基于无止水条件下富水砂卵石层深基坑降水论证分析

穆清君, 陈诚

(中交第二航务工程局有限公司， 湖北 武汉 430012)

城市建设的发展日新月异，有限的地上土地资源难以满足社会进步的需要，地下空间的进一步开发利用已迫在眉睫，基建项目中基坑的开挖深度也越来越深，基坑地下水处理的合理与否直接关系到整个工程的进度和成败，有效降水+止水联合应用控制基坑地下水的方法，早已成为广大工程界的共识[1-4]。富水砂卵石地区具有地下水储量丰富、含水层渗透性强且补水速率快等特点，在该区域实施井点降水，即便采用止水帷幕也难以隔断地下水的补给，施工难度很大。因此，在施作止水帷幕隔断场外地下水之前，采用合理的方法预测降水效果，对于确保场内深基坑施工边坡稳定具有重要的意义[5-8]。

对于施工降水成效，解析法存在较大的局限性，其不能较好地运用于复杂的地质环境，而有限元分析法能够较好地模拟非均质及不等厚等水文地质条件，因而更加普遍应用于分析地下水的控制，许多学者在这个领域做了大量研究。徐永亮等[9]采用数值模拟方法论证并分析了北京某开放式深基坑工程的降水方案，指出在未能闭合围降的场地降水，井的布设间距最低为6 m，且单井的出水量需大于等于43 m3/h；袁斌等[10]对比分析了在富水砂砾地层中，不采用挡水帷幕以及采用不同深度的挡水帷幕条件下，将深基坑降水至安全水位时的总抽水量、基坑内外水位及降水引起的坑外地表沉降，得出了挡水帷幕深度对降水后环境影响的规律，并在综合考虑工程对环境影响后，得到了最优化的基坑降水方案；马昌慧等[11]采用数值模拟软件Visual Modflow研究了武汉某深基坑工程的地下渗流场，并利用分层总和法分析其地基变形场，通过研究发现，基坑外的水头与距基坑的距离成正比，地基沉降变形与距基坑的距离成反比，距离越远水头越大，呈逐级递增的变化趋势，另外，止水帷幕落底越深降水效果越好，且可以有效减小地表沉降及降低对基坑周边渗流场的紊乱影响；杨强等[12]亦通过Visual Modflow软件模拟了实际基坑降水过程，充分利用了软件对基坑中井位、井数、井结构、涌水量、井径等灵活确定的特点，实现了可视化、预期化的操作。

该文依托湖北襄阳某深基坑工程，其基坑开挖平均深度约25 m，该区域存在渗透性极强的砂卵石潜水含水层，设计降水深度大于12 m。现采用降水试验辅以数值模拟分析，论证能否达到设计降深要求并验证渗透系数，为后续选择合适的止水帷幕方案提供合理的依据。

1 工程背景

湖北襄阳某深基坑工程最大开挖深度约25.5 m，此次为生产性降水试验，降水井在后期可继续使用，因此井位布置时尽量不影响基坑的正常开挖。综合考虑，此次试验井横向布置4排，即布置在边坡平台及坡脚位置，具体降水井数量可通过预测的基坑总涌水量及单井出水能力计算。

计算得出此次试验段共需布置降水井36口，如图1所示，环向封闭布设，内环纵向间距约25 m，外环间距约15 m。36口试验井中包含了6口观测井兼做备用井，暂定为JS01、JS08、JS14、JS21、JS31、JS36，为了解群井外侧不同距离处以及污水处理厂附近地下水位下降情况，另在群井外侧(JS14观测井)与污水处理厂之间按间距约60 m/口布置了5个水位监测孔(SW01～SW05)。试验井孔径为600 mm、井管直径为325 mm，其他细节如图2所示。

注：JS表示降水；CJ表示沉降；SW表示水位。

图2 试验井结构示意图(单位：m)

2 无止水条件下降水试验方案设计

2.1 试验目的

依托工程深基坑段主要为强透水性的砂卵石层，厚度为55～72 m，且与汉江水存在密切的水力联系。此次选取东汊干坞段K12+567.5～K12+667.5长约100 m的距离为试验段，在无止水措施条件进行试降水，旨在观测敞开式条件下，能否将试验段水位降低至基底以下1 m(标高约51.00 m)，并对渗透系数进行复核。通过计算，降水井深取值为30 m。

2.2 地表沉降监测点布设

地面沉降观测点与水位观测井(孔)成组布设，每个水位观测井(孔)附近埋设一个地面沉降观测点(CJ01～CJ11)，以获取水位下降引起的地表沉降差。

2.3 抽水工况安排

拟采用单井和群井两种降水模式分阶段进行。

(1) 第一阶段：单井抽水

拟选取JS17为抽水井，进行1个降深抽水，分别在平行、垂直河流方向进行水位下降观测，暂选取JS14、JS16、JS18、JS20、JS34、JS36为此阶段水位观测井，待水位稳定24 h后停止抽水，并进行水位恢复观测。

(2) 第二阶段：群井抽水

分3个降深进行，第一次开启18口，为奇数号井，JS01、JS21、JS31兼做观测井，更换开启JS02、JS20、JS24，直至水位稳定；第二次加开至30口井抽水；第三次除了预留作为观测井的JS36号之外，其余35口全部开启。群井围合范围内水位降至要求水位后，维持抽水3～5 d，继续进行观测，待水位和地表沉降变化稳定后停止抽水，并进行水位恢复观测。

2.4 试验数据采集

2.4.1 静止水位观测

在正式抽水前先做好地下水静止水位的原始记录。观测频率为每30 min一次，当出现4 h内水位无持续上升或下降趋势，且变幅不超过2 cm时，记录此时的水位，即为静止水位。

2.4.2 动水位、水量观测

(1) 第一阶段抽水开始后，对涌水量和动水位进行观测，观测频率宜为抽水开始后逐级递增，第1 min、2 min、3 min、4 min、6 min、8 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、40 min、50 min、60 min、80 min、100 min、120 min各测一次，以后隔30 min测一次，直到水位稳定。抽水结束后，观测恢复水位的时间也按此要求。

(2) 第二阶段开始进行群井抽水时，观测频率宜为抽水开始后每5 min测一次，其后宜每隔30 min或60 min测一次；抽水停止后进行恢复水位观测，观测时间间隔同抽水水位观测。

2.4.3 沉降观测

大范围持续降水会对地表沉降产生影响，在整个试验抽水过程中，对场区内的地表进行沉降监测，观测频率为1次/d。为了降低抽水过程中的扰动影响，垂直观察控制点应远离抽水范围。

2.5 抽水试验设备

抽水试验设备及配套装置如表1所示。

表1 抽水试验及水位观测设备

3 单井降水试验结果分析

3.1 静止地下水位

抽水试验过程中，每阶段抽水前均记录静止地下水位，单井降水、群井降水工况下水位标高平均约62.80 m。单井抽水期间，出现暴雨天气，导致恢复水位较初始水位高约0.20 m，说明地表透水性好，雨水对地下水影响较大。

3.2 单井降水工况

现场于2018年7月26日07:58选取JS17作为抽水主井，开始单井降水试验。分别对6个观测孔进行水位观测，抽水持续时间30 h，测得平均抽水量约为3 210 m3/d，最大水位降深约0.70 m，试验结果见图3及表2。

图3 JS17单井抽水试验Q-t、S-t曲线

表2 JS17单井单降深抽水试验结果

由图3可知：

(1) 抽水开始约3.5 h，观测井水位已逐步趋于稳定，但持续抽水6～8 h后，天气突降暴雨，地表水汇集导致观测井水位线性上涨，至停止抽水时，水位上涨16～20 cm，水位恢复结束后，较试验前上涨19～24 cm，进一步表明该区域地层透水性好，地表雨水补给地下水迅速。

(2) 抽水过程中，水位较快稳定，恢复也很快，且曲线的拐点明显，反映了含水层分布较广、透水性较好、水量补给较为充沛的特点。

4 群井降水试验结果分析

4.1 降水工况

(1) 2018年7月27日07：00，单井试验结束且水位已恢复，开始进行18口井的单井抽水试验，但由于抽水量大、现场排水系统不通畅，无法将抽出的水排除场外，群井试验被迫中止，进行排水系统修建。

(2) 至2018年8月11日08：30，现场重新进行群井试验：① 第1次先开启18口降水井，抽水36 h后，群井中心(JS36号观测井)水位降深约5.93 m；② 第2次开启30口降水井，抽水21 h，JS36观测井水位降深约7.91 m；③ 第3次开启35口降水井，抽水27.5 h，总出水量7.6万m3/d，JS36观测井水位降深约9.02 m，未达到要求水位标高；④ 抽水主井内动水位较高，单井未达到最大出水能力，因此，准备更换更大功率的抽水泵，停止抽水并进行水位恢复观测。试验结果见图4、5。

图4 群井降水试验观测井S-t曲线

图5 JS36、SW01观测井水位恢复曲线

(3) 2018年8月21日下午17：40，现场更换了12台37 kW水泵(额定流量200 m3/h)抽水后，水位仍未达到要求的水位标高(+51.00 m)，具体见图6。群井外围观测孔水位下降约0.6 m(较上次)，中心水位下降约0.10 m(较上次)，并且呈缓慢下降趋势。

图6 更换水泵后各观测井水位降深-时间曲线

更换了大功率的抽水泵后，原有功率15 kW的23台水泵出水量均变小，平均为85 m3/h，12台37 kW的水泵抽水量也只能达到140 m3/h，总抽水量约8.7万m3/d。

4.2 数据分析

(1) 编号JS的观测井位于抽水井附近，在抽水前期水位下降迅速，表明该区域地层透水性好；而编号为SW的外侧观测井在抽水进行一段时间后才开始缓慢出现水位下降，特别是SW03、SW04、SW05约在抽水30 min后出现水位下降，表明前期以消耗地层静水储量为主，含水层给水度大。

(2) 当开启了30口抽水井后，观测井水位先下降到一定深度，随后出现一定程度的上涨，上涨幅度与距离观测井的距离成正比，距离越近，涨幅越明显，这表明在持续抽水过程中，地层中的地下水获得了新的水源补给。同时周边池塘水位出现明显下降，至停止抽水时，池塘水位下降约0.80 m；停止抽水后，水位继续下降约0.20 m。

池塘水位下降进一步表明该区域地层透水性强，地表水与地下水之间存在明显的水力联系，地下水位降深越大，水头差导致地表水渗入越快。

根据卫星地图量测，离试验区最近池塘面积约58 000 m2，按水位下降0.8 m计算，考虑池塘底部不平整，按修正系数90%换算，渗透量约为11 800 m3/d，占抽水量的15.5%，此次尚未考虑远处池塘的补给量。

更换大功率抽水泵后，池塘水位进一步快速下降，至停止抽水塘底基本暴露，水位下降约1.6 m。

(3) 停止抽水后，最初4 h内水位恢复比较快，JS36号观测井回水约3.55 m，后期恢复速率变慢，至130 h，水位未回升至初始地下水位(图7)。

图7 不同降深条件下的水位恢复速率图

(4) 由于排水沟底部直接为地层上部的砂层，沟底未做防水处理，根据池塘水位下降情况，排水沟内的水也会大量回渗至地层中。为获取排水沟的入渗量，2018年8月28日，在排水沟进行了一次回渗数据观测，9 h内观测到水位回升0.51 m，整个排水沟面积约8 000 m2，初步估计总入渗量为10 880 m3/d。此次为停抽时的入渗量，地下水位已经有所回升，降水时水位降深大，入渗量将大于此次预估值。

(5) 此次将抽水井围合区域概化为一口大井，JS36假定为井内水位降深，利用群井降水数据绘制抽水量与水位降深曲线(Q-S)曲线，如图8所示。

图8 群井抽水Q-S曲线示意图

图8表明：曲线呈现下凹形，表明随抽水量的增加，水位降深增量很小，也说明在抽水过程中，水位降深越大，水头差越明显，补给也越迅速，地下水获得了新的补给源。

5 水文地质参数演算

5.1 稳定流方法演算

采用稳定流解析法计算水位地质参数时，将现场抽水试验趋于稳定后测得的流量Q，以及抽水井或观测井水位降深S代入相应公式，即可求出相应参数。

对于渗透系数K，分别利用JS16、JS14，JS18、JS20，JS34、JS36共3组观测井数据进行计算，最后取平均渗透系数为56.97 m/d；对于影响半径R，在无限延伸的含水层中，理论上不存在“影响半径”，但习惯性引入影响半径的概念，经过计算，得出其平均值为278.80 m(表3)。

表3 稳定流计算水文地质参数结果

此次单井试验降深较小，实际基坑降水过程中，降深及抽水时间均大于此次试验，影响半径值将远超此次计算值。

5.2 非稳定流方法演算

根据提供的场地水文地质信息可以看出，整个地层包含了复杂的含水系统，此次将其概化为巨厚的均质各向异性潜水含水层，计算时，将观测井现场采集的降深-时间数据输入Aquifer Test软件，并与Neuman标准曲线进行匹配，即可得到相应水文地质参数。由于抽水试验后期受到降雨及周边地表水体补给的影响，对参数计算影响较大，此次利用抽水前期约6 h的数据进行分析，得到的渗透系数为61.2～67.7 m/d、平均64.5 m/d，给水度为0.103～0.265、平均为0.204，Neuman公式拟合结果如表4所示。实际降深时间曲线与标准曲线的拟合结果见图9，除了前期有2～3个数据点较为偏离标准曲线外，其余各点均接近标准曲线。

表4 Neuman公式拟合结果

(a) JS16、JS14观测孔

6 结论

(1) 在实施落地止水帷幕前，在基坑范围内进行试验降水，从降深结果可知：已完成的36口降水井从井位和数量上均不能满足要求，表明该区域含水层给水度大，抽水前期以消耗地层静水储量为主；池塘水位下降进一步说明地层透水性好，地表水与地下水之间存在明显的水力联系，水位降深越大，水头差越明显，地表水渗入越快。

(2) 单井抽水试验时，水位降深较小，水头差异不明显，使前期周边池塘和排水沟入渗的影响也相对较弱，此时计算得到的水文地质参数较能反映地层渗透性能；当降水井数量和位置一定的前提下，地下水位降至设计降深前适当选择大功率水泵抽水，可有效缩短工期；地下水位降至设计降深后，可按需降水，在保证地下水位满足设计降深时，适当减小开启水泵的数量，可保护当地生态环境，减少地下水资源浪费。