二元地基基坑降水对周边地下水位影响研究

2023-08-17何海清李青青

山西建筑 2023年17期

何海清，李青青，杨进，杨辉

(1.四川省地质工程勘察院集团有限公司,四川成都 610072; 2.四川新诚劳务有限公司,四川成都 610051)

0 引言

大部分基坑开挖施工会遇到地下水的控制,基坑降水是基坑开挖的一大任务。国内很多规范规程、指导用书及学术论文都有采取抽水试验来确定基坑水文地质参数的公式。譬如:SL 320—2005水利水电工程钻孔抽水试验规程给出了潜水非完整井水文地质参数的计算方法[1];肖长来等[2]提出利用抽水试验数据确定含水层参数的全程曲线拟合法直接用于厚度较大潜水含水层参数的计算,为参数计算提供了新的方法;赵琳琳等[3]进一步验证了利用全程曲线拟合法在承压含水层中确定水文地质参数的适用性;王建秀等[4]通过抽水试验认识到含水层之间存在复杂越流,正确建立了合理的水文地质概念模型,群井试验验证了基于该概念模型设计的降水方案的正确性;段衍伟等[5]通过数值模拟对二元地基反算了地基渗透系数,为二元地基水文地质参数的研究开辟了新的思路;聂庆林等[6]通过多孔抽水试验推求含水层水文地质参数;李霞等[7]利用解析法及数值模拟法对含水层系数进行反演算得浅层及深层孔隙承压含水层渗透系数的范围值;高福华[8]、杨坤[9]、吴意谦[10]均通过渗流或降水等对地基变形进行了相应研究等等。这些都为本文的编写提供了一定的理论及思路。但是,关于已确定降水井后,距降水井不同距离处各点地下水位降深的确定(即基坑降水后,基坑外某一点处的地下水位降深的影响),文献及规范中并未给出具体解答。然而,基坑降水势必引起周边地下水位的变化,从而影响地基变形,因此本文以成都某地铁站基坑已知降水井及固定功率抽水设备为基础,探索距离该降水井67.45 m处高铁181号桥基础桩处水位降深[11]。

1 试验场地工程地质条件

1.1 工程地质条件

工程区内人工填土层广泛分布,主要为杂填土,局部为素填土。杂填土和素填土均为新近回填土,回填时间小于5 a。呈黄褐、灰褐等杂色,松散—稍密,干燥—稍湿,均匀性差,多为欠压密土,自重固结尚未完成,结构疏松,具强度较低、压缩性高、荷重易变形等特点。杂填土主要由混凝土块、碎石及少量黏性土等组成,素填土以黏性土为主,夹杂少量卵石、碎石等组成。

②1粉质黏土:灰褐、黄褐色,可塑,局部硬塑,主要由黏粒组成,含少量粉粒,手搓捻略有砂感,稍有光泽反应,无摇振反应,干强度中等,韧性中等。压缩模量5.85 MPa,压缩系数为0.30 MPa-1,为中等压缩性土。

②2细砂层:层厚0.50 m～0.90 m,青灰色—灰黄色,湿—饱和,松散,主要成分为长石、石英,次为云母,局部夹少量卵石。该层在场地内局部分布于钻孔中的卵石土上部。标贯实测击数N=5.3击/30 cm。

②3卵石层:褐灰色、浅灰色,湿—饱和,稍密—密实为主,卵石成分以砂岩、石英砂岩、灰岩及花岗岩等为主。磨圆度较好,以亚圆形为主,少量圆形,分选性差,中风化—微风化。分为四个亚层:

②3-1松散卵石层:层厚2.1 m～4.2 m,圆砾及细砂、中砂充填,卵石磨圆度较好。不均匀系数平均值153.49,曲率系数平均值0.8。

②3-2稍密卵石层:层厚3.90 m～10.0 m,圆砾及中、细砂充填,石质成分主要为砂岩、石英砂岩、灰岩及花岗岩等,磨圆度较好。不均匀系数平均值161.6,曲率系数平均值0.77。

②3-3中密卵石层:层厚5.00 m～11.90 m,饱和,圆砾、中砂充填。不均匀系数平均值212.2,曲率系数平均值11.09。

②3-4密实卵石层:圆砾、中砂充填。不均匀系数平均值116.3,曲率系数平均值47.7。

1.2 地表水和地下水

1.2.1 地表水

受到人为改造,河床深度、流量以及洪水位等均已受到人为控制,河内水面坡降不大,地表水与地下水水力联系较弱。

1.2.2 地下水

车站地下水类型主要为第四系砂卵石层中的孔隙潜水。场地卵石土层较厚,局部夹薄层砂,且呈层状分布,赋存有大量的孔隙潜水,水位高、水量大。卵石土层中孔隙水形成贯通的自由水面。

1.2.3 地下水的补给、径流、排泄条件

大气降水、区域地表水及地下径流为其主要补给源,主要通过地下径流方式排泄。

2 抽水井施工及抽水试验

2.1 抽水试验各井布置与结构

2.1.1 抽水试验井布置

根据SL 320—2005水利水电工程钻孔抽水试验规程,本次抽水试验采用多孔抽水试验,以S01作为此次的抽水井,G01与S01直线距离为65.79 m,G02与S01直线距离为40.09 m(见图1)。

2.1.2 抽水井井结构

抽水井S01采用冲击钻成井,成孔直径为600 mm,井设计深度30.0 m,采用钢筋混凝土井管(定型产品,每根井管长度均为2.5 m),井管外径360 mm,内径300 mm。井结构设计为:井上部7根井壁管,中部及下部4根过滤管与1根沉砂管安装,过滤管缠丝间距2 mm～2.5 mm,井管外填砾形成过滤层,砾石规格为5 mm～10 mm米石和豆石平均拌合,填砾厚度大于120 mm(结构详图见图2)。若遇厚层状砂层,施工时应及时调整砾石料径及过滤管安装位置。

2.1.3 观测井结构

观测井G01,G02采用150型回转钻泥浆护壁钻进成孔,开孔直径130 mm,终孔直径110 mm,变径处埋深为12.5 m,设计井深32.5 m,井管为φ89 mm铁管(其中滤管长25.5 m,结构详图见图3)。

2.2 成井施工工艺流程

1)测放井位:按照井位设计平面图及坐标,根据控制坐标及现场条件测放井位;2)钻机就位:平整场地,稳固回转钻机,对中;3)钻孔:采用泥浆护壁,回转钻机成孔;4)清孔:终孔后及时清孔,确保井管下放至指定位置;5)井管安装:采用水泥混凝土管,管底用井托密封,井管下放至孔中央,管顶低于地面约30 cm,以便后续封闭保护;6)洗井:采用回灌水洗井。

2.3 抽水试验方法

根据工程要求及现场条件,S01作为此次的抽水井,G01与G02作为水位观测井。

2.3.1 抽水试验准备工作

1)观测井采用回灌水进行洗井。2)观测静止水位:连续4 h内水位无变化,满足水位变化不大于2 cm的要求。3)第一次试抽,采用额定流量为50 m3/h的水泵进行抽水,动水位将至17.1 m,水位降深9.3 m,不能满足该地铁站设计文件提出的“降水深度不小于基坑底0.5 m”的要求。4)第二次抽水换用额定流量为80 m3/h的水泵进行,动水位将至17.65 m,水位降深9.85 m,不能满足该地铁站设计文件提出的“降水深度不小于基坑底0.5 m”的要求。5)第三次抽水换用额定流量为125 m3/h的水泵进行试抽水,动水位将至20.2 m,水位降深12.4 m,满足该地铁站设计文件提出的“降水深度不小于基坑底0.5 m”的要求。

抽水试验所需主要设备材料如表1所示,三次试验抽水历时曲线(S-t曲线)如图4—图6所示,抽水试验基本数据见表2。

表1 抽水试验主要设备材料一览表

表2 抽水试验基本数据表

2.3.2 正式抽水阶段

1)动水位、流量观测:本次抽水试验水位及流量观测从抽水开始后的第5 min,10 min,15 min,20 min,25 min,30 min各观测一次,以后每隔30 min观测一次,直到抽水试验结束。

2)稳定延续时间及稳定标准:此次抽水试验段为第四系卵石层孔隙潜水,抽水稳定延续时间为8 h。稳定标准为:水位波动值不大于2 cm,同一时间内观测孔的水位波动值不大于1 cm。实测涌水量最大值与最小值之差小于平均涌水量的3%,且涌水量无持续增大或变小的趋势。

3)水温观测要求:抽水过程中每隔2 h同步观测一次水温。

4)恢复水位观测:本次抽水试验每落程抽水结束时立即观测恢复水位,观测要求为停泵后第1 min,2 min,3 min,4 min,5 min,6 min,8 min,10 min,15 min,20 min,25 min,30 min,40 min,50 min,60 min,80 min,120 min各观测一次,以后每隔30 min观测一次,直到恢复或稳定。

3 抽水试验计算与分析

3.1 计算模型

根据含水层类型及抽水试验设计,本次试验计算采用潜水非完整井模型。

3.2 水文地质参数计算与分析

根据SL 320—2005水利水电工程钻孔抽水试验规程附录B选取计算公式如下:

1)渗透系数计算公式(斯卡巴拉诺维奇),见式(1):

(1)

其中,Q为基坑涌水量,m3/d;K为含水层渗透系数,m/d;r1为S01抽水井与G01观测井间距,m,取40.1 m;r2为S01抽水井与G02观测井间距,m,取62.6 m;l为过滤器进水部分长度,m,取10.0 m;S1为G01观测井降深,m,分别取0.01 m,0.15 m,0.38 m;S2为G02观测井降深,m,分别取0.18 m,0.31 m,0.57 m。

2)影响半径计算公式:根据SL 320—2005水利水电工程钻孔抽水试验规程,附录F,表F选取如式(2)所示:

(2)

其中,R为影响半径,m;S为抽水井降深,m;H为含水层厚度,m,取H=30-2=28 m;K为含水层渗透系数,m/d。

经计算得各参数见表3。