基于GMS三維滲流模型的基坑減壓降水地層沉降特征分析

姚孟杰

(上海市巖土地質研究院有限公司，上海 200072)

1 引言

近年來，隨著我國經濟的飛速發展，城市開發建設進程也逐步加快，奠定了我國成為基建大國的基礎[1～3]。大型商業廣場等城市標志性建筑基坑向更深層次發展，深基坑開挖以及減壓降水過程中勢必引發原始土體應力釋放，引起周邊環境地面差異性沉降，造成環境安全事故[4～6]。因此充分調查項目場地工程地質與水文地質條件，分析地下水風險，控制基坑開挖和減壓降水引起的沉降是基坑工程成敗的關鍵[7～12]。本文上海中學改擴建項目基坑為例，利用抽水試驗和GMS三維滲流模擬分析場地(微)承壓含水層水力聯系及基坑圍護設計方案安全性，有效降低基坑突涌風險和對周邊環境的影響。

2 工程概況

上海中學改擴建工程項目位于上海市徐匯區上海中學校區內，四至范圍東鄰龍川北路黃桐路，西鄰老滬閔路，南至中環路，北鄰嘉川路上中路北側。本項目用地范圍線內面積約36870 m2，拆除建筑面積約12277 m2，擬建建筑面積99000 m2，其中地上建筑面積43000 m2，地下建筑面積56000 m2，建設內容包括新建地下車庫、改擴建教學綜合樓及總體配套工程。其中基坑普遍區域開挖深度為10.60 m，集水井位置深度為11.9 m、電梯井位置深度為12.1 m。

3 工程地質與水文地質條件

3.1 工程地質

本場地在深度60.0 m內地基土均屬第四紀全新世(Q4)及晚更新世(Q3)沉積物，主要由粘性土、粉性土、砂土等組成。擬建場地屬于古河道地層分布區，該地段缺失第⑥層暗綠、草黃色粉質粘土。

3.2 水文地質

本場地勘探深度范圍內涉及地下水類型主要有淺部土層中的潛水和深部第⑤2、⑤3層土中的(微)承壓水。場地淺部土層中的地下水屬潛水類型。地下水穩定水位埋深介于1.19～1.52 m之間，標高介于2.24～3.10 m之間，年水位的變化幅度一般在1.0 m左右。微承壓含水層水位一般低于潛水位，呈周期性變化，水位埋深約3～11 m。場地內第⑤2層層頂埋深一般在18.0～19.7 m，水位埋深在6.10～6.13 m 左右，相應標高為-1.43～-1.40 m。第⑤3-2層層頂埋深一般在24.80～26.80 m之間，水位埋深在6.32～6.35 m左右，相應標高為-1.45～-1.42 m。

4 抽水試驗

4.1 試驗井的布置與結構

根據工程建設的實際需要，試驗共布設抽水試驗井5口(第⑤2層4口，第⑤3-2層1口)，⑤2層微承壓水觀測井3口，抽水試驗井編號C1-C5，井徑273 mm，C1-C2井深24 m，C3-C4井深23 m，C5井深29 m，

圖1 試驗井平面布置

試驗井的布置見圖1。

4.2 單井抽水試驗

本次單井抽水試驗共計3組，⑤2層分別以C1、C3為抽水井，⑤3-2層以C5為抽水井，分別進行單井抽水試驗，并根據抽水試驗結果模擬計算微承壓含水層水文地質參數并分析第⑤2層與第⑤3-2層微承壓含水層水力聯系。

本次含水層水文地質參數計算是以⑤2層的抽水井C1，觀測井C2、C3、G1～3的兩個落程數據進行計算，計算方法采用Aquifertest軟件中定流量非穩定流Cooper-Jacob曲線法及泰斯恢復曲線法，水文地質參數結果見表1。

表1 ⑤2層微承壓含水層水文地質參數

根據實際地層鉆探揭露情況，第⑤2層與第⑤3-2層微承壓含水層之間隔水層厚度約為1 m，工程地質勘察不能確定兩個微承壓含水層是否存在水力聯系，因此，分別通過⑤2層C3為抽水井和⑤3-2層C5為抽水井進行單井抽水試驗，觀測不同層位的水位變化判斷兩個含水層水力聯系特征。抽水試驗抽水井與觀測井水位變化情況如圖2。

圖2 試驗井水位降深隨時間變化曲線圖(C3、C5抽水)

水位動態監測結果顯示：⑤2層C3單井抽水時，抽水井最大降深約為11.69 m，同層位觀測井最大降深約0.554 m，最小降深0.411 m，⑤3-2層觀測井C5最大降深約為0.158 m； ⑤3-2層C5單井抽水時，抽水井最大降深約為16.85 m，⑤2層觀測井最大降深約為0.11 m，最小降深0.067 m。根據水位降深觀測結果可知，第⑤2層與第⑤3-2層微承壓含水層之間有一定的水力聯系，水力聯系較弱。因此，在⑤2層或⑤3-2層進行減壓降水時，可不考慮相鄰含水層之間的相互影響。

4.3 群井抽水試驗

群井抽水試驗以試驗井C1、C2、C3、C4(⑤2層)為抽水井，以試驗井G1-G3(⑤2層)作為觀測井使用，G1-G3各觀測井距離4口抽水井中心(觀測井G1位置)的距離依次為0.0 m、19.7 m、39.9 m，試驗過程中抽水井C1-C4涌水量為0.21～0.79 m3/h，持續抽水時間為6 d，試驗結束抽水井最大降深為11.26～14.14 m，觀測井最大降深為1.03～1.83。

5 GMS滲流模擬與參數檢驗

依據前述單井、群井抽水試驗數據，并結合項目勘察報告鉆孔資料及周邊水文地質條件，確定本次抽水試驗模型模擬的相關水文地質參數，詳見表2。

表2 水文地質參數

根據表2提供的水文地質參數，利用GMS數值模擬軟件構建場地水文地質模型，對⑤2層群井抽水試驗進行了6 d的數值模擬，模擬結果見圖3。

圖3模擬結果顯示：⑤2層微承壓水水位模擬結果與實測結果相近，最大偏差僅0.1 m，沉降模擬結果與實測沉降可以認為在允許的模型擬合誤差范圍內。群井抽水試驗期間地面沉降模擬值與實際觀測值接近，也具有很好的擬合度。模擬結果表明，本次模擬得出的水文地質參數與試驗情況基本相符，相關水文地質參數可以用于基坑的降水設計及施工。

圖3 水位、地面沉降實測值與模擬值對比

6 GMS基坑降水沉降特征分析

6.1 降壓井布置

采用降壓井獨立降水方案，考慮圍護墻的滲流影響，降壓井單井有效抽水面積(α井)可按1000 m2選用。根據設計要求，本次基坑開挖局部最大深度達13.6 m，經計算，第⑤2層微承壓含水層最大需降水深度6.6 m(普遍降水深度4.2 m)。依據本項目基坑分布特征，擬在第⑤2層微承壓含水層布置降壓井16口，第⑤2層減壓井井深24.0 m(濾水管3 m)，井的布置應參照地層分布情況及圍護墻的深度綜合確定。

6.2 基坑減壓降水沉降模擬

基坑圍護設計于基坑邊界設置隔水帷幕深度26.0 m，對第⑤2層微承壓含水層A、B基坑分別減壓降水模擬，根據抽水試驗結果，結合實際圍護結構施工后，圍護結構對水平滲流的阻滯作用，預估單井最大涌水量約為24 m3/d。

采取基坑圍護結構插入深度為26.0 m時，A區第⑤2層微承壓含水層9口降壓井單井涌水量取18 m3/d，B區第⑤2層微承壓含水層7口降壓井單井涌水量取19 m3/d；在現有的基坑圍護設計條件下，根據抽水試驗結果對基坑持續10 d減壓降水的可行性進行數值模擬分析，分析結果見表3，模擬結果見表3。

表3 基坑減壓降水模擬結果統計

基坑減壓降水模擬結果表明，基坑維護結構深度為26.0 m時，A、B區基坑在分區持續減壓降水后，第⑤2層微承壓含水層最大水位降深為7.1 m，能滿足場地內基坑開挖不同深度降水要求，持續減壓降水引起基坑外圍周邊沉降量為0.16～1.16 mm，滿足周邊建筑沉降量要求，后期減壓降水施工表明基坑模擬水位降深、地面沉降與實際減壓降水效果基本一致。

7 結語

(1)通過對第⑤2層和第⑤3-2層微承壓含水層分別進行單井抽水試驗，分析兩個含水層水位變化趨勢，確定第⑤2層和第⑤3-2層微承壓含水層具有一定的水力聯系，但水力聯系微弱。

(2)基于抽水試驗數據，利用GMS對地下水水位、地面沉降特征進行數值模擬分析，結果與實際減壓降水效果一致，可利用此方法指導工程持續減壓降水工作。