上海地區多含水層系統深部承壓層降水誘發地層響應規律

彭晨鑫， 李明廣,， 甄 亮， 李耀良， 張哲彬

(1. 上海交通大學 土木工程系； 上海市公共建筑和基礎設施數字化運維重點實驗室， 上海 200240； 2. 上海市基礎工程集團有限公司，上海 200002； 3. 上海公路橋梁(集團)有限公司，上海 200433)

上海市地處長江三角洲東南前緣，是典型的濱海軟土地區.第四紀松散地層普遍發育有4～5層分布較穩定的承壓含水層，形成了多層含水層即弱透水層交替分布系統[1].目前，上海地區深基坑施工普遍面臨承壓含水層降水的問題[2].其中，大部分深基坑工程需要對第一承壓含水層(AqI)進行減壓降水，許多工程還需要對第二承壓含水層(AqII)進行降水，而近年來在建的蘇州河段深層排水調蓄管道系統工程甚至涉及到第三承壓含水層(AqIII)降水.

針對抽水引起的地下水水位降深導致土體有效應力增加而產生壓縮變形的問題[3-5]，諸多學者針對抽水引起的地下水滲流及土體變形特性進行深入研究并積累了豐富的工程經驗[6-8].Chai等[9]分析了上海地區地表沉降與抽水量之間的關系，并對抽水引起的沉降進行了初步探討.Li等[10-11]對上海地區大量的抽水試驗成果進行統計分析，并通過數值模擬研究 AqI 抽水引起的地下水位變化及深層土體變形特性.Wu等[12]通過抽水試驗和數值模擬相結合的方法，對上海地區淺層含水層抽水引起的環境效應進行了評估，并提出采取雙功能井技術可減小地面沉降.然而，以上研究僅局限于淺部承壓層降水引起的滲流及變形響應，并未涉及深層承壓水降水.

受以往基坑深度的限制，關于深部含水層抽水的相關研究較少.Zhang等[13-14]曾依托上海地鐵13號線漢中路站基坑，對 AqII 進行抽水回灌試驗，并采用數值模擬方法研究了抽灌作用下的地層響應.近年來在建的蘇州河段深層排水調蓄管道系統工程已涉及到 AqIII 降水，為保證這一系統工程的設計與施工安全，對比研究 AqII 及 AqIII 抽水引起的地下水滲流和土體變形響應具有重要意義，可為后續超深基坑工程降水提供指導.

本文基于比奧(Biot)固結理論，采用硬化土小應變(HS-Small)本構模型對 AqII 及 AqIII 抽水試驗進行模擬，通過對比抽水試驗數據驗證了模型及參數的合理性.此外，分別研究各土層水位降深和土體豎向變形隨時間的變化，并分析了不同位置處降深和土體變形隨深度的分布規律.最后，通過定量分析各土層的豎向壓縮量及其占比，對比兩含水層抽水引起的土體變形特點.

1 工程背景

蘇州河深層排水調蓄管道系統工程試驗段苗圃綜合設施位于上海市臨虹路福泉北路.苗圃豎井內徑為26.00 m，開挖深度約為56.30 m；采用地下連續墻作為圍護結構，墻深103.00 m；豎井周圍附屬結構挖深9.40～31.80 m.基坑開挖不僅涉及淺層降水，還要考慮深部承壓層降水.為研究深部承壓含水層降水引起的環境效應，在苗圃綜合設施北面的草坪空地進行抽水試驗.

1.1 工程地質及水文地質條件

勘察揭露深度范圍內地基土屬第四紀早更新世到全新世沉積物，主要由黏性土、粉性土和砂土組成，分布較穩定，具有成層分布特點.其中，試驗場地缺失上海市統編地層第⑥層硬土層及第⑦層粉性土、粉砂層.地層分布及部分土體試驗參數如圖1所示.其中：k為土體滲透系數，γ為重度，e為孔隙比，kh為水平滲透系數，kv為垂直滲透系數，h為地層深度，w為含水量，wL為液限，wn為天然含水量，wP為塑限，a1-2為壓縮系數；Aq0、AqII及AqIII 分別為潛水層、第二及第三承壓含水層；AdI～IV為第一、第二、第三與第四弱透水層.

試驗場地地下水按形成時代、成因和水理特征可劃分為潛水含水層和承壓含水層.在本工程勘探深度范圍內，地下水主要為賦存于淺部土層Aq0中的潛水、第 II 承壓水(第⑨層)和第 III 承壓水(第⑩夾、⑩A和層).Aq0、AqII 和 AqIII 初始平均水位埋深分別為地表以下2.30、6.55和5.92 m.

1.2 抽水試驗方案

在試驗場地分別對 AqII 和 AqIII 開展單井抽水試驗及群井抽水試驗，試驗井以抽水中心O為原點進行布置，井群布置及監測點平面布置如圖2所示，圖中字母K、H、G和C分別表示抽水井、回灌井、觀測井和地面沉降監測點.降水井結構及其與地層的相對位置如圖3所示；抽水試驗的起止時間如表1所示.

圖1 地層分布及試驗參數Fig.1 Soil profile and properties at the site

圖2 試驗井和監測點平面布置圖Fig.2 Plan view of wells and instruments

圖3 降水井結構圖(m)Fig.3 Structure of pumping wells (m)

表1 抽水試驗時間Tab.1 Schedules of pumping tests

2 數值模型建立

2.1 模型描述

采用有限差分軟件FLAC3D對兩承壓層進行抽水試驗模擬.實際場地土層分布復雜，因此在數值模擬中對土層進行簡化.為消除模型邊界對計算結果的影響，通過Siechardt方程計算影響半徑(R)以確定抽水影響范圍:

(1)

式中：sw為抽水井降深.

最終建立的數值模型如圖4所示，模型長×寬×高為1 600 m×1 600 m×160 m.

圖4 有限差分網格及測點布置(m)Fig.4 Finite-difference meshes and measured points (m)

2.2 初始和邊界條件

對于位移邊界條件，模型底部約束所有方向的位移，模型頂部可自由變形，而模型4個側面只約束法向的水平位移.對于水力邊界條件，潛水層初始水位設置為地表；考慮到兩承壓含水層初始水位相差不大，為方便計算，承壓層初始水位均設置為地表以下 6.50 m.模型頂部設置為自由排水面，底部設置為不透水邊界，模型四周設置為定水頭邊界，以模擬含水層的遠端補給.

2.3 土層參數

表2 土層參數取值Tab.2 Soil layers and parameters used in analysis

2.4 數值結果驗證

在群井抽水試驗過程中，觀測井水位變化監測值與計算值對比如圖5所示.其中，t為抽水時間，ΔH為觀測井降深.結果表明，抽水井開啟后，地下水位迅速下降，隨著時間增長，水位逐漸趨于穩定；停止抽水后，地下水位恢復較快.由圖可知，數值模擬所得水位降深與監測結果吻合較好.

AqII 和 AqIII 群井抽水試驗過程中地表沉降(S)監測值與計算值對比如圖6所示.與水位的迅速變化不同，抽水井開啟后，地表沉降隨著時間緩慢增加；停止抽水后，地表沉降逐漸恢復.由圖6可知，AqII 抽水時，數值模擬結果與監測值吻合程度較高；而 AqIII 抽水時，數值結果與監測數據有一定差異，觀察監測所得到的沉降發展規律發現，在抽水3～6 d時，地表沉降值反而減小，可能是由于周圍行車擾動等因素導致監測結果異常.綜合分析對比結果可知，該模型能夠反映實際場地的地層特征，適用于模擬地下水滲流及土體變形的變化規律.

圖5 觀測井降深對比Fig.5 Comparison of observed and calculated drawdown

圖6 地表沉降對比Fig.6 Comparison of observed and calculated settlement

對比以上結果發現，盡管 AqIII 抽水導致的水位降深更大，但地表沉降卻明顯小于 AqII 抽水引起的地表沉降.為進一步分析兩承壓層長時間降水引起的沉降差異，后續研究在該模型基礎上，將抽水時間均設置為 100 d，通過分析地下水滲流及土體變形的時空分布特點，以闡明 AqIII 抽水引起的沉降更小的原因.

3 數值結果分析

3.1 水位降深時空分布特性

AqII和AqIII抽水時各層水位降深變化曲線如圖7所示.在抽水初期，AqII 及其下臥弱透水層 AdIII 的水位迅速下降；而上覆弱透水層 AdI 和AdII的水位在初期略微抬升，隨后則呈下降趨勢；此外，Aq0水位略有抬升后基本保持不變，而 AdIV 在整個抽水時間內均保持不變.最終，抽水中心處 AqII 頂板的降深為9.58 m.這表明土體固結初期產生明顯的曼代爾-克雷爾效應，即在短暫時間內，由于含水層超孔壓消散迅速，而弱透水層來不及排水，為保持變形協調土體內的孔隙水壓力有所上升.

圖7 各土層水位降深隨時間變化Fig.7 Development of drawdown in different strata

對 AqIII 進行抽水時，AqIII 和 AdIV 的地下水水位顯著降低；然而，由于上覆弱透水層 AdIII 頂板與 AqIII 的距離較大，且兩者滲透性差異明顯，所以 AdIII 頂板及以上土層的水位變化很小.最終，抽水中心處 AqIII 頂板的水位降深為16.29 m.

綜合分析 AqII 和 AqIII 抽水可知，抽水主要影響降水層及其相鄰弱透水層的地下水位；受弱透水層滲透性及厚度等因素影響，其他含水層在一定時間內水位變化不明顯.

AqII 和 AqIII 抽水1、10、50和100 d后，抽水中心O及抽水中心北150 m處的水位降深隨深度變化的分布規律如圖8所示.在抽水初期，抽水中心的降水目的層地下水位顯著下降，距抽水中心較遠處，地下水位變化較小；隨時間增長，降深逐漸增大，且影響范圍逐漸向相鄰弱透水層擴展.

圖8 各階段水位降深分布Fig.8 Distribution of drawdown at different stages

對比 AqII 和 AqIII 抽水引起的水位降深可知，長期抽水后，AqII 抽水導致的水位降深影響范圍沿深度方向更大，可一直延伸到 AdI 頂板處；而 AqIII 抽水僅對其緊鄰的兩個弱透水層有影響.這是由于 AqI 的缺失，導致 AdI 和 AdII 水力聯系加強，且 AqII 與相鄰弱透水層的滲透性差異更小.

3.2 土體變形時空分布特性

分析深部承壓含水層抽水對各土層豎向變形的影響，AqII 和 AqIII 抽水時，在抽水中心O處各土層的豎向壓縮量(Δz)隨時間變化規律如圖9所示.其中“+”值表示土層壓縮，“-”值表示土層膨脹.

圖9 各土層豎向壓縮量隨時間變化Fig.9 Development of vertical compression in different strata

當 AqII 抽水時，降水層 AqII 產生明顯的壓縮變形，并與水位降深發展規律一致；在抽水前期，受承壓層局部壓縮引起的土拱效應及弱透水層孔壓增大的共同影響，上方弱透水層 AdI 和 AdII 發生微小膨脹，隨后受孔壓降低影響，土層逐漸壓縮.值得注意的是，盡管 AdIII 孔壓明顯降低，但變形較小；此外，盡管 Aq0 和 AdI 孔壓變化不明顯，但這兩層土仍產生一定程度的變形.這主要是因為下方土體發生顯著沉降，受土拱效應等因素影響，上覆土體產生附加拉應力，導致該土層略有膨脹.該現象與王建秀等[16]開展的試驗研究所得規律一致.最終，抽水中心處產生的地表沉降為 16.50 mm.

圖10 各階段深層土體豎向位移Fig.10 Distribution of vertical displacement at different stages

當 AqIII 抽水時，各土層壓縮變形與降深的變化規律類似，變形主要發生在 AqIII 及其相鄰的兩個弱透水層 AdIII 和 AdIV 中，與 AqII 抽水類似，在降水層以上的弱透水層中出現局部土層膨脹現象.最終，抽水中心處產生的地表沉降為3.99 mm.綜合分析 AqII 和 AqIII 抽水引起的各土層豎向壓縮量可知，抽水主要影響降水層及其相鄰弱透水層的土體變形.

圖10為 AqII 和 AqIII 抽水1、10、50和100 d后抽水中心O及抽水中心北150 m處豎向位移(Dz)隨深度的分布規律.在抽水中心處，AqII 抽水初期，由于土體變形主要發生在降水層，土體深層沉降最大值在抽水層頂板附近，所以變形呈“中間大、上下小”的分布形態；隨抽水時間增長，上覆弱透水層孔壓降低并產生壓縮變形，深層沉降的最大值位置逐漸上移，最終位于AdI頂板附近.而在抽水中心北150 m處，土層變形量明顯小于抽水中心的變形量，且上覆土層幾乎不發生膨脹變形，該現象也證明了局部降壓會引起抽水井附近的土拱效應.

在 AqIII 抽水時，抽水中心處的土體深層沉降最大值位置首先位于 AqIII 頂板處，隨著時間增長，最大值逐漸上移，在抽水100 d后，最大值約位于 AdIII 頂板處.此外，對比50 d及100 d的變形分布，可發現在這段時間內，變形主要發生在 AqIII 以上的土層，這表明承壓層變形在50 d后已經趨于穩定，上覆土層由于越流補給等因素影響而繼續發生變形.在抽水中心北150 m處，土層豎向變形量小于抽水中心處的變形量，且降水層以上土體幾乎不發生膨脹.

3.3 各土層變形統計分析

承壓層降水引起的地表沉降是由各土層豎向壓縮或膨脹組成的，為了更清晰地表征各土層豎向壓縮量對地表沉降的貢獻，統計抽水100 d后，抽水中心處各土層豎向壓縮量占地表沉降量的比率，如圖11所示.

分析圖11可知，AqII 抽水時，降水層的豎向壓縮量占比最高，達到了56.18%；此外，由于越流補給的影響，上覆弱透水層 AdI 和 AdII 的豎向壓縮變形占比接近，而盡管下臥弱透水層 AdIII 的降深較大，但其壓縮量卻僅占4.00%，這主要是由于土層壓縮性較低，土體不易發生變形. AqIII 和 AdIV 在抽水期間水位基本不變，因而產生的變形很小.受土拱效應等因素的影響，土體在Aq0中產生了較小膨脹.

圖11 各土層豎向壓縮量占地表沉降比率統計Fig.11 Proportion of vertical compression in different strata

AqIII 抽水時，盡管引起的水位降深更大，但土體產生的地表沉降卻很小.其中，降水層產生的豎向壓縮變形最大，其壓縮量占地表沉降的77.69%，高于 AqII 抽水時降水層的占比.與 AqII 降水引起的相鄰土層變形不同，AqIII 抽水引起的上覆及下臥弱透水層壓縮變形比相差不大，兩者占比均約為20%.這是由于這兩層土埋深較大，壓縮性相差不大.此外，受土拱效應的影響，AdIII 以上土層均出現不同程度的膨脹變形.

以上分析表明，承壓層降水主要引起降水層及相鄰弱透水層的壓縮變形.淺部土層抽水引起的沉降較大，主要有兩個原因：一是含水層 AqI 的缺失加強了 AdI 和 AdII 的水力聯系，增大了 AqII 抽水對上覆土層水位降深的影響范圍；二是 AqII 抽水主要影響淺層土體變形，而淺層土體壓縮性較高，導致在相同降深情況下土體壓縮量更大.

4 結論

采用數值模擬方法，對上海地區深部承壓層抽水引起的地下水滲流及土體豎向變形特性進行分析，得出以下結論：

(1) 對比不同承壓層抽水引起的水位降深分布規律可知，第一承壓層的缺失導致第一和第二弱透水層的水力聯系加強；此外，第二承壓層與上覆弱透水層的滲透性差異相對較小，因此與第三承壓層相比，第二承壓層抽水對淺部土層地下水的影響更大.

(2) 第二和第三承壓含水層抽水時，降水層壓縮量占比分別達到了56.18%和77.69%.兩含水層抽水對相鄰弱透水層豎向變形的影響存在一定差異：對于第二承壓層抽水，其上覆兩弱透水層壓縮占比較大，而下臥弱透水層壓縮占比很小，這是其上和其下弱透水層的壓縮性差異較大導致的；第三承壓層抽水所影響的土層壓縮性都較低，因此該層抽水引起相鄰弱透水層的壓縮量較接近.

(3) 當第二和第三承壓層降水引起抽水中心降深為9.58和16.29 m時，地面沉降分別為16.50和3.99 mm.該現象表明，在第二承壓層水位降深小于第三層抽水引起的降深條件下，其引起的地表沉降卻明顯大于第三承壓層抽水引起的沉降.引起該現象的原因主要有兩個：一方面，第一承壓層的缺失，加強了淺部兩個弱透水層的水力聯系，增大了第二承壓層抽水的影響深度；另一方面，第二承壓層抽水主要影響淺層土體的豎向壓縮變形，而淺層土體壓縮性較高，因此產生更大的豎向壓縮變形.