钱塘江潮汐作用下地层降水试验研究

摘 要：本文以杭州市望江路过江隧道项目降水试验为依托，对钱塘江潮汐作用下，复杂地层承压水降水参数以及地层渗透系数进行研究，对水文地质参数进行参数反演，对下一步深基坑降水施工进行实际指导。该工程基坑降水井单井出水量大，周边环境复杂敏感，通过抽水试验能实测含水层的初始水位，测定单井实际涌水量，确定地层相关的水文地质参数，判断降水设计方案的合理性，且该段地下水水位受季节性及潮汐影响较大，通过降水试验对杭州该地层地下水情况进行归纳总结。

关键词：降水；潮汐；参数

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.213

1 研究概况

望江路过江通道工程位于杭州市钱江三桥上游约1.5km处，由北岸秋涛路起，沿望江路，穿越钱塘江，至南岸江晖路，终于江南大道，衔接上城区与滨江区，隧道全长3586.566m，其中盾构隧道段长度1837m。盾构机始发井离钱塘江边约200m，地下水受钱塘江水影响，受潮汐作用较大。

根据勘探揭露地基土的成因时代、岩性、埋藏分布特征、物理力学性质，结合原位测试，可将勘探深度内地基土划分为10个工程地质层，共28个亚层和5个夹层。具体分层见表1-2，典型工程地质剖面见图1-1。

试验工作量布置。

试验井布置。在工作井南侧施工1口降压井，井号为S1，另利用设计方案中工作井南侧的两口坑外承压观测井，井号为GY2～GY3，设计井深均为42m。具体试验井平面布置及井结构见图1-2。本次试验期间，将同步观测地表沉降变化。

2 抽水试验成果分析

2.1 试验流程

为完成试验目的，本次抽水试验分别进行2组单井试验及1组群井试验，试验过程中进行了水位观测和第三方沉降监测，通过水位降深-时间曲线及单井出水量等，确定含水层的水文地质参数。

具体试验流程如表2-1所示。

2.2 初始水位测定

根据勘察报告可知，承压含水层（⑧3粉砂、?1粉砂）初始水位标高为-0.45m。根据观测，承压水位由于受潮汐影响，在试验期间有一定的变化，各井最大变化幅度约0.70m～1.02m，本次在10月15号潮汐前后进行水位观测，观测结果曲线见图2-1。

各试验井初始水位观测数据如表2-2所示。

2.3 单井抽水试验

GY2、S1井深为42m，滤管深度35～41m（位于⑧3粉砂、?1粉砂中），持续抽水3d。采用50m扬程额定流量为25m3/h的潜水泵，参考GY2水表读数时，单井平均出水量为20.7m3/h。S1抽水持续抽水48h后停抽恢复至水位相对稳定，采用55m扬程，额定流量为50m3/h的潜水泵，单井出水量平均约为39.4m3/h。

试验期间同步对各试验井进行水位观测，稳定后最大水位降深值见表2-3、2-4。

2.4 两井抽水试验

S1、GY2两井深均为42m，35～41m（位于⑧3粉砂、?1粉砂中），开启2口井进行抽水，持续抽水24h后停抽恢复，由于交叉作业占用场地，恢复时间为1h。抽水期间，GY2采用额定流量为25 m3/h的潜水泵，S1采用额定流量为50 m3/h的潜水泵，单井平均出水量GY2为17.5m3/h，S1为33.2m3/h。

试验期间同步对各试验井进行水位观测。各试验井内水位降深变化情况如图2-2，最大水位降深值见表2-5。

由图表可知：（1）当以两井形式抽汲承压水时，距抽水井12.05～19.20m距离处的GY3观测井处水位降深为3.38m。（2）停抽后对观测井的水位恢复速率进行了观测，两井停抽后观测井GY3水位恢复较快，停抽10min后，水位恢复了80.5%。

3 试验区地下水三维非稳定流数值模拟

3.1 地下水三维非稳定渗流数学模型

根据本工程的承压含水层的特性，以及边界情况，在计算时采用如下地下水渗流三维数学模型。以试验区为中心，边界布置在抽水井影响半径以外。本次建模范围为1600m×1600m。

（1）含水层的结构特征及模型网格剖分。本次数值模拟计算采用含水层三维模型，其网格剖分情况见图3-1。

（2）水力特征。地下水渗流系统符合质量守恒定律和能量守恒定律；含水层分布广、厚度大，在常温常压下地下水运动符合达西定律；考虑浅、深层之间的流量交换以及渗流特点，地下水运动可概化成空间三维流；地下水系统的垂向运动主要是层间的越流，三维立体结构模型可以很好地解决越流问题；地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，参数随空间变化，体现了系统的非均质性，但没有明显的方向性，所以参数概化成水平向各向同性。

综上所述，模拟区可概化成非均质水平向各向同性的三维非稳定地下水渗流系统。模拟区水文地质渗流系统通过概化、单元剖分，即可形成为地下水三维非稳定渗流模型。

（3）模拟期及应力期确定。数值模拟的模拟期和相应计算周期示试验不同而设定不同值，在每个计算周期中，所有外部源汇项的强度保持不变。

（4）源汇项处理方式。① 试验井处理。在《Visual Modflow》中，抽水井可以设置过滤器长度、出水量等参数，与实际数据具有很强对比性。抽水井、观测井设置如图3-2和3-3所示。② 边界条件处理。在本次抽水试验区较小，且抽水时间短，故可将模型边界定义为定水头边界，水位不变。

3.2 水文地质参数反演

以S1单井抽水为模拟原型，以GY2及GY3观测井水位数据为拟合基准。通过对观测井的实测数据与模型计算数据进行对比分析，确定承压含水层的综合水力参数，并判定模型计算参数的有效性和合理性。水文地质参数取值如表3-1所示，拟合结果如图3-4、3-5所示。 从观测井计算水位与实测水位对比图可以看出，吻合良好，该模型可作为模拟预测基坑降水的依据。

从拟合情况来看，该参数组合下观测井内水位计算值与观测值水位拟合情况良好。该参数组合下观测井内水位计算值与观测值相关系数为0.99。说明调整后的数值模型可作为模拟预测基坑降水的依据。

根据以上反演结果，综合后，参数取S1单井拟合的结果，其相关土层主要水文地质参数如表3-2所示。

4 结论

（1）通过降水参数分析，本次抽水试验各含水层参数如表4-1所示。

根据勘察报告可知，勘察期间观测承压水初始水位标高取-0.45m（观测时间2015年5月）。说明现阶段场区内的微承压水位埋深较勘察期间有大幅的抬升，后期应密切关注微承压水位的动态变化。另外，通过对比试验前和试验过程中最高水位，发现在试验期间承压水水位变化较大，试验期间各井水位最大变化量0.70m～1.02m。主要原因是与钱塘江水域存在补给关系，在后续基坑降水施工中要密切关注钱塘江水位变化。

（2）本次抽水试验开始前（观测时间2016年10月）及试验24h恢复过程中，观测得承压水（⑧3粉砂、?1粉砂）初始水位标高为+0.38m～+0.69m。

（3）单井采用额定流量为50m?/d的潜水泵抽水时，单井流量约为39m?/d，出水量较大，后期盾构进出洞处降水用水泵可采用大于等于50m?/d的抽水泵进行抽水。

（4）根据恢复试验情况，承压水恢复速度很快，停抽10分钟水位恢复83%左右。

（5）单抽及恢复试验期间，地表沉降呈现明显的下降及回弹现象，但地表沉降变化滞后于抽水变化。单抽及恢复试验期间，最大累计沉降量为1.5mm。

本次降水试验结果以及理论分析是基于杭州典型场区地质及水文地质条件下的，代表钱塘江两岸地区区典型地层特性和含水层特征，为后期基坑工程提供参考，也为钱塘江潮汐作用下杭州区域该地层的参数取值进行参考。

参阅文献：

[1]丁智，程围峰，胡增燕.杭州地铁人民广场站深基坑降水研究[J]. 铁道工程学报，2014（01）.

[2]王华伟.地铁车站施工降水研究[J].山西建筑，2009，（10）.

[3]刘熙明，傅敏宁，邹海波.湖泊对降水的影响研究回顾[J].气象与减灾研究，2012，35（01）：1-6.

[4]江科.建筑深基坑降水方案研究[J].山西建筑，2010（15）.

作者简介：房中玉（1986-），男，安徽庐江人，硕士，工程师，中铁十四局集团大盾构工程有限公司杭州望江路过江隧道项目总工程师。