软土地区基坑粉砂承压含水层抽灌试验

仲志武

(中铁十八局集团有限公司,天津 300222)

我国经济蓬勃发展,地下城市空间建设逐渐成为影响城市发展的重要因素,基坑朝着深、大、长方向发展,对于超深基坑的开挖,为避免承压水突涌破坏,多数工程选择对承压层进行减压;而承压层减压不可避免地导致基坑外的承压层水位下降,从而引发地面沉降[1-2]。为降低基坑降水带来的影响,施工中常采用止水帷幕截断基坑内外水力联系。

目前,诸多学者针对深基坑工程降水及止水帷幕设计开展了研究。金小荣等[3]通过数值模拟分析得出:随着止水帷幕深度增加,基坑周围土体总沉降和不均匀沉降减小;戴斌等[4]依据施工经验分别探讨止水帷幕隔断与未隔断承压含水层时,深基坑承压水降水技术手段;焦志亮等[5]运用三维有限差分法模拟地下水沿止水帷幕的绕流,结果表明,缩短基坑开挖工期可减小对周边环境的影响,并指出降水设计前进行抽水试验的必要性。

天津地区地质条件复杂,承压含水层深且厚,当基坑深度较大时,若完全截断承压含水层,止水帷幕的深度需达50 m以上,一方面造价高昂,另一方面施工质量难以保证。因此,在基坑降水期间,部分工程采用悬挂式止水帷幕,并结合基坑外地下水回灌技术来控制基坑外的地下水位[6-8],从而控制承压水减压引发的坑外沉降。郑刚等[9-11]在天津地区尝试开展承压水回灌试验,结果表明:采取合理回灌措施能够有效限制基坑外承压含水层水位下降及建筑物沉降。

采用悬挂式止水帷幕的基坑工程中,由于地连墙未完全截断承压含水层,考虑到施工安全,土层参数的选取及降水方案的设计尤为重要[12-13]。

俞建霖等[14]提出利用地下水回灌的方式控制降水对基坑周围建筑物的影响,并结合理论计算,提出回灌设计方案,成功应用于杭州市某砂性土地基基坑开挖工程实践中,为回灌保护提供了依据,该方法可靠度高、经济性优良、适用性广泛。在其他地区,吴建中等[15]和Zhang等[16]针对浅层承压含水层的地下水人工回灌技术提出了优化与改进,在上海市浅层承压水地质条件下进行了回灌试验,分析了该条件下地下水人工补给效果,探讨了其适用性与经济性。

天津地铁6号线某地铁车站基坑工程场地承压含水层较厚,地连墙未截断承压水,且基坑南侧存在高层建筑群,需采取回灌方式对建筑物进行保护。本工程场地承压含水层多以粉砂、粉土为主,尽管天津市此前曾进行过回灌试验，并取得较好效果,但对于此类渗透系数较小的承压含水层,特定场地的回灌可行性及水文地质参数仍需进一步进行试验研究和验证[17-19]。

本文通过在天津地铁6号线某地铁车站基坑开挖前开展回灌试验,探究采用悬挂式止水帷幕时承压含水层的降水规律,通过数值模拟计算场地水文参数,研究场地回灌效果及规律,以指导基坑外建筑物回灌保护方案的设计,为后期基坑开挖施工中承压含水层降水和回灌运行提供理论支持,也为类似工程提供实例参考。

1 工程概况

1.1 地理位置及周边环境

天津地区地质条件复杂,承压含水层多以粉土、粉细砂为主,其渗透系数显著小于传统意义上以砂卵石、中粗砂为主的承压含水层渗透系数,回灌可行性值得研究。本工程西北侧为某大学校区,距离较远;西南侧为空旷场地;北侧紧邻建筑施工场地,试验期间正处于桩基施工阶段;南侧为高层住宅小区,地下连续墙与高层建筑之间直线距离最近仅60 m,且南侧地下管线众多,整体环境复杂。

1.2 地质勘测

据地质勘测资料显示,场区潜水静止水位埋深较浅,常年浮动于1.2到2.5 m之间,承压水以第Ⅱ陆相层中的黏性土为相对隔水顶板。表1为场地土层勘测结果。由表1可知：⑦与⑧1粉质黏土为微透水层,可视为潜水含水层与承压含水层的相对隔水层。承压水主要赋存于第Ⅱ陆相层及其以下粉土、粉砂层中,因1粉质黏土层较薄且不连续,本场地可将⑧2黏质粉土、⑨2粉砂、⑩2粉砂与2粉砂视为第一承压含水层,承压含水层水头大沽标高为-4.5 m,即埋深7.0 m。此场地第一承压含水层顶板埋深22.8 m,含水层深度较厚,底板深达47.5 m。

表1 场地土层勘测结果

1.3 基坑围护工程

本车站主体为地下二层岛式站台,基坑底板位于⑦粉质黏土持力层,埋深17 m。车站地下连续墙墙趾埋深32 m,位于⑨2第一承压含水层中。可见该地区水文地质条件复杂,承压含水层深厚,地下连续墙未完全隔断承压含水层,基坑内降水引发基坑外紧邻建筑沉降的风险较高。

2 降水试验

2.1 试验目的

由于本车站紧邻高层建筑,且地下连续墙并未截断第二承压含水层,施工期间需要进行大幅度减压降水。减压降水将对南侧高层住宅楼及北侧建筑施工场地造成较为严重的影响,引发建筑物沉降开裂。因此,应采取合理措施减少由降水引发的建筑变形及地表沉降,确保施工和周边环境安全[20-22]。

采用地下水人工回灌是控制地面沉降的有效途径之一[23-24]。本车站主体基坑开挖前进行了抽水回灌试验,通过现场回灌试验,验证地下水回灌控制地表沉降的可行性,根据场地回灌试验效果和水文参数制定最佳回灌方案,以便控制周围重要建筑沉降,完善回灌理论,推动回灌技术在实际工程中的应用,保证基坑开挖期间承压水抽降施工安全。

2.2 观测井与监测点平面布置

本车站现场抽灌试验的观测井平面布置及各监测点布置如图1所示。由图1可知:基坑南侧地下连续墙内侧布置1口承压水观测井G11,外侧布置10口承压水观测井G1—G10,潜水观测井Q1,主回灌井H1,备用回灌井H2;建筑沉降监测点F1—F6分别布置在紧邻基坑南侧的建筑周围。

图1 观测井及监测点布置Fig.1 Wells and monitoring points distribution

2.3 试验方案

试验期间,基坑南侧地下连续墙基本打设完毕。对主回灌井H1进行抽灌试验，当H1堵塞或出现其他状况时,启用备用回灌井H2，H1抽灌期间,回灌井H2视为承压水观测井。

试验共分3部分:①主回灌井H1单井抽水试验;②主回灌井H1单井回灌试验;③主回灌井H1加压回灌试验。试验期间通过调整水泵阀门控制流速,定期观测各观测井水位及建筑沉降变化,具体工况见表2。

表2 抽灌试验工况

3 试验数据分析

3.1 抽水试验

抽水试验共进行3组,每组均分为两梯度对H1进行抽水,各梯度流量及抽水时间如表3所示。

表3 抽水试验工况

每组抽水试验需先开启大泵抽水(流量约4.8 m3/h),待各观测井水位平稳后开启小泵抽水(流量约3.2 m3/h),直至水位再次平稳,结束试验,水位恢复。抽水试验期间,各观测井的水位实时变化如图2—4所示。

图2 2020年7月8日抽水试验水位变化曲线Fig.2 Variation of water level curves of pumping test on 8th July, 2020

图3 2020年7月12日抽水试验水位变化曲线Fig.3 Variation of water level curves of pumping test on 12th July, 2020

图4 2020年7月25日抽水试验水位变化曲线Fig.4 Variation of water level curves of pumping test on 25th July, 2020

为校核场地土质参数并验证抽水效果,根据钻探及勘察资料可知,抽水试验场区第一承压水含水层岩性较均匀,厚度较稳定,地下水运动为层流。饱和介质中三维地下水流动的控制方程符合达西定律与质量守恒原理[25-26]。地下水流在多孔介质中的控制方程为[27]

(1)

式中:kij为各向异性渗透系数,q为流量,Ss为贮水系数,t为时间,H为地下水水头,xi为i方向距离,xj为j方向距离。

一般采用Dupuit公式计算该场地平均渗透系数(k),如式(2)所示。

(2)

式中:M为含水层厚度，s1为抽水稳定时观测井1的水位降深，s2为抽水稳定时观测井2的水位降深，r1为观测井1与抽水井的距离，r2为观测井2与抽水井的距离，Q为抽水井出水量。

每组抽水试验随机选取4口观测井实测值,将3组抽水试验数据分别代入,求得该场地平均渗透系数k=3.59 m/d,该值大于场地勘测报告的推荐值(2.00 m/d),说明该场地承压含水层渗透性较好。根据Jacob直线图解法求得导水系数(T)与贮水系数(Ss)的关系,如式(3)所示。

(3)

式中:s为观测井水位降深，r为观测井与抽水井的距离。

将数据代入，并进行曲线拟合,求得Ss=0.005 9,T=165.27 m2/d。

当每组抽水试验的观测井水位最终平衡时,H1抽水井抽水流量约为8.0 m3/h,水位下降6 m左右。抽水流量变化后的1 h内,各观测井水位下降幅度较大;4 h后水位基本达到平稳;停抽后,各水位迅速恢复。抽水试验期间,各承压含水层观测井水位降深随H1抽水流量的增大而增大,且水位变化趋势相同,说明H1抽水效果与各承压含水层观测井水位监测效果良好。

抽水试验期间,各承压含水层观测井水位同步变化,但潜水观测井Q1水位几乎没有变化,说明该场地潜水层与承压含水层之间无水力联系,⑧1粉质黏土层隔水性较好。

根据各组抽水试验结果,绘制出观测井和抽水井的距离和降深曲线,如图5所示。由图5可知:基坑外距H1最近处的G4观测井稳定时水位降深约为1.4 m,距H1最远处的G10观测井水位降深约为0.4 m,其余各承压含水层观测井均有0.5～1.2 m左右的沉降。因此,该场地承压含水层渗透性较好,且H1的抽水影响半径较大。此外,利用根据实测数据求得修正后承压含水层水文参数(Ss=0.005 9、k=3.59 m/d),运用Visual Modflow有限差分软件进行模拟所得到的水位降深曲线同样绘制于图5中,模拟与实测曲线较为接近。

图5 观测井抽水试验水位变化曲线Fig.5 Variation of water level curves of observation well during pumping tests

基坑内承压含水层观测井G11距H1回灌井14.8 m,稳定时水位降深为0.35 m;距H1等距离的基坑外观测井G1、G2稳定时水位降深达0.65 m,该现象可以说明,悬挂式止水帷幕在一定程度上能够减小基坑内外水力联系。

3.2 单井回灌试验

回灌试验共进行4组,为保证回灌效果明显,每次回灌前对G6抽水使承压含水层减压,待观测井水位稳定后对H1进行回灌。抽水及回灌流量如表4所示。

表4 回灌试验工况

承压含水层减压期间,G6抽水流量约为7.6 m3/h。待各观测井水位稳定后,在此基础上进行回灌。现场使用自来水回灌,水质较佳。开启回灌后,将H1水位回灌至井口,回灌期间G6保持抽水状态,待各观测井水位平稳后停止试验,水位恢复。各观测井水位时程变化曲线如图6—9所示。

图6 2020年7月7日回灌试验水位时程曲线Fig.6 Curves of water level of recharging test on 7th July, 2020

图7 2020年7月9日回灌试验水位时程曲线Fig.7 Curves of water level of recharging test on 9th July, 2020

图8 2020年7月14日回灌试验水位时程曲线Fig.8 Curves of water level of recharging test on 14th July, 2020

图9 2020年7月26日回灌试验水位时程曲线Fig.9 Curves of water level of recharging test on 26th July, 2020

2020年7月14日的试验中,回灌试验前期对承压含水层减压,G6单井抽水使H1回灌井水位降深至6.5 m处左右,各观测井水位均有一定下降,抽水漏斗曲线如图10所示。随后H1回灌至井口,约4 h后各观测井水位变化稳定。

回灌试验期间,由于各承压含水层观测井与回灌井H1距离不同,其水位变化最大值也不同,距回灌井不同位置处的观测井水位抬升如图11所示。由图11可知:H1附近观测井G4、G5水位变化约1 m；而距H1主回灌井50 m远处的G10观测井,回灌稳定后水位变化约为0.35 m。承压含水层观测井水位变化最大值随与H1回灌井距离的增大而减小,离回灌井越近,回灌引起的水位抬升效果越好。

回灌后,由于G6抽水引发的水位降低均有所恢复(图10),其中在回灌井一侧,所有观测井水位均高于未进行试验时水位。由此可见,本场地回灌效果良好,回灌可以有效恢复因抽水而降低的水位。

图10 2020年7月14日抽灌模拟与实测对比曲线Fig.10 Comparison of simulation and measurement curves of recharging test on 14th July, 2020

图11 观测井回灌水位变化曲线Fig.11 Variation of water level curves of recharging test

根据表1地质勘查资料中地层划分厚度及式(2)计算得出的承压含水层渗透系数(k),使用Visual Modflow有限差分软件对回灌试验进行模拟,水位拟合与实测曲线基本一致,说明在进行回灌锥计算时,可以近似采用抽水试验获得的水文参数。2020年7月26日补充试验的回灌流量为5.2 m3/h,与此前的回灌试验相比,回灌速率降低了1/4,各观测井水位变化最大值也相应减小。H1附近的G4观测井水位变化量从1.25 m降至0.98 m,距H1较远的G10观测井水位变化量也从0.38 m降至0.29 m,说明水位变化量与回灌流量成正比。

通过数值模拟与实测分析可得出,各承压含水层观测井水位变化趋势符合达西定律与质量守恒原理,该场地承压含水层渗透性较好,可以利用地下水人工回灌的方式控制地表沉降,保护周围建筑安全。

3.3 加压回灌试验

2020年7月19日,现场进行了加压回灌试验。提前调试储水箱与压力表等装置,在回灌试验基础上,用变频多级离心泵对H1回灌井进行加压回灌，其流程与回灌试验相同,先对G6抽水使承压含水层减压,随后开启并调节离心泵控制回灌压力,进行不同梯度流量回灌。

加压回灌试验共分3个阶段,待各观测井水位平稳后进行下一阶段增压。通过调节压力泵控制回灌梯度,其流量分别为9.0、12.5、15.0 m3/h,回灌时长和压力如表5所示。当加压回灌进行至第3阶段时,约1 h后,距H1回灌井南侧5 m远处的G4观测井水位骤然上升,随后G4井壁外侧地表出现涌水现象,发生水力劈裂。与此同时,回灌井H1压力表示数骤减,井内压力减小,试验中止。

表5 加压回灌试验工况

加压回灌试验期间,各观测井水位变化时程曲线如图12所示,其中G4观测井由于后期井壁涌水,监测数据无效,其余观测井数据正常。

图12 加压回灌试验水位时程曲线Fig.12 Curves of water level of pressurized recharging test

由图12可知:随着增压泵压力的增大,各承压含水层观测井水位变化幅度增大,而潜水观测井水位几乎不变。与此同时,H1回灌井井口处压力表示数不断增大,每阶段开始约2～3 h后,压力表示数才趋于平稳,井中压力增大与水位上升有相互抵消作用,需更长时间才能达到回灌稳定效果。

G4观测井发生水力劈裂时,H1回灌井井口处压力表示数为0.14 MPa,说明该场地加压回灌设计值不得高于0.14 MPa,否则容易出现回灌井或观测井井壁水力劈裂现象,从而导致井壁处涌水,影响回灌效果及正常运行。

与自然回灌相比,加压回灌可在短期内迅速使各承压含水层观测井水位上升。开启增压泵0.5 h后,各观测井水位变化均已达稳定变化最大值的90%以上,而该过程在自然回灌中需经历2 h左右。自然回灌情况下,最大回灌流量为6.9 m3/h,而加压回灌可以将回灌流量提升至12.5 m3/h,提高了80%左右。由此可见,加压回灌效率较高。此外,H1附近10 m内的观测井在流量为12.5 m3/h的加压回灌期间,水位变化最大值均高于自然回灌变化值的60%以上,加压回灌效果显著高于自然回灌效果。因此在实际工程中,可采用加压回灌的方式提高回灌效率,进而减少回灌井的数量,既能够方便、快速、高效回灌,也具有较高经济价值。

3.4 建筑沉降监测

抽灌试验期间,对场地南侧高层建筑进行沉降监测,在其周围环绕布置沉降监测点F1—F6,每天早、午、晚各测量一次,确保建筑物安全。试验期间,临近建筑沉降变化如图13所示。

图13 回灌试验建筑沉降监测点时程曲线Fig.13 Curves of building settlement of recharging test

由图13可以看出:抽灌试验期间，建筑沉降最大值约为4 mm,随后恢复,各点沉降均不超过2 mm。初步分析,该现象可能是由加压回灌期间G6连续抽水减压导致。因此在类似工程中,承压含水层抽水减压期间应加密对周边建筑沉降的检测;若建筑沉降超过预警值须及时停止抽水,确保临近建筑安全。

4 结论

本文对天津地铁6号线车站抽灌试验进行了分析,得出以下结论:

1)承压含水层与潜水层水力联系较小,第一承压含水层渗透性较好。基坑地连墙隔断了60%承压含水层厚度,在抽降试验期间,基坑内承压含水层观测井与基坑外等距承压含水层观测井最大水位降深相差约50%,说明悬挂式止水帷幕有一定隔断效果,减小了基坑内外水力联系。但基坑内承压水减压,仍然会引发较显著的坑外水位降低。因此在类似工程中,若采用悬挂式止水帷幕,需在基坑开挖前做预降水试验,全面掌握场地水文地质情况及基坑内外含水层水力联系。

2)回灌可以显著抬升因承压层含水减压引发的水位降低,验证了该场地粉砂承压含水层回灌可行性。在进行回灌锥计算时,可以近似采用抽水试验获得的水文参数。本工程将依据试验结果制定回灌方案,对基坑外靠近建筑一侧开展地下水人工回灌,以控制坑外地下水位和地层沉降,保护临近建筑。

3)加压回灌能够显著提高回灌效率,将该场地回灌至稳定所需时间从2 h缩短至0.5 h,将回灌流量提高约80%。使用加压回灌代替自然回灌,可达到同样回灌效果,并可减少回灌井数量,有较高经济价值。在采用加压回灌时,应当重点监测回灌井附近的观测井水位变化情况。在加压回灌期间,若观测井中出现水位骤然上升情况,需保持重点关注,必要时停止试验,避免出现水力劈裂现象。该场地若采用地下水加压回灌控制沉降,回灌压力不宜超过0.14 MPa。