济南承压含水层场地单井常压回灌试验研究

2020-07-05孙剑平许瑞健江宗宝邵广彪

山东建筑大学学报 2020年3期

孙剑平，许瑞健，江宗宝，邵广彪，

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.山东建大工程鉴定加固研究院，山东济南250014）

0 引言

深基坑工程进行坑内降水时将大量抽取地下水，止水帷幕渗漏及地下水的绕渗将会影响基坑周围场地地下水平衡而产生固结沉降［1］，同时大量抽取地下水也将会造成水资源浪费。如济南西客站片区距离中心区约为10 km的范围内，长期稳定的地下水位埋深约为2.0～3.0 m，随着该片区近年来的大规模水位下降的影响，目前总体地下水位埋深已稳定在6.0～8.0 m，水位下降造成的大范围地面沉降将对基础设施产生较为不利的影响，同时也不利于地下水资源的保护。因此，发展人工回灌技术既可以有效控制地下水位的稳定，减小土体固结沉降，避免周边环境沉降事故，也可以将坑内降水再次回灌于地下，有效地保护水资源，避免城市沉降漏斗的产生。

目前，地下水控制技术规范对回灌设计及施工进行了相关的规定［2］，但由于地层的差异性及复杂性，回灌理论计算与工程实际相比仍有一定的差距。随着城市地下工程建设力度的日益增加，对基坑周边环境保护及地下水回灌引起更多学者的关注，主要在理论分析、现场试验和工程应用等方面进行了相应的研究。毛根海等［3］利用势流理论和镜像原理，推导了完整及非完整抽—注水井耦合作用时浸润线的计算公式；郑刚等［4］在天津某地铁基坑工程场地开展了单井抽灌试验和群抽群灌试验，全面研究了天津第二粉土粉砂微承压含水层回灌特性；吴建中等［5］对防治上海市地面沉降进行了人工回灌试验研究；俞建霖等［6］采用水头线性叠加的方法提出了5步骤的回灌系统设计方法，为工程应用提供参考方法；赵志航等［7］进行深层承压水回灌数值研究，表明深层承压水层回灌能有效控制保护区水位变化和地表沉降；王国富等［8］采用模糊层次分析和专家调查法，研究了济南地铁车站基坑的回灌适宜性，确定含水层渗透系数及厚度为地下水回灌最重要的因素；瞿成松等［9］基于下负荷面剑桥理论，建立地面沉降的数学模型，科学预测了人工回灌下深基坑工程的地面沉降，与实际数据较为吻合；李罡［10］以济南轨道交通R1线工程为背景，针对济南的水文地质条件，归纳总结了回灌技术的实施要点；牛磊等［11］通过对比地下水回灌前后的各项实测数据，发现进行回灌可以有效地保证基坑与周边建筑物的稳定；曾超峰等［12］研究了主、副回灌井布置条件下，副回灌井的回灌量对组合回灌引起的土体变形的影响，并从控制土体变形方面对回灌井的布置提出了建议。

上述研究，虽然针对地下水回灌的不同方面开展了相关研究，但对于承压水层场地单井常压条件下回灌影响半径及回灌能力尚未有系统的研究。文章利用济南西客站片区某工程建设场地，对于该地区多层承压含水砂层非均质场地，开展实际场地的多次单井常压回灌试验，并根据试验数据与理论分析，修正了该场地条件下单井回灌影响半径及回灌能力计算方法。

1 济南多层承压含水层回灌场地概况

1.1 试验场地简介

济南西客站片区某商业开发项目共有两个地块，分列于规划道路东、西两侧，其中东地块后期建设，地块内空旷，经协商后可利用西侧地块抽取的地下水在东地块进行回灌试验研究，从而为试验提供了较为有利的场地条件。

为减少工程浪费，回灌研究时东地块拟建建筑已设计完毕，故在现场可根据设计图纸进行后期降水井施工，试验时则利用此次施工的降水井开展回灌研究，由于该场地无任何地下结构，试验能反映自由场地降水及回灌特性。达到了开工节点，上述降水井再投入到实际工程中。

1.2 场地地质条件

根据场地勘察报告，场地区域地貌类型属山前冲积平原，地层以粉质黏土和粗砂层为主，场地典型地层剖面如图1所示。

图1 场地典型地质剖面图

对于粗砂层，④层粗砂主要为黄褐色，其松散、湿且局部饱和，主要矿物成分为石英、长石，其呈亚圆状、颗粒均匀、级配不良，平均厚度为1.08 m。⑦层粗砂主要为黄褐色，其稍密、局部密实且饱和，主要矿物成分为石英、长石，其呈亚圆状、颗粒均匀、级配不良，含黏性土团块及圆砾，并局部含圆砾较多；该层局部呈泥质、钙质胶结，岩芯呈短柱状、块状，泥质胶结处较易钻进，岩芯手可掰开；钙质胶结处较难钻进，岩芯锤击不易碎，泥质、钙质胶结程度不一，呈不规律分布，其平均厚度为1.20 m。

对于粉质黏土层，②和③层均有描述局部夹粉土薄层，厚度为20～40 cm；⑤和⑥层均有描述局部含姜石或少量粗砂及圆砾。

场地地下水属于第四系空隙潜水，勘察期间测得地下水稳定水位埋深约为7.5 m，水位标高为19.60 m。④与⑦层粗砂层总厚度为2.28 m，其渗透系数远超出其上下粉质黏土渗透系数，故此两层可视为该场地的透水层和主要回灌层。另外，由于上下隔水层的存在，粗砂层具有一定的微承压性；由黏性隔水层和中粗砂透水层间隔分布，形成济南地区西部常见的多层非均质场地，其主要地层分布及渗透系数见表1。

表1 场地土层参数表

2 多层承压含水层回灌试验布置

在地下水抽取过程中，地下水位曲线逐渐呈漏斗状，水的渗流带是原始地下水位以下及井内水位以上的土层；在回灌的情况下，地下水位曲线呈倒漏斗状，水的渗流带是周围地下水位以上及井内水位以下的土层，降水与回灌影响曲线如图2所示。由于渗透系数是场地固有特性，影响范围受渗透系数的影响显著，为确保回灌试验的顺利实施，取得准确的试验数据，将根据地层相关参数计算后，继续回灌井的布置。

图2 降水与回灌影响曲线示意图

2.1 场地渗透系数

场地渗透系数可根据各土层渗透系数加权平均计算，见表1。可得到场地的埋深＜20 m，即地表至⑦层粗砂层底部范围内的等效渗透系数k为0.68m／d。

由于工程项目西地块正在进行降水施工，可利用实际单井降水量计算渗透系数。在西侧场地取5眼降水井满负荷抽水，抽水稳定一周后，单井最大抽水量为28 m3／d，单井平均抽水量为221 m3／d。管井的单井出水能力由式（1）［2］表示为

式中：q0为管井的单井出水能力，取值为221 m3／d；rs为过滤器半径，取值为0.175m；l为过滤器进水部分长度，取值为2.3 m；k为含水层渗透系数，m／d。

将相关参数代入式（1），计算可得k为3.07m／d。

以上两种方法得到的渗透系数相差较大，根据现场试验取得的资料进行渗透系数计算，更符合地下水层流运动的假设条件，后期计算均采用该渗透系数值。

2.2 回灌影响半径

根据规范中的库萨金公式可以进行降水井影响半径的计算［2］，潜水含水层和承压水含水层的降水井影响半径R1、R2分别由式（2）和（3）表示为

式中：sw为井水位降深，m；k为含水层渗透系数，m／d；H0为潜水含水层厚度，m。

假设初始水位位于地表，则实际水位相当于井水位降深sw为7.5 m；如按潜水含水层考虑，则潜水含水层的厚度H0为12.5 m，代入式（2）计算，可得降水影响半径R1为124.2 m。如按承压水考虑，则降水影响半径R2为131.4 m，降水的影响半径稍大。

回灌是抽水的逆过程，假定回灌和抽水条件下的影响因素相同，相应的经验公式也适用于回灌井流［13］，可以根据式（2）和（3）进行回灌影响范围的简单理论计算。

2.3 回灌试验井布置

考虑初步计算的回灌影响范围为124.2～131.4 m，则按照正常基坑降水井布置完全能够满足回灌试验要求。根据现场情况，在东地块场地南侧按照后期的降水井进行布设，先期施工试验井有13眼，井水平间距为13 m、井深为20 m、井径为600 mm和滤管内径为350 mm。

先期试验井布置如图3所示，该13眼试验井可以选择某一眼井进行回灌，其余试验井作为水位观测井以量测地下水位。

图3 试验井布置平面图／m

为进一步精细化反映回灌过程中地下水位的变化，后期在9＃与10＃井之间增设了6眼水位观测井，编号为a～f，井间距、井径分别为1.9 m和220 mm。

3 济南多层承压含水层场地单井回灌实验

3.1 常规单井回灌试验

3.1.1 单井最大回灌量

先对4＃井进行自然回灌，重点观察1～7＃井水位回升情况。开始回灌时，4＃井内水位标高为19.60 m，而地面标高约为27.10 m。

表2 单井日回灌量试验结果统计表

当日回灌量达到110 m3／d时，回灌井内水位基本处于地表位置，如再增大回灌量，井内地下水溢出，该回灌井最大回灌量约为110 m3／d。

相邻场地单井最大日抽水量为286 m3，单井平均日抽水量为221 m3，而回灌量仅有110 m3／d，两者相比可得单井常压条件下实际回灌率约为30%～50%，略大于某深层承压水层约为28%的回灌率［14］，这可能与场地存在两层承压水层有一定关系。如要满足基坑降水全部回灌的要求，则回灌井的数量至少应为降水井的两倍。

3.1.2 回灌影响范围初判

根据试验观测，在4＃井进行回灌过程中，即使日回灌量由20m3／d增加到110m3／d，在其左、右两侧的6个观测井水位均无明显变化。由此可见，此工程场地条件下单井常压回灌的影响范围＜13.0 m。

与利用库萨金公式计算的影响半径相比，实际回灌影响半径远小于理论值，因此进行回灌工程设计时应进行相应的回灌试验，以确定相应的设计参数。

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3.1.3 单井回灌稳定水头分析

根据相关研究［13，15］，对场地多层承压含水层，水流进入回灌井后，随着井内地下水位逐渐隆起，在井周围形成轴对称的地下水丘，然后水流将主要进入地下含水粗砂层，此时竖向流动转化为水平流运动，该流动为满足裘布依公式的层流，符合达西定律的条件为连续稳定流，因此承压含水层回灌井内的稳定水位可由式（4）［2］表示为

式中：Q为回灌井回灌量，m3／d；h0为回灌时井内的动水位，即回灌时稳定水头至含水层底板高度，m；H0为自然状态下含水层底板至井内水位高度，m；h0－H0为稳定水头差，m；M为承压砂层厚度，取值为2.28 m；影响半径R2取值为13.0 m；rw为滤水管半径，m。

根据试验数据，4＃井回灌量和井内的稳定水头差变化如图4所示，可见在场地两层粗砂层条件下，单井回灌过程表现为承压含水层稳定层流现象，实测回灌量与井内稳定水头差呈线性上升趋势，与式（4）计算结果的趋势基本符合；同时当回灌量增大到一定程度，井内稳定水头差增长趋缓，实际与理论计算的水头差差距增大。

图4 回灌井稳定水头差随日回灌量变化曲线图

3.2 精细化单井回灌试验

如图3所示，9＃与10＃井之间增设6眼井，实际井间距约为1.9m，通过加密井位布置对回灌效果进行精细化研究。

3.2.1 精细回灌试验结果

对9＃井进行常压自然回灌，在保证井内水满而不溢的情况下回灌量最大值为117 m3／d，试验持续一周，对a～f井及10＃井共7眼井的水位进行观测，并对初始、第3、5及7稳定水位进行统计，结果见表3，并将表3中数据进行整理，如图5所示。

表3 精细回灌试验结果表／m

图5 单井回灌水位曲线图

根据表3和图5分析可知，时间约为5 d时，单井自然回灌周边地下水位基本达到稳定；随着水平距离增大，回灌引起的水位升高迅速衰减；该场地条件下，单井最大回灌量时产生的回灌影响距离约为11.0 m，验证了前期观测井间距为13.0 m时，无法反映回灌后周边土体地下水位变化情况。

3.2.2 回灌影响半径

由回灌试验所得到的影响半径约为11.0 m，与库萨金公式计算结果相差较大，也反映了回灌过程与抽水过程存在一定差异，因此需将主要用于降水试验的库萨金公式进行折减修改后用于回灌影响半径的计算。

考虑承压水层条件，计算影响半径为131.4 m，实际试验尚不到10%，因此需对式（3）进行参数调整，以用于回灌实际影响半径计算。

根据试验结果，考虑承压含水层厚度M的影响，承压含水层条件下单井回灌影响半径可由式（5）表示为

利用式（5）进行回灌影响计算，其结果与实际情况基本吻合。

3.2.3 单井回灌能力

实际工程在进行回灌井数量设计时，需预估单井回灌能力，对承压含水层回灌井，仍利用式（4）进行单井回灌量的计算，计算时仅考虑承压含水层的厚度M，并根据精细回灌试验，实际单井回灌影响半径取11.0 m。

利用4＃井回灌试验数据，进行不同回灌强度下的理论回灌能力计算，见表4，实际回灌量约为理论计算的1.3倍，说明实际场地除承压砂层外，其余地层也有一定的渗透作用，并随着回灌井内水头差的增大，实际回灌量进一步增大，最高稳定水头时达到1.38倍，因此进行回灌能力估算时，可根据隔水层厚度和渗透系数等情况将理论回灌量增加30%。