复合含水层地区深基坑减压降水方案优化设计

张英英 徐辰春 沈 驰

长江三角洲地区分布有巨厚的第四纪松散沉积层，其间发育有多层厚度较大的孔隙承压含水层，构成一复合含水层系统。承压水位埋深浅，深基坑施工时围护深度难以深入至含水层底板[1]，减压降水为一大技术难题。制定科学有效的减压降水设计方案可以降低工程风险及提高施工效率[2]。本文以上海市虹梅南路—金海路通道越江段工程奉贤段基坑减压降水工程为例，运用现场抽水试验结果，反演出含水层水文地质参数，并采用Visual Modflow三维有限差分计算软件模拟减压降水期间基坑内外地下水位分布，得到减压降水最优布井方案。

1 工程概况

上海市虹梅南路—金海路通道越江段奉贤段～FX04区段，长约129 m，宽为35 m～48 m。奉贤工作井开挖深度达29.62 m，底板已揭穿上海地区第一承压含水层的顶板，围护深度为50.327 m;FX01～FX04区段开挖深度为25.935 m ～17.857 m，围护深度为44 m～33 m。

2 场地工程地质与水文地质条件

场地主要土层自上而下依次为:①1杂填土、②1粉质粘土、②2粉质粘土、③淤泥质粉质粘土、④淤泥质粘土、⑤1-1粘土、⑥粉质粘土、⑦1-1粘质粉土夹粉质粘土、⑦1-2砂质粉土、⑦2粉砂、⑧1粉质粘土夹粉砂、⑧2粉砂与粉质粘土互层、⑨粉细砂。

场地浅部地下水属潜水类型，潜水位主要补给来源为大气降水、黄浦江和周边河道。潜水位埋深一般为地表下0.3 m～1.5 m。

3 减压降水设计

3.1 基坑底板抗突涌稳定性分析

要使基坑底板保持稳定必须满足基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力。即:

其中，h为基坑底至承压含水层顶板间距离，m;γs为基坑底至承压含水层顶板间土的重度，kN/m3;H为承压水头高度至承压含水层顶板的距离;γw为水的重度，kN/m3，取10 kN/m3;Fs为抗突涌安全系数，本次计算取1.10。

结合现场抽水试验实测结果，验算时⑦层初始水位标高取－3.81 m;⑧2层初始水位标高取－3.90 m。按照不利原则，选取代表性勘探孔作为计算参考，⑦2层顶板标高取－39.54 m，⑧2层顶板标高取－50.78 m。

据此，验算结果如表1，表2所示。

表1 基坑底板抗突涌稳定性验算(⑦层)

表2 基坑底板抗突涌稳定性验算(⑧2层)

3.2 抽水试验

抽水试验在奉贤工作井及FX01区段内进行，抽水试验的目标层是⑦层及⑧2层。试验井Y1～Y7，YG1分别为⑦层减压井、观测井，其中Y1～Y3井深48 m，Y4～Y7，YG1井深45 m;试验井Y8-1，YG8-1分别为⑧2层减压井、观测井，井深均为64 m。

抽水试验安排分三个阶段:第一阶段分别以减压井Y3和Y8-1进行⑦层及⑧2层单孔抽水，由此可确定各承压含水层的静止水位、降深和单井涌水量。另外可知，针对⑧2层采用额定出水量为50 m3/h的抽水泵单井抽水即可满足水位降深需求。第二阶段以Y1～Y3(抽水泵额定出水量均为50 m3/h)同时抽水，其水位降深随时间的变化如图1所示，并在Y1～Y3停止抽水后，对YG1的水位进行了跟踪观测，水位恢复比率历时曲线见图2。第三阶段选取Y1～Y7(Y1，Y3抽水泵额定出水量分别为80 m3/h，100 m3/h，Y2，Y4～Y7抽水泵额定出水量均为50 m3/h)同时抽水，其水位降深随时间的变化如图3所示。

图1 Y1～Y3抽水，YG1水位降深随时间变化曲线

三井停抽后，观测井YG1前6分钟水位恢复约6.3 m，恢复率约38.7%。因此，后期正式运行时应采用减压降水运行风险智能控制系统，有效控制承压水降水运行风险。

3.3 地下水渗流模型的建立

3.3.1 数值模拟范围与边界条件

本次数值模拟计算采用三维数值模型，将上覆潜水含水层以及下伏承压含水层组一起纳入模型参与计算，并将其概化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型。通过试算，本次计算以整个基坑的东、西、南、北最远边界点为起点，各向外扩展约400 m，即实际计算平面尺寸为(1000×800)m2。

图2 观测井YG1水位恢复比率历时曲线

图3 Y1～Y7抽水，YG1水位降深随时间变化曲线

3.3.2 模型离散处理

根据相关勘察、抽水试验、围护设计等资料对计算区域进行离散，建立三维数值模型。在网格剖分中，对基坑区域范围进行了局部加密[4]，水平方向上将整个模型剖分为72行、134列，垂向将其剖分为16层。减压降水过程中，基坑外的地下水将通过基坑周围的地下连续墙底绕流进入基坑，地下水流态为三维非稳定流，基坑内减压井为唯一的源、汇项。

3.4 水文地质参数的推求

3.4.1 水文地质参数反演

为获得准确的水文地质参数，选取一组观测效果比较理想的群抽试验数据进行非稳定流水文地质参数反演。本次选取三井群抽试验数据，即将Y1～Y3抽水时，YG1的实测数据导入模型中，反演获得的各含水层水文地质参数如表3所示。

表3 反演获得的水文地质参数

3.4.2 水文地质参数校核

为验证反演获得的各含水层水文地质参数的准确性，利用七井试验的试验数据进行参数验证，即选取Y1～Y7抽水时YG1的实测数据输入到利用三井试验调整好的模型中。

采用反演出的各层水文地质参数验证七井试验结果时，计算水位与实测水位拟合良好，说明反演出的水文地质参数可靠性较高，其模型可作为模拟预测基坑降水引起地下水渗流场变化的依据。

3.5 三维数值模型模拟结果

根据基坑底板抗突涌稳定性验算结果，基于现场抽水试验成果，运用调整后的地下水渗流三维数值模型进行分析计算，确定减压降水最优布井方案。经计算，在满足各层承压水位降深要求的前提下，需在奉贤工作井～FX04区段内针对⑦层共布设12口减压井，编号为Y1～Y12，两口备用兼观测井，编号为YG1，YG2。井深分别为:Y1～Y3井深48 m，Y4～Y12，YG1，YG2井深45 m。12口⑦层减压井群抽水位稳定后降深等值线参见图4。另外，由前期抽水试验第一阶段结果可知，采用1口⑧2层减压井、1口备用兼观测井，编号分别为Y8-1，YG8-1，便可满足⑧2层的减压降水设计要求。模拟计算分析时，结合现场抽水试验时抽水泵的配备情况，合理设置不同井结构的单井出水量。该模拟计算结果经后续工程验证正确、可靠。

图4 ⑦层减压井群抽水位稳定后降深等值线分布图

4 结语

长江三角洲地区第四纪沉积层厚度大，结构复杂，深基坑减压降水设计难度大。通过实地非稳定流抽水试验结合三维数值模型进行模拟分析，可反演获得各承压含水层的水文地质参数，再运用数值模拟方法结合现场抽水试验成果可实现减压降水方案的优化设计。该计算分析方法通过在上海市虹梅南路—金海路通道越江段奉贤工作井～FX04区段实际应用，证明其模拟结果准确、可靠，有效解决了超深基坑施工过程中的一大难点，满足了基坑开挖的安全需求，为类似后续超深基坑减压降水方案的优化设计提供了参考依据。

[1]Luo Zujiang，Zhang Yingying，Wu Yongxia.Finite element numerical simulation of three-dimensional seepage control for deep foundation pit dewatering[J].Journal of Hydrodynamics，2008，20(5):596-602.

[2]骆祖江，刘金宝，李 朗.第四纪松散沉积层地下水疏降与地面沉降三维全耦合数值模拟[J].岩土工程学报，2008，30(2):193-198.

[3]韩传梅，陈 喜，武永霞.深基坑降水工程试验及降水方案设计[J].地下水，2007，29(6):40-43.

[4]吴林高，李 国，方兆昌，等.基坑工程降水案例[M].北京:人民交通出版社，2009.