上海深层承压水抽水试验流固耦合三维数值模拟

2019-03-21瞿成松

资源环境与工程 2019年1期

徐丹, 瞿成松, 雷丹

(1.上海长凯岩土工程股份有限公司,上海 200093; 2.上海勘察设计研究院(集团)有限公司,上海 200093)

上海地区工程降水导致沉降研究较早[1],尤其第一承压含水层研究较多,工程经验较丰富[2-3],深部含水层在上海研究较少,基坑降水涉及第二承压含水层较少,本文针对上海第二(第⑨层)承压含水层实施现场抽水试验,结合三维渗流及比奥固结理论,对抽水时段的水位、地表沉降及深层沉降进行详细的模拟计算,分析深层承压水抽水过程中的地层垂向变形与地下水水位变化之间的关系。

1 场区地质概况

本场地内地下水类型主要为松散岩类孔隙水,按其形成时代、成因和埋藏条件可划分为潜水含水层及承压含水层。本工程勘探深度范围内地下水主要为赋存于浅部土层中的潜水、第⑨层中的第二承压水,该区域分布有第⑧及⑩层粘土(表1)。

表1 试验区地层及含水层划分概况Table 1 Stratigraphic and aquifer division of test area

2 试验成果分析

2.1 试验设计

场区内共布置3口试验井,如图1所示,井间距10～30 m,第⑨层3口(2抽1观)。

场地内观测中心5 m范围内布设有2个分层沉降标,埋设深度为36 m(⑤3层)、60 m(⑧2层),埋设3个月后进入沉降基本稳定期。另在离试验中心5、10、20、30、40和60 m距离布置6个地面沉降监测点C3-1～C3-6。

图1 试验井平面位置图Fig.1 Plane layout diagram of test well

整个抽水期间采用智能数据采集器对观测井水位进行实时采集,采集频率为1次/min。地表沉降及分层沉降人工监测频率为每天监测1次。

2.2 试验结果分析

(1) 第⑨层单井抽水试验结果及分析。第⑨层单井试验于2017年12月10日13:30开始,抽水井为K9-2,井深89.00 m,过滤器长7.00 m;在K9-2内(下泵深度约60 m)投入额定流量300.00 m3/h的水泵进行抽水,整个试验的实际平均流量为456.00 m3/h。流量曲线如图2。井内稳定水位-15.07 m。同时对其它观测井进行地下水位动态观测,经过约30 h,水位基本趋于稳定。水位与时间变化关系曲线如图2所示。

图2 单井抽水期间观测井水位变化曲线Fig.2 Variation of water level during single-well pumping tests

选用Hantush-Jacorb方法对数据拟合如下(图3、图4)。

图3 第⑨层观测井G9-1参数拟合曲线Fig.3 Parameter fitting of well G9-1

图4 第⑨层观测井G9-2参数拟合曲线Fig.4 Parameter fitting of well G9-2

承压水影响半径R计算公式为:

式中:R为影响半径(m);S为观测井水位降深(m);r为观测井—抽水井的距离(m)。由此可以得出本场区内单井抽水试验期间第⑨层的单井影响半径约为550 m。

(2) 第⑨层群井抽水试验。2018年1月2日15:00同时开启K9-1、K9-2进行第⑨层群井抽水试验,至1月9日16:00停止抽水,共历时7天。K9-1、K9-2稳定流量为146.70 m3/h、452.20 m3/h,流量差异的主要原因是过滤器放置处地层原因,K9-1井中过滤器放置于上部第⑨1层,而K9-2井中过滤器放置于整个第⑨层中,渗透性更高(表2)。

表2 第⑨层水文地质参数统计表Table 2 Hydrogeological parameters of No.9 layer

群井抽水试验期间,对各层观测井内水位变化进行同步监测(图5)。

图5 群井抽水期间同层观测井水位变化曲线Fig.5 Variation of water level during group-well pumping tests

(3) 沉降监测及分析。第⑨层群井抽水时,地面沉降显现迅速,最大沉降量4.1 mm(图6),停抽后沉降显现回弹,试验结束后普遍回弹量约40%～60%。

埋深69～94 m段是本次试验抽水目的层层位。各组分层标沉降变化曲线总体较为相似,但沉降量大小差异明显,表明不同深度范围地层的变形量不同。

第⑨层群井抽水试验期间,观测井G9-1地下水水位降深变化与36 m和60 m深分层沉降标的沉降均为0.625 mm。当天沉降测量完毕后才停止抽水,地下水水位下降与土层沉降基本同步(图7)。

图6 群井抽水期间C3剖面地面沉降变化曲线Fig.6 Settlement variation of section C3 during group-well pumping tests

图7 群井抽水试验期间深层沉降标F36、F60沉降量与降深对比曲线图Fig.7 Settlement of gauge F36 and F60 comparate with the drawdown during group-well pumping tests

3 试验区水土流固耦合三维数值模拟

构建合理的降水和地面沉降的耦合模型,对抽水引起的地面沉降的大小和分布进行预测,并在此基础上寻找地下水位与地面沉降相互之间的定量关系来指导地下水的抽汲行为,可为制定合理的地下水控制方案提供可靠的理论依据,对于防治地面沉降具有十分重要的意义[4-5]。

3.1 流固耦合分析理论

MIDAS/GTS中使用的流动法则为达西定律,固结分析采用的是比奥特固结理论。

3.2 抽水试验含水层三维数值反演分析

根据单井和群井抽水试验结果,将抽水试验井参数代入三维数值模型中,进行数值模拟计算。得到合理的承压水参数,同时对试验中土层沉降的计算与实测结果进行对比。

(1) 单井抽水试验模拟结果及分析。第⑨层单井试验于2017年12月10日13:30开始,抽水井为K9-2,井深89.00 m,过滤器长7.00 m。整个试验K9-2的实际平均出水量为456.00 m3/h。模型中承压含水层边界水头为-6.00 m,试验模拟结果见图8、图9。

图9 第⑨层单井试验各观测井实测降深曲线与模拟降深曲线对比图Fig.9 Comparison of drawdown between actual measurements and simulation during singal-well pumping tests

(2) 群井抽水试验模拟结果及分析。根据单井试验所得参数进行群井试验模型赋值,并通过群井试验水位观测结果对水文模型进行校正,最终确定水文地质参数,并以此为基础确定沉降量。

2018年1月2日15:00开启第⑨层群井抽水试验,1月9日16:00停止抽水,共历时约7天。出水量稳定后,K9-1、K9-2最终稳定出水量为146.70 m3/h、452.20 m3/h。模型中承压含水层边界水头为-6.00 m,试验模拟结果见图10-图12。

在第⑨层群井试验过程中,试验场内F36、F60分层沉降标分层沉降的模拟值和实测值对比如图13所示。

图10 第⑨层群井停抽时第⑨层水位埋深云图Fig.10 Groundwater depth of No.9 layer at the ending of group-well pumping tests

图11 第⑨层观测井实测降深曲线与模拟降深曲线对比图Fig.11 Comparison of drawdown between actual measurements and simulation during group -well pumping tests

在第⑨层群井试验主要沉降影响集中在第⑨层本身及上部第⑧层粘土层中,对比图14中F36与F60分层沉降数据,显示36 m与60 m之间的土层基本没有沉降,未受抽水固结影响。

图12 群井停抽时场地地面沉降云图Fig.12 Surface subsidence of test area at the ending of group-well pumping tests

图13 地面沉降实测值与模拟值对比图Fig.13 Comparison of surface subsidence between actual measurements and simulation

4 实测结果

本次试验实测结果,群井抽水开始3天半以后的1月5日已基本达到了动态的稳定状态,观测井最大水位降深达6.9 m,抽水中心区域地面沉降最大达3.1 mm(最终沉降4.1 mm)。

图14 第⑨层群井抽水试验沉降标F36、F60沉降量实测值和模拟值对比曲线图Fig.14 Comparison of settlement of gauge F36 and F60 between actual measurements and simulation注:F60为60 m以下土层累计沉降量;F36为36 m以下土层累计沉降量。

地表沉降在停止抽水后随着承压水头的回复会发生回弹,本次试验的最小回弹量在40%左右。

地下水每米水位降深变化在36 m和60 m深度时,分层沉降标的沉降均为0.625 mm。