临江砂卵石地层井群降水试验及数值反演研究

冯先导，王金绪，王野

（中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040）

汉江中游地区深厚的砂卵石强透水地层与周边地表水系的联系性强，待开挖基坑透水面大，使用周期长，降水难度较大。基坑止水方案如选择不当，极易发生涌水、管涌等渗透变形破坏[1-3]。因此，充分掌握场地水文地质特征，研究砂卵石强透水地层的地下水渗流变化规律，优化深基坑的降水方案，对于深基坑的安全影响深远[4]。

通过渗流理论与现场实践相结合，吴林高等[5]解决了大量基坑开挖涉及的降水问题。针对上海地下水埋深较浅的软土地层，周念清等[6]以某地铁站基坑为例，建立地下水渗流模型，通过现场降水试验反演出相关水文地质参数。侯玉杰等[7]结合天津滨海地区复杂软土层地下水埋深浅、水量丰富等特点，总结了超大深基坑的降水设计及施工经验。通过建立三维渗流模型来模拟基坑内外渗流场，丁智等[8]提出了有效的基坑降水方案。

借鉴上述学者的相关研究，本文以襄阳市东西轴线道路工程鱼梁洲段沉管隧道工程轴线法管节预制干坞的基坑为例进行降水试验与数值模拟，确定降水影响半径、单井出水量、水位恢复速率等参数，并利用非稳定流分析法与三维渗流数值模型分别计算临江富水砂卵石地层的综合渗透系数与分层渗透系数，为基坑降水的设计方案提供参考。

1 工程背景

该地区补充水系主要为汉江及其支流小清河、唐白河和浩然河。自下游崔家营水库建成后，工程区域江面径流平缓，常年蓄水水位62.73 m，水位变化较小。场地地下水类型主要有上层滞水、第四系孔隙承压水及第四系孔隙潜水，稳定水位埋深 0.1耀6.8 m。

降水试验场地覆盖层主要有上层回填土、粉细砂、中砂、圆砾及卵石层，总体透水性好，水量丰富，具有承压性。前期地质勘探参数见表1。

表1 前期地质勘探参数Table 1 Preliminary geological exploration parameters

2 井群降水试验

2.1 试验参数选取

1）涌水量预测

基坑涌水量按潜水含水层非完整井考虑[9]：

式中：Q为基坑计算涌水量，m3/d；K为渗透系数，m/d；H为潜水含水层厚度，m；h为基坑动水位至含水层底板的距离，m，h=H-s0，s0为设计水位降深，m；为平均动水位，m，=（H+h）/2；l为滤管有效工作部分长度，m；R为降水影响半径，m；r0为基坑等效半径，F为井点系统的围合面积。

通过计算，当水位降至要求标高+51 m时，基坑总涌水量约为72 725 m3/d。

2）单井出水量

单井出水能力按下列公式计算：

式中：q忆为管井单井出水能力，m3/d；r为过滤器半径，m；k为含水层渗透系数，m/d；l忆为过滤器进水部分长度，m。

理论计算的单井出水量为2 760.7 m3/d，结合类似地层降水资料及地勘抽水试验，理论单井出水量取2 400 m3/d。

2.2 试验场地布置

如图1所示，本次试验布置36口降水井（编号JS）、5口水位监测井（编号SW），部分降水井兼作观测井。地面沉降观测点（编号CJ）与水位观测井成组布设，以便获取地面沉降与水位下降之间的关系。降水井封闭成环布置，外侧井纵向间距15 m、内侧井纵向间距25 m，监测点间距60 m。降水井结构详见图2。

图1 降水试验区平面布置图Fig.1 Layout chart of precipitation test area

图2 降水井结构示意图Fig.2 Structure diagram of dewatering well

2.3 试验过程及结果分析

2.3.1 静止水位

本次抽水试验中，各阶段抽水前均对静止地下水位进行观测，水位标高62.73~62.96 m，平均62.80 m。

2.3.2 单井抽水

现场选取JS17作为抽水井，进行单井降深试验。抽水历时30 h，平均抽水量约3 210 m3/d，最大降深约0.70 m，见图3。

图3 JS17单井抽水试验Q-t、s-t曲线Fig.3 Q-t and s-t curves of JS17 single well pumping test

抽水3.5 h后，观测井水位逐步趋于稳定。但抽水6~8 h后，开始下暴雨，水位出现线性上涨，至停止抽水时，各观测井水位涨幅16~20 cm；水位恢复后，较试验前上涨19~24 cm，充分说明地层透水性好，雨水快速下渗。

2.3.3 井群降水

1）试验过程

依次开启18、30、35口降水井，观测井JS36最终降深9.02 m，未达到要求水位。

因抽水主井内动水位较高，还未完全达到单井最大出水能力，因此，将其中12台额定流量100 m3/h水泵更换为200 m3/h，同时停止抽水进行水位恢复观测。更换水泵后抽水，水位仍未达到要求的水位标高，井群中心水位较上一次下降约0.1 m，外围观测孔水位下降0.5~0.6 m，且仍保持缓慢下降趋势，见图4、图5。更换水泵后，原有23口降水井出水量变小，平均约85 m3/h，而其他12口也仅能达到140 m3/h。

图4 井群降水观测s-t曲线Fig.4 s-t curve of well group precipitation

图5 更换水泵后s-t曲线Fig.5 s-t curve after water pump replacement

2）数据分析

淤编号JS井在抽水前期水位迅速下降，反映出地层透水性好；而编号SW井在抽水一段时间后才出现水位下降，说明含水层给水度大，前期以消耗地层静储量为主。

于当开启30口井时，观测井水位降低到一定深度后出现上涨，离抽水井越近的观测井，涨幅越明显，说明抽水过程中地下水获得新补给源。同时，周边池塘水位明显下降，进一步说明地层透水性好，地表水与地下水具有明显的水力联系，地下水位降深越大，地表水入渗越快。更换水泵后，池塘水位下降进一步加快，至停止抽水时池塘底基本暴露。

盂停止抽水后，前期水位恢复较快，后期恢复速率变慢，符合下层砂卵石透水性强与上层粉细砂透水性差的特点。

2.3.4 沉降观测

本次降水过程中，地面沉降最大值为试验区中心CJ01观测点的0.01 m，随着距离的增大，SW05沉降值仅为0.004 m，说明降水试验对周边建筑物影响较小。

3 水文地质参数计算

非稳定流分析法可以充分利用抽水试验的全部观测资料，避免个别资料的偶然误差，在求解地层综合渗透系数时效果较好，故选用非稳定流分析法计算场地综合渗透系数。求解地下水运动问题，可以利用地下水流连续性方程及其定解条件式来描述地下水的三维非稳定渗流规律。根据场地地质及水文地质条件，建立与之相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型，用以确定场地分层渗透系数。

3.1 非稳定流分析法计算综合渗透系数

将场地概化为巨厚均质各向异性潜水含水层，选择符合条件的Neuman公式，借助Aquifer Test软件进行分析计算。降水井中水位降深s计算公式如下：

式中：w（uA，uB，茁）为潜水含水层井函数，uA=r2S/（4Tt）为早期标准曲线，uB=r2Sy/（4Tt）为后期标准曲线，茁=Kvr2/（D2Kh），Kv、Kh为垂直或水平向渗透系数，S为贮水系数，Sy为给水度，D为含水层厚度，m；T为导水系数，T=KD，m2/d。

计算得渗透系数61.2~67.7 m/d，平均64.5 m/d，给水度0.103~0.265，平均0.204。以JS34、JS36为例，实际降深时间曲线与标准曲线拟合结果见图6，除前期少量数据点偏离标准曲线外，其余点均接近标准曲线。

图6 降深-时间曲线与Neuman拟合曲线Fig.6 Drawdown-time curve and Neuman fitting curve

3.2 数值法计算分层渗透参数

根据试验场地的水文地质条件，利用Visual ModFlow软件，建立地下水三维渗流数值模型，进行各地层水文地质参数反演和验证。

1）模型建立

淤水文地质概念模型

根据场地水文地质特征，对其进行概化，建立本工程水文地质概念模型。模型自上而下共划分为3层，汉江直接切割含水层，对含水层进行补给，去鱼梁洲四周水体为定水位补给边界。

于模型网格剖分

采用六面体网格剖分，平面上剖分为227行、291列，共66 057个网格，尽可能保证模型能详细反映实际工况。

2）数值反演

根据试验资料调整模型，得到水文地质参数，如表2所示。

表2 水文地质参数反演结果表Table 2 Inversion results of hydrogeological parameters

3.3 水文地质参数选用

非稳定流解析法求得平均综合渗透系数为64.5 m/d，该值可用于敞开式基坑降水涌水量预估。单井抽水试验时，水位降深较小，前期池塘的入渗影响相对较小，计算得到参数较能反映地层的渗透性能。

数值法反演得到上部砂层渗透系数为12 m/d，中间卵石混圆砾的渗透系数为102.5 m/d，下部圆砾渗透系数为25.4 m/d。中间卵石混圆砾层的渗透系数大于下部的圆砾地层，与勘察报告描述的卵石混圆砾层粒径大，圆砾层粒径小一致。分层参数可用于悬挂式止水帷幕条件下的基坑涌水量预测。

4 结语

1）经过降水试验及数值分析，得到场地综合渗透系数为64.5 m/d，各分层渗透系数分别为上部砂层12 m/d、中间卵石混圆砾102.5 m/d、下部圆砾25.4 m/d。上述渗透系数相比前期地勘资料更为准确，可更好地指导基坑降水作业。

2）单井无干扰抽水时，涌水量约3 210 m3/d，远大于计算单井出水量2 400 m3/d，且主井水位仅下降约3 m，反映场地所处砂卵石地层富水性强。井群降水时，单纯的增大井泵额定流量效果不佳，宜综合考虑降水井的数量、间距及过水断面面积等因素。

3）本次抽水试验过程中，确定降水影响半径为700 m，该范围内地面沉降量控制较好，未对周边地表建筑物造成不利影响。

4）场地自上而下为砂卵石层，且砂层直接出露在地表，池塘的入渗补给量大，预估超过2.3万m3/d，降雨后水位上升明显，反映出地表水与地下水之间水力联系密切。根据水位恢复曲线，水位回升1 m约为21 min，考虑水位降深为基坑底标高以下1 m，故后期降水过程中，备用发电机需保证断电后20 min内及时供电。

5）由于项目基坑开挖深度大、使用周期长，而场地渗透系数大、地表水入渗快、补给源丰富，强降水风险大，轴线干坞基坑开挖时宜采用落底式止水帷幕形式，尽量减少基坑涌水量，以提高施工可行性，降低施工风险。