富水卵石層抽灌一體化設(shè)計與實踐

姚武松

（上海長凱巖土工程有限公司，上海 200093）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化規(guī)模不斷擴大，建筑行業(yè)也在朝著更高更深的方向發(fā)展。地下水一直都是困擾深基坑的難題，基坑降水必然導(dǎo)致地下水位的下降，水資源浪費的同時可能會引起周邊環(huán)境的沉降。現(xiàn)實中往往會采取止水帷幕的形式進行隔水，然而止水帷幕在巨厚的卵石層，止水效果往往很差或不能完全隔斷含水層。國內(nèi)學(xué)者對于富水卵石層止水帷幕取得了一些成果。沈杰超等[1]以杭州某工程基坑圍護項目為例，證明了超級三軸工法（SSMW）對于5～8m的卵石層止水效果較好，但對于深厚卵石層難以隔斷；陳淑芳[2]通過咬合樁在卵石層解決圍護樁樁間擋土止水問題的實際應(yīng)用，驗證了咬合樁在卵石層止水的可行性，但施工難度較大。郭鋒等[3]通過對北京地區(qū)厚卵石潛水層現(xiàn)場回灌試驗研究，證明了通過回灌措施可抬升降低的水位。

結(jié)合前者的研究成果，可知基坑在卵石層降水可采用特殊工法超級三軸工法或咬合樁的形式進行止水；然而在富水的卵石層往往不能完全隔斷，且施工難度較大，造價較高采取抽灌一體化的措施可大大減少工期和造價，同時可減少水資源的浪費，并有效的抬升地下水位，控制周邊環(huán)境的沉降變形。文中以浙江省某項目為例，對其卵石層敞開式降水引起周邊廠房較大沉降，及時采取回灌措施進行保護，并取得顯著成效，對于抽灌一體化施工工藝的設(shè)計和施工進行總結(jié)和歸納，以供類似工程參考和借鑒。

1 工程簡介

1.1 工程概況

浙江省某醫(yī)院項目，主要由1#12F孕產(chǎn)住院樓、2#10F兒科住院樓、3#6F體檢、留觀病房樓、4#5F行政辦公樓、12F的二期預(yù)留發(fā)展用地、3F裙房、及2F大底板地下室組成。基坑面積為30595m2，周長為783m，基坑開挖深度11.00～12.10m，電梯井下挖2.00～3.80m。基坑采用排樁支護，鉆孔灌注樁長20.7m，三軸止水帷幕16.0m，基坑放坡后采用一道混凝土支撐。

基坑?xùn)|北側(cè)紅線外為3幢已建廠房（1～3F，均為預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，樁長約15m，分別為框架結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)），距離基坑6.80～14.80m。

基坑施工過程中，進行坑內(nèi)敞開式降水，基坑周邊廠房業(yè)主投訴廠房出現(xiàn)地坪沉降開裂情況，建筑物周邊地坪豎向沉降最大約20mm，廠房主體結(jié)構(gòu)下沉3.0～4.3mm，被要求暫停基坑施工。為保護周邊環(huán)境，經(jīng)相關(guān)各單位研究決定采用回灌保護措施。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

場地地貌單元屬沖洪積平原。基坑開挖范圍內(nèi)自上而下地層依次為第①0雜填土層、①1塘泥層、②1粉質(zhì)粘土層、②2中砂層和③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層；基坑落底于第③層中，局部深坑揭穿⑥1層圓礫層；底板面以下分別為第④粉砂夾層、⑥1圓礫層、⑥2圓礫層和⑩2中風(fēng)化灰?guī)r層。

場地地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。孔隙潛水主要賦存于第①0雜填土層和②2中砂層之中，透水性一般，補給來源主要為大氣降水和地下同層側(cè)向徑流的補給，水位埋深在現(xiàn)狀地表下1.10～4.80m（高程3.90～7.10m）之間。其中②2中砂層在場地內(nèi)分布不均，局部沒有分布，層厚0.00～4.60m。孔隙承壓水主要賦存于第④粉砂層和第⑥大層圓礫層之中，水量較大，層頂埋深為12.80～15.60m。水位埋深在現(xiàn)狀地表下6.00～6.89m（高程1.20～1.30m）。基巖裂隙水分布于場地下部，主要儲存于第⑧大層和第⑩大層的風(fēng)化裂隙之中。此大層風(fēng)化基巖裂隙貫通性差，含水量貧乏。剖面圖見圖1。

圖1 典型地質(zhì)剖面

2 技術(shù)難點及處理措施

2.1 難點分析

技術(shù)難點在于缺少水文地質(zhì)參數(shù)和回灌可行性研究，主要原因:

（1） 第⑥層圓礫層為承壓含水層，厚度較厚，預(yù)估滲透系數(shù)較大，水文地質(zhì)參數(shù)未知。

（2） 上部第②2層中砂層存在與第⑥層連通的可能性，②2層上部存在塘泥等軟弱土，失水后沉降變形較明顯。

（3） 止水帷幕進入第⑥層圓礫層1m左右，屬于敞開式降水。回灌水量較大，采用自來水作為回灌水源成本較高。

2.2 處理措施

（1） 整合已有地勘資料，并進行現(xiàn)場抽水試驗，測定第⑥層卵石層的水文地質(zhì)參數(shù)，測定第②2層和第⑥層的單井回灌量，分析采取回灌保護周邊建筑的可行性。

（2） 判斷第②2層和第⑥層之間的水力聯(lián)系強弱。分層布置回灌井，回灌井需設(shè)置合理的間距。

（3） 為減少水資源的浪費，采用抽灌一體化技術(shù)，利用坑內(nèi)降水井抽出的同層地下水進行水質(zhì)處理，作為回灌水源，實現(xiàn)節(jié)約水資源的綠色施工理念。

3 現(xiàn)場抽水試驗

3.1 抽水試驗?zāi)康?/h3>

場地淺部分布有第②2層中砂層，為潛水含水層，分布不均；下部分布有第⑥層圓礫層，為承壓含水層。第②2層和第⑥層中間是第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，前期基坑開挖期間，上部止水帷幕未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。坑內(nèi)進行降水的同時，坑外監(jiān)測到第②2層水位同步下降，需對第③層隔水效果進行試驗判斷。目前地質(zhì)勘察資料并未給出第⑥層水文地質(zhì)參數(shù)，因此需對第⑥層進行抽水試驗測得該層的滲透系數(shù)、儲水系數(shù)等水文參數(shù)，同時需測得第⑥層和第②2層的單井回灌量，為后期抽灌一體化設(shè)計和施工提供依據(jù)。

3.2 抽水試驗安排

抽水試驗地點選擇場地內(nèi)遠離保護建筑區(qū)域，盡量較小試驗期間對周邊環(huán)境的影響。試驗井設(shè)計了2口第⑥層的抽水井（井深27m，井間距10m），垂直于抽水井軸線中心方向設(shè)計2口第⑥層的觀測井，同時其中1口兼做回灌井（井深27m，井間距15m），平行于第⑥層觀測井方向設(shè)置2口第②2層的觀測井，同時其中1口兼做回灌井（井深9m，井間距15m）。試驗井孔徑均為650mm，井徑273mm，外包單層60目密目網(wǎng)；抽水井采用橋式過濾器，濾料采用中粗砂；回灌井采用纏絲過濾器，濾料采用瓜子片。抽水井采用出水量50～100m3/h的水泵。

試驗安排分為第⑥層單井試驗、第⑥層群井試驗、第⑥層單井回灌、第②2層單井回灌。考慮到卵石層顆粒級配較大，試驗成井采用反循環(huán)鉆機，成井期間反出的卵石最大直徑超過15cm。水位觀測采用DT80數(shù)據(jù)自動監(jiān)控系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)實時自動采集。

3.3 抽水試驗數(shù)據(jù)分析

對抽水試驗取得的數(shù)據(jù)進行處理分析，運用《Aquifer Test》軟件將單井抽水試驗同層位觀測井實測曲線與標準曲線進行擬合，可計算得出相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，同時使用公式法進行計算滲透系數(shù)[4]，取配線法和公式法計算結(jié)果的平均值作為建議參數(shù)值，并用Visual ModFlow軟件進行反演驗證計算得到的水文地質(zhì)參數(shù)是否合理。理論公式計算：

式中，S1，S2為觀測井降深，m；Q 為抽水井流量，m3/d；r1，r2為觀測井與抽水井距離，m；M 為含水層厚度，m。

配線法計算結(jié)果如圖2所示，Visual ModFlow反演模擬圖如圖3所示。

圖2 配線法計算水文地質(zhì)參數(shù)

圖3 Visual ModFlow反演模擬

3.4 抽水試驗成果

（1） 第⑥層抽水期間，第②2層水位同步下降，第⑥層與第②2層水力聯(lián)系相對密切。

（2） 利用公式法計算和Hantush-Jacob配線法計算第⑥層的水文地質(zhì)參數(shù)，并經(jīng)Visual ModFlow軟件進行反演驗證，綜合得出場地內(nèi)第⑥層的水文地質(zhì)參數(shù)，滲透系數(shù)為67.00m/d，儲水系數(shù)為0.00129。

（3） 第②2層回灌采用常壓回灌，單井平均回灌量11.82m3/h；第⑥層回灌采用常壓回灌，單井平均回灌量22.06m3/h。單井回灌期間觀測井水位抬升17.5%，回灌效果較明顯，采取回灌措施保護周邊建筑可行。

4 抽灌一體化

4.1 抽灌一體化設(shè)計

根據(jù)抽水試驗取得的相關(guān)參數(shù)進行抽灌一體化設(shè)計，采用軟件Visual ModFlow進行三維滲流數(shù)值法計算，建立水文地質(zhì)概念模型，并建立相應(yīng)的三維地下水運動非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型[5]，進行抽灌一體化模擬:

對整個滲流區(qū)進行離散后，采用有限差分法將上述數(shù)學(xué)模型進行離散，得到數(shù)值模型，計算、預(yù)測降水引起的地下水位的時空分布[6]。根據(jù)模型確定最終的回灌設(shè)計，靠近受保護建筑區(qū)域布置第②2層回灌井，井間距5m/口，遠離保護建筑區(qū)域井間距10m/口，共布置45口，井深8～9m；靠近受保護建筑區(qū)域布置第⑥層回灌井，間距5m/口，遠離保護建筑區(qū)域井間距10m/口，共布置54口，井深27m。均采用纏絲過濾器，濾料采用瓜子片。回灌管道總長465m，群井回灌狀態(tài)下總回灌量3890m3/d，持續(xù)回灌4個月。抽灌一體化模型預(yù)測水位降深如圖4所示。

圖4 抽灌一體化模型預(yù)測水位降深

4.2 抽灌一體化智能系統(tǒng)

為減少坑內(nèi)降水對周邊環(huán)境的影響，坑外采取回灌措施對周邊建筑進行保護。鑒于回灌量太大，采用自來水作為回灌水源將增加額外的成本，同時坑內(nèi)抽出的地下水不加以利用將造成資源上的浪費。秉承綠色施工的理念，采用抽灌一體化技術(shù)將坑內(nèi)抽出的同層地下水加以處理，作為回灌水源，減小了水資源上的浪費，同時對地下水資源得以保護[7]。

抽灌一體化系統(tǒng)包括控制箱、集水池、水質(zhì)處理箱和自動回灌裝置。控制箱主要通過控制增壓泵來控制回灌管道壓力，確保滿足回灌量的需求。集水池規(guī)格長2.0m、寬1.5m、深2.0m。水質(zhì)處理箱長3.0m、寬2.0m、深1.5m，最大過水處理能力250m3/h。回灌管道選用直徑273mm的防銹鋼管。自動回灌裝置在井內(nèi)水位上升到井口以下0.5m時自動維持水位穩(wěn)定。抽灌一體化系統(tǒng)三維模型如圖5所示。

圖5 抽灌一體化系統(tǒng)三維模型

坑內(nèi)抽出的水可能含有砂土顆粒和鐵離子，需經(jīng)過水質(zhì)處理箱處理后才能進行回灌，否則容易堵塞回灌井的濾管。水質(zhì)處理箱濾料選用優(yōu)質(zhì)錳砂可對砂土顆粒土和鐵離子等有害物質(zhì)進行處理，同時具有自動反沖洗功能，定期對水質(zhì)處理箱進行反沖洗，確保水質(zhì)處理達到預(yù)期效果。其次回灌過程中回灌井需定期進行回揚，防止回灌空隙被雜質(zhì)或鐵銹堵塞。回灌井口安裝自主研發(fā)的大流量常壓自動控制裝置進行控制回灌，水位達到設(shè)計水位標高后，井內(nèi)水位自動維持在設(shè)計水位，無需人工控制，大大節(jié)約了人力，達到自動控制的效果。

4.3 抽灌一體化施工工藝

回灌井的成井質(zhì)量直接影響回灌系統(tǒng)的回灌能力。為實現(xiàn)良好的回灌效果，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，選擇合適的成井工藝，嚴格控制泥漿指標，選擇合適的回灌井結(jié)構(gòu)。這里回灌層位主要為卵石層和中砂層，選用反循環(huán)鉆機可有效的將卵石反上來，鉆進效果比普通鉆機效率高。成井過程中對于泥漿的把控至關(guān)重要，卵石層滲透系數(shù)較大，極易出現(xiàn)急性漏漿的現(xiàn)象。因此成井過程中需嚴格把控泥漿比重，同時不能影響井的出水量，鉆進過程中為防止塌孔和漏漿，泥漿比重控制在1.10～1.15，洗井后泥漿比重控制在1.05左右。防止泥漿過重導(dǎo)致出水量大大減小，同時也避免了泥漿過低而出現(xiàn)塌孔漏漿現(xiàn)象。實際操作中未出現(xiàn)漏漿塌孔現(xiàn)象，單井出水量達到了78m3/h。

回灌井結(jié)構(gòu)采用纏絲過濾器，外包單層60目密目網(wǎng)，濾料使用瓜子片，濾料上方采用優(yōu)質(zhì)黏土球止水，并使用混凝土封頂。回灌過程中，坑內(nèi)降水井抽出的水集中到集水池里，然后經(jīng)過水質(zhì)處理箱處理后，由增壓泵送到各回灌井，井口由自動控制裝置控制流量的大小。

鑒于回灌地層埋深較淺，不適宜采用加壓回灌；參考現(xiàn)場抽水試驗單井回灌量數(shù)據(jù)，常壓回灌滿足設(shè)計需求，綜合考慮設(shè)計采用大流量常壓自動回灌。大流量常壓回灌系統(tǒng)實物圖如圖6所示。

圖6 大流量常壓回灌系統(tǒng)實物圖

4.4 抽灌一體化效果分析

回灌從2021年3月26日陸續(xù)開啟回灌井回灌，沉降監(jiān)測點在開啟回灌后，點位高程抬升一段后保持穩(wěn)定，隨著基坑的開挖，坑外沉降得到了有效的控制。2021年7月21日停止回灌，歷時4個月，基坑施工完成后，東北角受保護區(qū)域坑外監(jiān)測點最大抬升累計1.45mm，最大沉降累計-6.56mm，遠小于控制值，周邊環(huán)境得到了有效的保護，表明項目采用抽灌一體化技術(shù)保護周邊環(huán)境有效、可行。沉降監(jiān)測歷時變化曲線圖如圖7所示。

圖7 沉降監(jiān)測歷時變化曲線

通過對現(xiàn)場實測抽灌一體化過程中沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理和分析，可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：①回灌保護區(qū)域內(nèi)的沉降監(jiān)測點隨回灌井的開啟，同步抬升到一定程度后保持穩(wěn)定；②大部分沉降監(jiān)測點在整個回灌過程中基本保持穩(wěn)定；③回灌持續(xù)2個月后，回灌井布置薄弱區(qū)域，個別監(jiān)測點以緩慢的速率沉降，主要原因是水質(zhì)處理有限，長時間的回灌造成回灌井堵塞，導(dǎo)致回灌量的下降；同時不同區(qū)域回灌井井間距的布置也是影響整體回灌效果的較大因素；④抽灌一體化在富水卵石層敞開式降水的實例中達到了預(yù)期的目的，可見該技術(shù)作為一種保護周邊環(huán)境的措施有效，可行。

5 結(jié)語

通過對富水卵石層敞開式降水實例采用的抽灌一體化技術(shù)措施進行研究和分析，得到以下成果和規(guī)律：

（1） 通過回灌措施可有效抬升周邊監(jiān)測點高程；沉降監(jiān)測點在整個回灌過程中基本保持穩(wěn)定；回灌水質(zhì)和井間距是影響回灌效果較大的因素。

（2） 通過現(xiàn)場抽水試驗確定相關(guān)參數(shù)，我們利用Visual ModFlow建立水文地質(zhì)概念模型，進行三維滲流數(shù)值法計算分析抽灌一體化技術(shù)方案的可行性較為合理。

（3） 抽灌一體化智能回灌系統(tǒng)節(jié)約了大量的水資源，對于推動綠色施工具有重要的作用，為類似工程提供了參考意義。