基坑降水时长江Ⅰ级阶地互层土中地下水运移规律

张红章 ，李腾龙 ，范卫琴 ，熊宗海 ，程华强

（1.武汉丰达地质工程有限公司，湖北 武汉 430074；2.三明学院 建筑工程学院，福建 三明 365004；3.武汉市桥梁工程有限公司，湖北 武汉430074）

在基坑工程中，如果分布有互层土时，其下部砂层中承压水常作为地下水控制的主要目标，而互层土层本身赋存的地下水则被忽略。事实上，不少的工程事故表明，大部分的渗透破坏发生于互层土含水层中，严重的还会造成围护结构失效、周边地面沉降[1-2]。

对于互层土水文地质参数的测定，国际上一般采用Slug试验[3]。该实验通过在现场回灌或抽水，导致井内水位发生变化，然后获取水位的变化规律从而确定相应地层的水文地质参数。在国内主要采用室内试验研究：胡静[3]在实验室展开了模型试验，对互层土承压水在降水过程中的“滞后”和“位差”现象进行分析，认为其“滞后”时间值和“位差”水位值大小，取决于两层间地下水的联系程度和互层的厚度及渗透性能。王翠英[1]结合武汉地区工程实例对“后滞效应”发生的原因进行阐述，提出“砂井疏导”结合“止水帷幕阻堵”可以降低基坑中互层土承压水。蔡娇娇[4]采用现场群井抽水试验的方法，通过在抽水试验期间对不同深度含水层水位的观测，结合各层土体性质及相关理论，对武汉一级阶地基坑降水时地下水位变化规律进行了研究。文献[5-8]主要对互层土岩土工程特性参数、振动孔压以及承载力等方面进行了分析。

为揭示武汉长江Ⅰ级阶地互层土因基坑降水引起水位变化的规律，开展了现场群井抽水试验，总结了互层土降水时间与各水文地质参数之间的关系。

1 互层土地下水渗流现场试验

试验区为武汉人信汇北区深基坑工程，地貌上属于长江Ⅰ级阶地。试验场地地下水类型可分为三层，上层为赋存于杂填土中的上层滞水；下层水为赋存于下部互层土及砂层中的承压水；底层为基岩裂隙水，埋深较大，与承压水有直接联系。图1为试验区的工程地质剖面图。

图1 试验区工程地质剖面图

场区共设置5口降水井及5口观测井，平面布置如图2所示。砂层中承压含水层水量大、水头高，透水性强，是基坑降水的目标含水层，因此降水井（J-1～J-5）的滤管设置于图3的④-1、④-2及④-3砂层中，观测井分布于各含水层中，图3显示了各实验井的深度及对应的含水层：G-1浅层观测井监测上部地层①填土中上层滞水水位；G-2、G-3中层观测井监测地层③互层土地下水水位；G-4、G-5深层观测井监测地层砂层中承压水水位。

图2 实验井平面布置图

图3 实验井剖面布置图

2 试验结果

抽水实验共进行10 d，抽水过程中持续对各观测井水位进行观测记录。水位监测采用HOBO U20L自动水位采集仪。该仪器采用压力传感技术，使用时只用将仪器探头提前放入观测井对应点位即可。当地下水位发生变化时，传感器将压力信号传输并存储，待实验结束后，利用对应的数据采集仪器读取水位变化数据。

通过10 d的实验，得到了各实验井地下水位降深变化数据，见图4。从水位降深数据来看，在实验期内，互层土含水层与砂层含水层的水位呈逐渐下降趋势，但变化幅度不一。在降水过程中随着抽水时间的增加，地下水位降深也逐渐增加，且在前期水位下降速度较大，后期水位下降缓慢，最后逐渐趋于稳定。

图4 抽水实验降深-时间曲线图

10 d之内，降水井 J1、J2、J3、J4、J5 地下水位降深幅度最大，约为8～9 m；砂层中观测井G4、G5的降深幅度仅次于降水井，降深达到了4～5 m；互层土地下水对应的观测井G2、G3在实验期间内变化相对较小，下降幅度均小于10 cm；填土中水位观测井G1在实验期内变化较小且不规律，呈波动稳定状态。

各层地下水水位变化特征如下：

（1）观测井G1变化不明显，地下水位在实验期间呈波动状态，没有明显的变化规律。究其原因是填土层中的地下水仅受地表水或大气降水影响，与下部承压含水层之间间隔黏性土层，水力联系微弱，其水位不受下部含水层变化的影响。

（2）观测井G4、G5水位明显下降，且在降水开始初期地下水位就有大幅的下降，打破了原有的地下水水力平衡，地下水呈漏斗形向降水井处进行补给。抽水初期，提供补给范围较小，降水井出水速率明显大于补给速率，此时表现为该层试验井降深急剧增加，随着降水时间增加，降水漏斗范围扩大，补给量及补给速度增加，水位下降速度明显变慢，并逐渐趋于稳定。

（3）观测井G2、G3水位为本次实验观测重点，实验结果显示在实验期间G2、G3观测井地下水水位变化较小，呈稳定下降趋势。该含水层水平方向上渗透性很好，而在垂直方向上渗透性较差，两个方向的渗透系数相差1～2个数量级，且明显小于下伏砂土层。实验期间G2、G3水位虽然持续下降，但下降的速度与幅度均较小，水头下降平均速度约为2 cm/s，10 d内水位共下降约20 cm。

从抽水实验结果来看，在降水过程中，互层土地下水水位并未随砂层承压水位的降低而同步下降，存在明显的滞后现象，这通常会导致互层土含水层中承压水无法得到有效缓减，存在较大基坑渗透破坏的风险。该结果也表明，互层土含水层与下部砂层承压含水层存在巨大的差别，不能简单的将两者看作统一的承压含水层，而是应针对两者的特点“分而治之”。

3 互层土地下水水头变化规律分析

在降水条件下，互层土中地下水运移往往可以看作在下部砂层的承压水头降低后向砂层中的补给。

假定互层土由粘性土和砂性土交互重叠而成，假定各土层的厚度为hi，渗透系数为ki，如图5所示。

由土力学[9]中关于层状地基的等效渗透系数的计算可知，互层土层垂直方向上的等效渗透系数为：

式中kz为互层土层垂直方向等效渗透系数；H为互层土层厚度；hj为互层土中第j层单元层的厚度；kj为互层土中第j层单元层的渗透系数。

实际工程中，互层土层中各粘性土单元层渗透系数差异不大，各砂性土单元层同样也区别不大，同时互层土层单元层的厚度虽然由上至下有逐渐变厚的趋势，但是其粘性土层与砂性土层厚度的比例一般变化不大。据此图5可以做如下简化,粘性土单元各层渗透系数均为kn，砂性土各层渗透系数均为ks，粘性土层总厚度占互层土总厚度的比例为a。因此（1）式可以写成：

图5 互层土层垂直等效渗透系数计算示意图

由于粘土层渗透系数kn较小，且与粉砂层渗透系数ks相差两个数量级，因此互层土等效渗透系数主要受粘土层控制，因此kz可以近似看作

承压含水层上部为互层土过渡层，下部为砂层承压含水层。考虑开挖工况下基坑降水使得基坑承压水头下降恒定值。承压含水层中的水头下降将诱发互层土地下水发生越流，补给下层砂层。对于基坑中心区域而言，该问题可以简化为一维渗流问题进行求解。在渗流过程中，互层土含水层具备一致的承压水头，且渗透系数保持不变。下部承压水头变化可作为边条件界直接作用于砂层与互层土的接触面上，如图6所示。

结合基坑降水经验可知，降水过程中砂层承压含水层地下水水头在短时间内就基本达到平衡，在此期间可忽略互层土地下水水头的变化。设在时间t=0时刻砂层承压水水头下降至稳定状态，互层土与砂层初始水头差为，经过一段时间Δt后，互层土层中地下水不断向下层砂层释水，在时刻t=t2的水头差变为H2，示意图见图7。

降水开始后任意时刻t互层土与下部砂层的水头差为ΔH，经过dt时间段后，互层土地下水水头下降dh，则dt时段内单位横断面积互层土释放的水量微增量为

图6 深基坑断面示意图

式中S为互层土的储水系数，可表示为[10]

式中SS为互层土单位厚度储水系数；b为互层土层厚度；α为互层土体积压缩系数；β为水体弹性压缩系数；n为孔隙度；γ为地下水的重度。

根据达西定律，dt时段内单位横断面积互层土渗流量为

图7 互层土地下水释水示意图

根据水流连续原理，应有dVe=dVo。

从而可得时间Δt与与水头差H1、H2的关系式

由式（7）可知

（1）基坑降水时降低了砂层中地下水水头，从而使互层土含水层在水头差作用下向下补给、互层土层地下水位随之降低，其所需时间与互层土中粘土层厚度占总厚度的比例、互层土的贮水系数及互层土层厚度成正比，而与粘土层的渗透系数成反比，因此不同互层土，降水难度不同。

（2）降水目标水头H2与互层土含水层中降水时间Δt呈指数关系，当目标水头H2越低，所需时间却呈指数增长。这也表示在降水过程中，互层土水头下降速度将逐渐减弱。互层土中的地下水不能彻底疏干，而是逐渐降低然后维持在某一水位，对基坑稳定不利。

（3）实际工程中，降低互层土含水层水头，可以采取两种措施：①提前进行砂层预降水，即延长时间Δt。②在一定范围内增大互层土含水层与砂层含水层初始水头差H1，即加强对砂层含水层的抽水力度，使得砂层中地下水水头下降更多。

4 结论

在武汉人信汇基坑进行现场群井抽水试验，观测了抽水过程中各含水层水位变化，发现互层土中地下水水位在降水过程中呈稳定下降趋势，但相对砂层承压水位的变化，互层土含水层存在明显的滞后。在此结论的基础上，将互层土层简化为两种渗透系数不同的土层交互构成，并假定其中粘性土单元层渗透系数为kn，砂性土层渗透系数为ks，从理论上推导了降水过程中互层土地下水水头随降水时间变化的公式。通过公式可得

（1）互层土含水层水头下降难度与互层土中粘土层的比例、土体体积压缩系数、土体孔隙度及互层土厚度的平方成正比，与粘土层的渗透系数成反比。

（2）在实际工程中，当需要将互层土含水层水头降至一定范围内时，可以采取两种措施：①提前预降水；②增大互层土层与砂层水头差。