基于Aquifer test 的基坑降水试验分析——以天津地铁11 号线外环辅道站为例

刘轶喆

（ 中国交通建设股份有限公司总承包经营分公司，北京100032）

地铁施工期间，为保证基坑的安全开挖，需通过短期的降水试验验证坑内降水井的成井质量，得到单井出水量、基坑涌水量、水位降深及含水层渗透系数等信息，推断坑内降水井布置是否能满足将基坑水位降至基底的要求[1]。 目前针对工程降水试验的数据结果，多数工程采用基于传统解析法的稳定流抽水试验公式计算渗透系数，但由于抽水孔井损及水跃等现象的存在，使得计算结果有一定程度偏差。 另一方面， 由于技术人员能力及条件的限制，大部分抽水试验过程中非稳定阶段观测的大量数据以及水位恢复阶段观测数据未能有效的利用和分析，因此，采用专业的抽水试验软件Aquifer test 软件，最大程度利用试验数据分析水文地质参数尤其必要。

Aquifer test 软件由加拿大滑铁卢水文地质公司开发研制，专门用于抽水试验和微水试验资料分析、数据处理的图形化、分析软件。 该软件处理试验数据快捷简便，包含了多种分析模型，包括Theis、Cooper & Jacob 等模型， 能够确定多种类型含水层的参数，如承压含水层、潜水含水层、越流含水层和基岩 裂隙含水层等，并能够进行水位预测、井群干扰降深计算、含水介质性质判断以及试验数据处理报告等功能[2]。

1 场地自然地理概况

工程建设区位于天津市区，天津的地下水受基底构造、地层岩性和地形、地貌、气象以及海进、海退等综合因素的影响，水文地质条件较复杂。 场地内地下水分为潜水和承压水， 上部潜水埋藏较浅， 勘察期间地下水稳定水位埋深0.5～1.5m（ 高程1.24～2.49m）。 主要赋存于人工填土层、第Ⅰ陆相层及第Ⅰ海相层中的粉土、 黏性土与淤泥质土互层的地层中。 潜水接受大气降水和地表水入渗补给，地下水具有明显的丰、枯水期变化，多年变化平均值0.8m。 主要含水介质颗粒较细，水力坡度小，地下水径流十分缓慢。 排泄方式主要有蒸发、 人工开采和下渗补给下部承压水。 工程建设涉及两层地下承压水，第一层承压水，稳定水位埋深3.56～5.39m（ 高程-0.54～-2.48m）， 含水层埋深15.4～20.3（ 高程-12.12～-17.53m），岩性以黏质粉土、粉砂为主。 第二层承压水，稳定水位埋深4.91m（ 高程-1.89m），含水层埋深25.7～35.50（ 高程-22.94～-32.22m），岩性粉砂及黏质粉土为主。 承压水主要接受上层潜水渗透补给， 与上层潜水水力联系紧密，排泄以相对含水层中的径流形式为主，同时以渗透方式补给深层地下水， 各层地下水水位受季节影响较小。 根据潜水、微承压水稳定水位观测变化情况，在宏观角度上，潜水、微承压水水力联系密切。

2 抽水试验设计

2.1 场地抽水井设置

本次抽水试验位于车站主体基坑内， 基坑标准段深度约为16.9m， 宽度为20.7m。 盾构井段基坑深度为18.8m， 宽度为25.7m。基坑内外抽水井监测井位置如分布图所示。各井井深、井径等相关参数见表1。 抽水试验采用单孔抽水，抽水孔为J1 孔，观测孔为J2、J3、G2、WG1-2、WG2-2，各观测孔距离抽水孔的距离见图1，抽水孔及观测孔的初始水位见表2，抽水孔结构见图2。 基坑周边建有止水帷幕，阻挡坑内地下水与坑外地下水的相互联系。

抽水观测时间按开泵后规定的时间间隔进行， 各类水位观测井时间间隔如下：坑内疏干观测井：每隔30min 观测一次，至水位稳定后每2h 观测一次，直至抽水停止。 坑内承压水备用观测井：每2h 观测一次，直至抽水停止。坑外水位观测井：每2h 观测一次，直至抽水停止。

图1 单井抽水试验井布置图

表1 降水井及观测井参数和初始水位统计表

图2 抽水井地层岩性及结构示意图

2.2 单井抽水试验结果

抽水期间，J1 降水井前期出水量约2.0m3/h， 后期出水量逐渐减小，出水量约0.90m3/h。动水位稳定标高为-19.41m。实验过程中观测井内水位降深统计见表2。

表2 观测孔水位降深统计(m)

单井试验抽水期间坑内外观测井水位随时间变化曲线见图3，图4。

图3 单井试验期间坑内观测井水位变化特征曲线

图4 单井试验期间坑外观测井水位变化特征曲线

3 试验结果分析

3.1 稳定流抽水试验分析

选用潜水完整孔稳定流渗透系数的计算公式， 对渗透系数进行计算。 首先，利用抽水孔数据计算渗透系数，然后利用坑内观测孔数据计算渗透系数[3-5]。 两种计算公式如下：

式中：Q 为抽水井流量(m3/d)；M- 含水层厚度(m)；K 为渗透系数(m/d)；rw为井半径(m)；sw为抽水井处的水位降深；R 为影响半径（ 圆岛半径）(m)；s1、s2分别为r1和r2处的水位降深。

经计算，利用抽水孔数据计算渗透系数为0.096m/d；影响半径为21.5m； 利用坑内两观测孔数据计算渗透系数为0.0405m/d，两观测孔计算结果比抽水孔计算值小一半以上。

3.2 Aquifer test 求参

将抽水孔及观测孔（ 主要利用坑内观测孔） 的初始水位数据、孔径、 地下水位动态数据输入软件的相应模块中， 利用Analysis 模块中Theis、Theis 水 位 恢 复 法 、Cooper-Jacob 时 间 降 深 、Cooper-Jacob 距离降深4 种方法对抽水孔及观测孔的数据进行配线、分析， 配线过冲中主要利用分析工具中“ Fit”工具，进行自动配线拟合。通过软件计算， 不同方法及井孔数据的结果见表3。

由计算结果发现， 利用抽水孔或不同观测孔数据， 采用同一方法的计算结果不同。 计算的渗透系数值存在J3＞J2＞J1 的情况。 对比不同方法计算结果，Theis 水位恢复法三个孔的结果变差相对较小，三孔计算结果均值为0.037， 与稳定流观测孔计算结果较为接近。

图5 Theis 法求参中抽水井及观测井数据拟合曲线

综上分析，场地基坑的渗透系数应该选取Theis 水位恢复法中J3 观测孔的计算结果，该区渗透系数应为0.0435m/d。

表3 不同分析方法渗透系数计算结果统计表

4 结论

4.1 针对基坑降水试验数据， 利用Aquifer test 软件可以快速确定水文地质参数及复杂开采条件下的水位降深测，其自动拟合配线工具可以减小人为的主观性，计算精度高。 同时，软件对非稳定阶段及水位恢复阶段的数据分析，提高了数据利用效率。

4.2 在有观测孔存在的抽水试验中， 选择观测孔以及水位恢复段的数据计算渗透系数，能够更加准确的反映地层的真实渗透能力。