局部抽水试验在止水帷幕止水效果评价中的应用

宋 兵, 徐明江

(1.广州市建筑科学研究院有限公司,广东 广州 510440; 2.广州建设工程质量安全检测中心有限公司,广东 广州 510440)

止水帷幕止水效果不好会直接影响到基坑内的施工,还可能引发基坑外路面或建筑物的沉降,严重时会引发大的质量事故,因此有必要在基坑开挖前进行现场试验,以评价其止水效果。目前行业内对止水帷幕的检测方法通常是进行完整性和材料强度的检测[1],这类检测方法均属间接检测方法,尤其是对水泥土搅拌桩的止水帷幕,不能检测到桩体间是否存在间隙,也不能确定桩身的缺陷部位是否透水,因此有必要采用更直接的检测方法。

抽水试验是对止水帷幕止水效果最直接的检测方法。最佳的抽水试验方法是在基坑内布置多个抽水孔,使基坑内水位整体下降,通过观察沿基坑边布置的内、外观测孔的水位变化情况判断止水帷幕的止水效果[2],但这样做需要设置大量的抽水孔和观测孔,抽水量大,试验周期长,成本高,不便于推广应用。基坑周边的水文地质情况往往变化较大,有些区域透水性强,有些区域透水性差,根据实际情况选取有渗透隐患的区域进行局部抽水试验,可对基坑止水帷幕的质量起到重点抽查的作用,这与当前建筑工程检测行业普遍采用的抽样检测的理念是一致的,是一种比较可行的检测方法。目前针对止水帷幕止水效果的局部抽水试验还没有形成标准的方法,限制了该方法的应用。本文依据经典渗流理论及相关规范,分析总结出一套相对完整的试验及判断方法。

1 理论分析

局部抽水试验需解决的问题主要有:

(1) 怎样使抽水孔对止水帷幕的影响范围最大、影响程度最强?水在土体中发生渗流是因为存在水头差,当全基坑降水的时候,整个止水帷幕内外会存在水头差。但在局部抽水的情况下,试验时间不长,基坑内的平均水位下降很小,此时仅在抽水孔附近形成降落漏斗,在降落漏斗范围内存在较明显的水头差[3-5]。故为使止水帷幕受抽水影响的范围最大、影响程度最强,应使抽水孔紧靠止水帷幕布置。在土质均匀的情况下,当抽水孔紧靠止水帷幕时,此降落漏斗大致呈半圆锥体[6],本文称之为180°降落漏斗。

(2) 怎样评判止水帷幕的渗透性?除定性判断外,还应定量地对止水帷幕进行评判,主要评判指标是其渗透系数。渗透系数可按达西定律进行推算。依据达西定律,渗透系数:

(1)

图3 抽水孔和观测孔的布孔方式示意图Fig.3 Schematic diagram of pumping hole and observation hole layout

式中:V是渗流速度;J是水力坡度。渗流速度V是通过单位面积的渗流量。如图1-(a)所示,为便于分析,把抽水孔形成的水位降落漏斗近似看作一个圆锥体,止水帷幕与该圆锥体相交,交线为一双曲线(图1-(b)曲线aeb);当止水帷幕位于圆锥体中心时,交线近似看作一个等腰三角形(图1-(c)等腰三角形aeb,实际上ae及be为幂函数曲线,为简化分析,将其近似为直线)。假定影响区域在局部单孔抽水的情况下,试验时间不长,基坑内的平均水位下降很小,此时以影响半径为半径的圆柱面与止水帷幕平面相交的交线围成一个矩形区域abcd(见图2),它与透水层相交的范围即为止水帷幕承受抽水所产生的水压差最大的区域,可把这一区域认为是止水帷幕的主要透水区域(见图2阴影部分)。设其面积为A,则:

(2)

图1 止水帷幕与降落漏斗相交的几何关系示意图Fig.1 Geometric relation diagram of the intersection of curtain for cutting off water and landing funnel

式中:Q是影响区域的渗流量,可由坑外观测孔的降深来估算,具体估算方法见本文2.4;A是抽水孔影响区域的面积。

(3)

图2 止水帷幕主要透水区域Fig.2 Main permeable area of curtain for cutting off water

将公式(2)、(3)代入公式(1)得:

(4)

2 试验设计

根据上述理论分析,本文设计试验方案如下。

2.1 抽水孔、观测孔的数量及布置方式

在基坑内整体水位不明显降低的情况下,对止水帷幕检测最佳的布孔方式是将抽水孔靠近止水帷幕布置。基坑外需布置观测孔,从经济的角度考虑,基坑外观测孔可只布置一个,其位置宜靠近止水帷幕,见图3-(a)。基坑内需布置一个观测孔用以与坑外观测孔进行定性对比,同时可用来计算试验点附近土层的渗透系数。抽水孔与坑内观测孔的距离宜为透水层厚度[7-8],抽水孔及坑外观测孔的孔边距止水帷幕的距离宜为50 cm左右。当发现基坑外观测孔降深较大时,则应增加2个观测孔。布孔的间距宜为1 m,见图3-(b)。比较多个观测孔的水位下降情况可初步判断渗透位置。

2.2 抽水孔的降深及观测时间

稳定流的抽水试验一般采用3次降深法,这样做的好处是:

① 可以获得孔的抽水试验特性曲线,以便正确选择计算水文地质参数的公式。

② 有可能推算孔的出水量。

③ 有可能验证水文地质参数的计算是否准确”[7]。

对于评判止水帷幕止水效果的抽水试验,最大降深宜选择基坑设计深度以下0.5 m,这种降深与工程实际降深要求相符(降水后基坑内的水位应低于坑底0.5 m)。根据这一降深,抽水孔的孔深至少需要在基坑设计深度以下1.5 m(1 m用于放置抽水泵)。 试验可实施三次降深,第一、第二次降深分别为最大降深的1/3和2/3。

2.3抽水试验的孔径要求、设备选择、观测仪器选择、抽水时间及观测时间间隔等技术要求可参照相关规范执行,本文不一一阐述。

2.4 数据分析方法

2.4.1 定性分析

根据坑外观测孔水位变化情况,可定性判断止水帷幕的止水效果。若基坑外观测孔水位无变化或变化极小,可直接判断止水帷幕止水效果好。

2.4.2 定量分析

若基坑外观测孔水位有较明显变化,则需要对其进行定量分析。分析过程可分两步。

(1) 根据抽水孔及坑内观测孔的水位下降值可计算透水层的渗透系数、抽水孔的影响半径,并计算止水帷幕的主要透水面积。

以承压水完整井为例,其一个抽水孔、一个观测孔时的渗透系数计算公式如下:

(5)

(6)

式中:K为渗透系数(m/d);Q为流量(m3/d),由抽水试验得出;r为抽水井半径(m);r1为观测孔—抽水孔的距离(m);H为含水层厚度(m);S为抽水孔降深(m);S1为观测孔降深(m);R为影响半径(m)。

(2) 根据基坑外观测孔的水位下降情况估算止水帷幕在抽水影响范围内的渗透系数,方法如下。

① 计算止水帷幕的透水量。方法是把基坑外的观测孔看作假想的抽水孔,基坑内抽水孔影响范围内的止水帷幕发生漏水,渗漏处相当于一个假想抽水点,其水位降深近似等于坑外观测孔的水位降深,此时可按单孔抽水试验来推测抽水量,此抽水量即基坑内抽水孔影响范围内的止水帷幕涌水量。

以承压水完整井为例,单孔抽水试验无观测孔时抽水量计算公式如下:

(7)

② 估算止水帷幕渗透系数。止水帷幕的渗透系数可根据公式(4)进行估算,即:

(8)

式中:B为止水帷幕宽度;Q′为由公式(7)计算得出的透水量,因为是180°降落漏斗,故实际水量是计算水量Q′的1/2;S为基坑内观测孔的降深;A为受抽水孔影响的止水帷幕主要透水面积(图2阴影部分面积),由公式A=R×H计算得出,其中R为坑内抽水孔的影响半径,H为含水层厚度。

2.5 评判标准

国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[9]9.9.4规定“采用地下连续墙或隔水帷幕隔离地下水,隔离帷幕渗透系数宜<1.0×10-4m/d”。对照《水利水电工程钻孔抽水试验规程》(SL 320—2005)的岩土体渗透性分级标准[10](见表1),此渗透系数对应于极微透水的渗透性等级。对于搅拌桩止水帷幕,即使材料的渗透系数<1.0×10-4m/d,也可能存在因搅拌桩搭接不好或局部质量缺陷而渗水的情况。在基坑做好止水和排水措施的情况下,大多数工程的施工工况是允许存在少量渗漏的,故对于抽水试验不宜直接以1.0×10-4m/d为判别标准。根据工程经验,建议止水帷幕的止水效果评判标准如下:经试验结果推算的止水帷幕渗透性等级属于微透水或极微透水的,可判满足要求;属于弱透水的应根据工程的环境、地质、施工等情况综合分析渗透可能造成的危害,以决定是否需要进行加固处理;属于中等透水、强透水与极强透水的可判为不满足设计要求,需要进行加固处理,还应加倍进行扩大抽检。

表1 岩土体渗透性分级Table 1 Permeability classification of rock-soil body

3 工程实例

本文选取广州市番禺区某工程的一个局部抽水试验实例对上述方法的应用进行演示。本工程基坑临近河流,补水充分,河面水位高于透水层(砂层)的埋深,抽水井属承压水完整井。

(1) 地质资料。本工地的地质资料见表2。

表2 地层岩土性状描述Table 2 Description of geotechnical properties of strata

(2) 布孔情况。采用一个抽水孔、2个观测孔的布孔形式,见图4。

(3) 抽水试验成果。实际观测数据见表3。

(4) 分析计算。根据抽水孔及坑内、坑外观测孔的数据,按本文的分析方法进行计算,结果见表4。

图4 抽水试验布孔形式立面图Fig.4 Elevation diagram of pumping test hole layout form

降深顺序降深/m抽水孔坑内观测孔坑外观测孔实测流量Q/(m3·d-1)计算渗透系数的流量2Q/(m3·d-1)透水层厚度/m第一次降深2.000.700.051.893.78第二次降深4.002.320.122.144.28第三次降深6.004.100.212.354.702.3

表4 抽水试验计算表Table 4 Calculation table of pumping test

(5) 结果评判。该试验部位的止水帷幕渗透系数推算值在0.036～0.083 m/d之间,属弱透水性。因本工程其余部位的抽水试验结果均较理想,经综合分析,在做好应急预案的情况下,未对该部位进行处理。基坑开挖后此部位基坑壁确有少量渗水,但未形成明显渗流,因而未影响基坑施工。

4 结论

(1) 局部抽水试验是对基坑止水帷幕止水效果较为直接的抽样检测方法,试验成本较低,便于推广应用。

(2) 应在坑内布置抽水孔。在局部、较短时间抽水的情况下,为使止水帷幕受抽水孔的影响范围最大、强度最高,应使抽水孔紧靠止水帷幕布置。为定性及定量分析试验结果,需在基坑内及基坑外各布置至少1个观测孔,坑外观测孔应仅靠止水帷幕布置,坑内观测孔与坑内抽水孔的间距宜为透水层厚度。

(3) 宜进行3次降深试验,最大降深宜选择基坑设计深度以下0.5 m。

(4) 利用抽水孔及坑内观测孔的水位变化情况可计算土层渗透系数,利用土层渗透系数、抽水孔及坑外观测孔的水位变化情况等信息可推算止水帷幕在试验影响范围内的渗透系数。

(5) 止水帷幕的评判可依据《水利水电工程钻孔抽水试验规程》(SL 320—2005)的岩土体渗透性分级标准进行判断。经试验结果推算的止水帷幕渗透性等级属于微透水或极微透水的可判满足要求;属于弱透水的应根据工程的环境、地质、施工等情况综合分析渗透可能造成的危害,以决定是否需要进行加固处理;属于中等透水、强透水与极强透水的可判为不满足设计要求,需要进行加固处理,还应加倍进行扩大抽检。