“人为天窗”对承压含水层降水工程的影响研究

张国伟

【摘 要】本文重點分析上、下承压含水层之间存在有效隔水层的水文地质模型，如果出现“人为天窗”，其对含水层抽水试验的影响。通过建立数学模型，采用Visual MODFLOW软件进行模拟分析，结果表明，“人为天窗”虽然在钻孔处连通了上、下承压含水层，但对单层承压含水层进行的抽水试验造成的另一含水层的水位变化很小，两者之间相差近3个数量级，“人为天窗”通道对水头的衰减作用非常明显。

【关键词】“人为天窗”;Visual MODFLOW;承压含水层

中图分类号： TU432文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）01-0243-003

0 引言

随着城市建设的发展，深基坑工程不断涌现（王军等，2006;黄宏伟，2005），地下水尤其是深层含水层的承压水对基坑安全的影响越发严重。工程降水可以有效的保证基坑施工过程中不受地下水的威胁，为了防止过早的抽降地下水引发周边环境问题，在工程降水设计及实施过程中要严格遵循“按需降水”的原则（吴林高等，2009;吴林高等，2016）。地层中的有效隔水层在基坑抗突涌计算及降水设计中都是对工程有利的地层，可以有效的阻止下伏含水层与上覆含水层发生水力联系。

当这层有效隔水层存在“自然天窗”（姚淑荣等，2011;石中平，2012），则上下两层含水层之间就存在一定的水力联系，在基坑降水设计时需要将两层含水层作为一个含水层组来考虑。而在工程实际中，即使没有“自然天窗”，也有可能出现“人为天窗”——人为贯穿上下两层含水层之间的有效隔水层。出现“人为天窗”后，就会造成原本不需要降水的含水层被降水，或是原本需要降水的含水层被提前降水，这两个结果都会增加地下水的抽取，进而引起附加的地面沉降，由于前期设计分析中并没有考虑这种情况，缺少认知，很可能对周边环境造成一定的影响，这是工程中需要避免的。

作为基坑设计前期工作的工程水文地质勘察，在试验井的施工中，如果不能很好把控施工质量，就很有可能发生钻孔穿透隔水层，尤其是该隔水层本身层厚较薄时。工程中一旦出现“人为天窗”，其对工程的影响程度将是被关注的重点，主要体现在抽取上部含水层中的地下水时，由“人为天窗”造成的下部含水层中的地下水位变化特征。

目前国内外对于地层中天窗的研究较少，焦赳赳（1984）将“天窗”概化为圆形的源（汇）面，探讨了“天窗”补给条件下无限含水层地下水非稳定流计算方法;部分学者研究了海底泉对海滨承压含水层地下水潮汐效应的作用（Li et al，2007;杨颖等，2008）。

本文即是从“人为天窗”入手，借助Visual MODFLOW来分析存在“人为天窗”后，抽取上部含水层地下水时对下部含水层水位的影响，进而评价其对工程的影响。

1 “人为天窗”水文地质概念模型

本文讨论的“人为天窗”主要是由于施工成井造成的，天窗从平面上可以被看作是一个圆形，对于上下含水层而言，“人为天窗”可以概化为圆形的汇（源）面，见图1。

焦赳赳（1984）推导了“天窗”补给条件下无限含水层地下水非稳定流计算公式：

其中

式中各个参数解释如下：

Qz——“天窗”流量，m3/d;

Qw——抽水井流量（抽取下部含水层），m3/d;

Kz——“天窗”垂向渗透系数，m/d;

Mz——“天窗”处两含水层之间的垂直渗透长度，m;

w——“天窗”平面面积，m2;

r0——“天窗”中心距抽水井的距离，m;

R0——“天窗”概化为圆形源、汇面的半径，m;

W（u）——泰斯井函数;

s1和s2——上、下两层含水层的降深，m;

a1和a2——上、下两层含水层的导压系数，m2/d;

T1和T2——上、下两层含水层的导水系数，m2/d;

从公式（1）-（3）中可以看出，当上、下两层含水层之间的隔水层存在“天窗”时，上、下含水层之间在“天窗”位置处有水量的汇（源）发生，各层相应的降深除了受含水层自身的水文地质特性影响外，还受到“天窗”本身的水文地质特性（包括“天窗”的垂向渗透系数、面积、厚度以及位置等）的影响。

本文的研究重点是从工程角度出发，研究“人为天窗”对上、下含水层水位变化的影响。故此，为了便于分析，本文基于上海某实际地层情况（其中各参数详见表1）建立相应的水文地质概念模型。

含水层I（下文简称Aq-1）的上覆土层以及含水层II（下文简称Aq-2）的下伏土层均为隔水层，Aq-1为上部承压含水层，Aq-2为下部承压含水层，研究范围为12000m×12000m，边界条件为定水头边界条件，单个的“人为天窗”平面范围为1m×1m（常规试验井成孔孔径为0.6m～1m，本文选最不利值进行分析）。

基于此水文地质概念模型，在Aq-1含水层中布设了一口完整井，根据Aq-1含水层特性，设计单井出水量为480m3/d。在距离抽水井不同位置（5m、15m、35m）处，针对上、下含水层分别布设不同的观测井，并且每个井都可以同时观测Aq-1含水层和Aq-2含水层的水位。

2 工况设计

根据上文分析，“人为天窗”的水文地质特性（垂向渗透系数、厚度、位置以及面积等）会影响到上、下含水层的水位变化，本文以某实际地层情况为研究基础（“人为天窗”的厚度是确定的），“人为天窗”面积也按照不利因素考虑（面积为1m×1m），因此本文只讨论“人为天窗”的垂向渗透系数以及“人为天窗”的位置对上、下含水层的水位影响情况，研究工况设计如下：

表2中的工况1主要考虑到上下含水层渗透系数的差异，故此将“人为天窗”的位置设定在抽水井PW1处的1m2的位置，并且在实际工程中，“人为天窗”中主要是人为回填的滤料，渗透性较大，“人为天窗”的影响主要是垂向上的渗透系数的影响，为了排除干扰，在工况设计时将Kh的值设定为与Kv相同的值;工况2主要考虑的是“人为天窗”的位置距抽水井的距离变化，故此，将“人为天窗”的渗透系数设定为Kh=Kv=60m/d，“人为天窗”的位置分别布设在各个观测井所在的位置，只是工况设计中只考虑单一的“人为天窗”，即只有一个井存在“人为天窗”。

3 结果分析

3.1 “人为天窗”垂向渗透系数的影响分析

根据公式2和公式3，“人为天窗”的垂向渗透系数的变化会直接影响到两层含水层的水位变化。通过模型模拟，分析Aq-2含水层的水位变化情况（见图2）。

从图2可以看出，“人为天窗”对下部含水层（Aq-2）有一定的影响，抽取上部含水层（Aq-1）的地下水时，Aq-2含水层的水位明显下降，此时“人为天窗”相对于Aq-2含水层属于“不完整抽水井”，只在底部进水。当改变“人为天窗”的垂向渗透系数时，Aq-2含水层水位下降幅度随着“人为天窗”的垂向渗透系数的增大而增大，但当“人为天窗”的垂向渗透系数大到一定值后，Aq-2含水层水位降深的增大幅度随着“人为天窗”垂向渗透系数的增大逐渐减缓（见图3）。

图3可以反映出，尽管“人为天窗”垂向渗透系数的增大造成了Aq-2含水层水位下降幅度的增大，但影响程度在逐渐下降，可以看出，当“人为天窗”的垂向渗透系数增大到30m/d后，Aq-2含水层的水位对其的敏感度下降。除此之外，从图2和图3也都可以看出，Aq-1含水层抽水期间，Aq-2含水层的水位下降值很小，在设计的工况1中，当“人为天窗”的Kv=60m/d时，PW1处（水位降深最大处）的Aq-2含水层水位最大降深值仅为0.11m，通过比较PW1处的Aq-1含水层与该处Aq-2含水层在模拟期间的水位降深情况（图4），可以看出，在整个模拟期间，Aq-2含水层水位降深与Aq-1含水层水位降深的比值在0.004～0.006之间，两者相差近3个数量级。

3.2 “人为天窗”位置的影响分析

根据公式2和公式3，“人为天窗”距抽水井的距离大小也是影响上、下含水层水位变化的因素之一，本文只讨论单一“人为天窗”的影响，根据工况2的设计，将“人为天窗”的位置分别设定在OB1、OB2和OB3这3个不同的位置，其距抽水井PW1的距离分别为5m、15m、35m，通过模型模拟，三种“人为天窗”位置处的Aq-2水位降深情况分析见图7。

根據图5中的“人为天窗”在不同位置处的水位降深曲线，可以看出，“人为天窗”的位置变化后，Aq-2含水层的水位降深也会有所变化，但通过上文的分析，当“人为天窗”在抽水井位置处时，其对Aq-2含水层的影响已经非常小了，所以当“人为天窗”与抽水井之间有一定距离后，影响更小，从图5中可以看出，“人为天窗”在这3个位置处时，Aq-2含水层的水位降深只有约0.04m～0.064m。

进一步分析“人为天窗”距抽水井的距离与相应的Aq-2含水层水位降深之前的关系（见图6），可以看出，“人为天窗”距抽水井距离越远，其对Aq-2含水层的水位影响越小。

因此，综合分析“人为天窗”的垂向渗透系数以及位置后，这两个影响因素对下部含水层造成的影响都非常小，其敏感程度也就失去了研究意义。但从对工程的影响角度考虑的话，“人为天窗”的影响是需要被正确认识的，而不是简单的放大，从本文的分析中，可以看到，这种影响还是非常小的，尽管本文只是在设定的地质条件及一些假定的条件的前提下进行的，但研究以及分析结果还是有一定意义的。

4 结论

施工中“人为天窗”的出现会对工程本身的安全性和施工程序有所影响，通过上文的分析，可以得出：

（1）“人为天窗”使得两层含水层之间的有效隔水层本身的隔水性能消失，“人为天窗”使得上下两层含水层之间发生直接的水力联系。

（2）“人为天窗”对于上下含水层之间的水力联系贡献度并不是很大，通过分析，抽取上部含水层的地下水时，下部含水层的水位变化并不大，两者相差近3个数量级，这在实际工程中，可以认为影响很小。

（3）对于“人为天窗”，目前在工程界还没有得到很好的认识和分析，本文应用数值方法对其进行了初步的分析研究，分析中仅考虑了“人为天窗”的垂向渗透系数以及距抽水井的距离的影响，除此之外，“人为天窗”的几何特征（包括面积，厚度等）以及个数都是影响因素，这些内容有待于进一步的分析研究。

【参考文献】

[1]Hailong Li， Ling Li， David Lockington， et al， 2007. Modelling tidal signals enhanced by a submarine spring in a coastal confined aquifer extending under the sea[J]. Advances in Water Resources， 30： 1046-1052.

[2]黄宏伟，边亦海，2005.深基坑工程施工中的风险管理[J].地下空间与工程学报，1：611-614.

[3]焦纠纠，1984."天窗"补给条件下无限含水层地下水非稳定流计算方法初步探讨[J].水文地质工程地质，（6）：59-62.

[4]石中平，2012.西安轨道交通二号线B标段水文地质特征分析[J].人民长江，43（17）：47-50.

[5]王军，吴君侯，章宇等，2006.上海地区深基坑工程的环境安全问题[J].岩土工程学报，28：1328-1331.

[6]吴林高，李国，方兆昌等，2009.基坑工程降水案例[M].北京：人民交通出版社.

[7]吴林高，朱雁飞，娄荣祥等，2016.深基坑工程承压水危害综合治理技术[M].北京：人民交通出版社.

[8]杨颖，李海龙，夏玉强等，2008.海底泉对在海底有限延伸的越流含水层系统中地下水潮汐效应的增强作用[J].地下水.30（2）：9-13.

[9]姚淑荣.张腊梅.2011.顺发井田水文地质特征与充水因素分析[J].煤炭技术，30（2）：136-138.