所示：

R、r分別代表影響半徑（降深10m）、基坑等效半徑，需要保證模擬范圍高于二者之和，即不低于2800m。

結合場地和水文地質單元分界的距離進行確定，如果距離遠大于2800m，則選擇通用水頭邊界；模型南北、東西方向基本保持在10km上下。

在選擇邊界上盡可能為水文地質單元分界線。

值得注意的是，在設置邊界條件過程中需要考慮到不同的方向，本次設計的模型主要包括垂向邊界、側向邊界，具體設置為：（1）垂向，在試驗過程中忽略降水等因素產生的影響，所以不存在降雨補給，由于底部主要是白堊紀角礫巖，設置為隔水邊界；（2）側向，需要結合水的流向來進行設置，主要是西北流向東南，所以東、南側，西、北側的邊界設置不同，分別對應著排泄、補給邊界。

3.源匯項概化

源匯項包括12口抽水井，在處理時主要選擇well模塊，1056.16m3/d的單井排水量。

4.地下水流模型的構建

在本次研究中針對地下水流模型進行了設計，具體基于GMS（Groundwater Modeling System）軟件實現。在具體模擬分析過程中使用了多個模塊，除了Modflow之外還包括GHB等多個模塊，便于對相關參數以及邊界進行處理。離散化是建模中的首個過程，即進行網格剖分，該過程的合理性將會直接影響到最終的模擬效果。具體的過程如下所示：

（1）具體需要從豎直方向和水平方向來對模型進行剖分。結合研究區的具體特征，在豎直方向上主要劃分為八層，水平方向網格大小為100m×100m，基坑部分網格密度增大，尺寸為3m×3m～5m×5m。

（2）模擬期總共持續196h，具體時間段為2017年9月22日8:00～2017年9月30日12:00，總計包括為83個應力期（2h），并基于內插和外推法以及現有的數據得到了初始水位。

四、施工降水預測與分析

1.情景設計

在情景設計上需要考慮到多方面的因素，確保相關參數的合理性。其中，井內徑263mm，最大方量水泵100m3/h；以250QJ63-54水泵為主，實際流量是43m3/h。設計出水量43m3/h、63m3/h、80m3/h、100m3/h。據此完成預測施工降水的過程，基坑整體主要劃分為兩部分，首先是豎井L2、L4、L5、L6，其次是主體部分，詳細信息如表1所示。

表1 豎井與工程主體設計降深一覽表

2.結果分析

（1）地下水位隨時間變化：隨著時間的變化水位呈現出的變化特征。其中在前七天內保持了較高的下降速度，而在7天～15天之間雖然仍然持續下降，但是下降幅度明顯變小，在15天之后逐步保持穩定，下降速度基本不變（0.02m/d），各個場景下的穩定時間不同。

（2）施工降水空間差異性分析：①降水區L2豎井和L4豎井處由于降水井布置最密集地下水位最低，基坑主體南段和北段降水井布置較少，因此保持了最高的地下水位；②在將所有井同時開啟的情況下，單日抽水量均可達到較高的要求；③將103口降水井全部開啟之后，在單井出水量不同時，單日抽水量存在一定的差異性；④由于基坑南、北段降水井不足，無法構成閉合圍降。

五、結論

1.在本次研究中針對深厚卵石地層的滲透系數進行了計算，計算過程中利用了非穩定流Jacob直線圖解法，并結合水位恢復數據計算得到的結果為233.4～273.6m/d，平均值為252.0m/d，因此屬于特強透水地層。

2.施工結束之后的103口降水井均不能滿足安全水位的要求，僅當在井間距6m，降水設計方案所有降水井（136口）均能施工，并且單井出水量高于43m3/h時，施工降水方可滿足降水要求，涌水量將達到14萬m3/d。

3.在滲透性極強的深厚卵石地層開展降深大于10m的施工降水，涌水量較大，增大了施工的風險和隱患。