基于抽水试验的基坑降水引起地面沉降的预测分析①

孙锦剑

(1.上海民防地基勘察院有限公司，上海200237;2.上海城建集团(公司)，上海200122)

0 引 言

随着我国经济的快速发展，城市建设规模的不断扩大，基坑的开挖深度不断增加，而基坑的降水往往会引起周边地面的沉降.对于沉降较为敏感的建筑(如地铁、道路、管线等)，如何有效控制降水引起的沉降将显得尤为重要.抽水试验对承压水控制设计有以下几个作用:①获取水文地质参数;②确定降压井深度和相关参数;③确定相邻土层之间的水力联系;④预估承压水降水对周边环境的影响［1～2］.在工程实践中，通过抽水试验得到水文地质参数，结合数值模拟，确定合理的基坑降水方案，最后通过一维压缩公式预估周边地面的沉降是目前较为常用手段［3～4］.

本文结合上海地区某深基坑抽水试验工程，介绍了通过抽水试验获取水文地质参数的方法及所得参数的合理性;其次，结合抽水试验结果，利用软件建立渗流计算模型［5］.最后，根据抽水试验结果，设计了基坑降水方案，对基坑降水引起的基坑内外地下水位变化进行了模拟预测.

1 工程概况

本基坑位于上海市徐汇区，西侧临近某地铁车站，基坑开挖地面积约2.2 万平方米，开挖深度16.3m.根据勘察报告提供的水文地质条件，场地深层第⑤3－2层透水性较强，尚不能确定是否为微承压水.若该层为微承压水，则根据上海基坑工程规范，第⑤3－2层按照高水位埋深3.0m 及勘察期间实测最高水位4.50m 分别计算，抗突涌安全系数小于1.05，存在突涌可能性.故抽水试验的主要目的在于查明第⑤3－2层的水力连通性、导水系数、弹性释水系数等相关水文地质参数以及与下层第⑦1层承压水的水力连通性.

2 单井抽水试验参数计算分析

2.1 单井抽水试验资料

在该地块第⑤3－2层和⑦1层进行了多孔非稳定流单井抽水试验，抽水井和观测井参数如表1 所示.⑤3－2层观测井G01 距离⑤3－2层抽水井C01 为10m，⑤3－2层观测井G02 距离⑤3－2层抽水井C01 为5m.⑦1层观测井G03 距离抽水井C02 为5m，观测井G04 距离抽水井C02 为10m.C01 抽水期间稳定出水量1.5m3/h，C02 抽水期间稳定出水量3.5m3/h.⑤3－2层厚度为13.5m，⑦1 层厚度为9.7m.

表1 单井抽水试验工作量表

注:表中C 表示抽水井，G 表示观测井

单井试验每个抽水井抽水时间为24 小时，水位恢复时间为24 小时.单井抽水期间观测井水位降深与时间的关系如图1 ～4 所示.

图1 G01 观测井水位降深变化曲线

图2 G02 观测井水位降深变化曲线

图3 G03 观测井水位降深变化曲线

图4 G04 观测井水位降深曲线

2.2 水文地质参数求参

本文根据单井试验资料，采用非稳定流求参方法，应用单井试验分析软件进行计算.根据试验场区的补给、排泄边界条件、地下水类型、试验井的性质、布井方式等一系列水文地质条件，结合规范中有关计算公式的适用条件，水文地质参数计算采用定流量、承压含水层非稳定流的Hantush－Jacob 方法.

根据观测井G01 计算得到，导水系数S=1.24×10－1cm2/s，渗透系数C=9.07×10－5cm/s，贮水系数T=4.13×10－3;根据观测井G02 计算得到导水系数S=1.87×10－1cm2/s，渗透系数C=1.36×10－4cm/s，贮水系数T=2.55×10－3;

根据观测井G03 计算得到导水系数S=4.81×10－1cm2/s，渗透系数C=4.96×10－4cm/s，贮水系数T=1.66×10－3;根据观测井G04 计算得到导水系数S=6.79×10－1cm2/s，渗透系数C=7.00×10－4cm/s，贮水系数T=6.53×10－3.

3 群井抽水试验参数计算分析

3.1 群井抽水试验资料

本次群井试验主要针对⑤3－2层，共设置了4个抽水井，6 口观测井(⑤3－2和⑦1层各3 口).井管的平面布置图如图5 所示.各抽水井和观测井的孔深及滤管长度如表2 所示，G01 ～G05 参数已在单井试验中阐述.

表2 群井抽水试验工作量表

图5 群井平面布置图

3.2 群井抽水试验成果

群井抽水共历时约250 个小时，其中C03 号井平均出水量约1.54m3/h，C04 号井平均出水量约0.62m3/h，C05 号井平均出水量约0.79m3/h，C06号井平均出水量0.45m3/h.抽水期间各观测井水位的变化曲线如图所示.

图6 G01 观测井水位降深变化曲线

图7 G02 观测井水位降深变化曲线

图8 C01 观测井水位降深变化曲线

图9 G03 观测井水位降深变化曲线

图10 G04 观测井水位降深变化曲线

图11 G05 观测井水位降深变化曲线

图12 C01 降深实测值与模拟值对比曲线

由图6 ～8 可知，随着抽水的进行，⑤3－2层水位迅速降低，最后趋于稳定;停止抽水后，水位恢复至一定值，最后逐渐恢复至初始值.由图9 ～11 可知，⑦1层水位变化较小，这说明⑤3－2层和⑦1层之间水力联系较弱.|

3.3 三维数值模拟反演分析

根据群井抽水试验结果，对抽水井的实测资料进行整理，在三维计算模型中设置抽水井和观测井，将抽水井涌水量代入三维数值模型中，进行群井抽水试验的数值模拟.对比降深计算值和实测值的变化情况，不断调整并优化相关水文地质参数，使两者最大限度的吻合，从而得到合理的水文地质参数.

图13 G01 降深实测值与模拟值对比曲线

图14 G03 降深实测值与模拟值对比曲线

图15 G04 降深实测值与模拟值对比曲线

图16 G05 降深实测值与模拟值对比曲线

图12 ～16 为群井抽水试验水头降深模拟值和实测值的对比曲线，可以发现，模拟值和实测值基本一致，两者的偏差较小，满足工程精度要求.此时的水文地质参数如表3 所示.通过对比前文单井试验得到的水文地质参数，可以发现反演得到的水文地质参数与单井抽水试验得到的水文地质参数基本一致.

表3 群井抽水模型参数表

4 地面沉降预测

4.1 沉降计算方法

本文采用三维有限元软件预测该地块基坑降水引起的周边地面沉降问题.沉降预测基本思路如下:a.根据前文单井和群井试验计算得到的水文地质参数，结合勘察报告建立合理的三维渗流计算模型;b.结合群井抽水试验成果及相关经验，布置合理的基坑降水方案;c.通过软件模拟得到基坑降水引起的水位变化;d.采用一维沉降计算公式计算得到相应的地面沉降.

本文基于有效应力原理的一维压缩公式计算地面沉降，计算公式如下［6～7］:

式中:ξ 为为经验系数;αv为压缩系数;γw为水体重度;dHi为第i 层土体水头变化量;S0i为第i 层土体初始高度;e0为初始孔隙比

图17 方案一悬挂止水帷幕3m 地表沉降预测等值线(单位:mm)

图18 方案二悬挂止水帷幕5m 地表沉降预测等值线(单位:mm)

图19 方案三悬挂止水帷幕8m 地表沉降预测等值线(单位:mm)

4.2 模型的建立

本文根据抽水试验成果以及基坑降水经验，对该地块布置了3 种降水方案.

数值模拟采用抽水试验期间实测的⑤3－2层最高承压水水头埋深4.00m 进行计算.根据目前的围护设计方案，考虑止水帷幕对渗流的影响，利用抽水试验所建立的地下水模型，结合含水层分布、止水帷幕和抽水试验井的结构，在基坑内布设滤管长度为6.0m，深度为41m 的减压降水井.基坑止水帷幕分别按43m、45m 和48m 三种方案进行减压降水计算.根据基坑止水帷幕长度的不同，降压井数量分布为65 口，43 口，32 口.预测基坑抽水120 天引起的周边地面沉降.

4.3 数值模拟结果

随着地墙隔水段的加深，基坑降水对周边环境的影响逐渐减小，三种方案下沉降预测计算结果以及降水工作量如下表4 所示.沉降等值线如图17～19 所示.

表4 沉降预测计算结果以及降水工作量

由图17 ～19 可知，止水帷幕越长，基坑降水引起的周边地面沉降越小，这是由于止水帷幕越长，承压水的渗流路径越长，基坑周边的水位下降也就越小.

5 结 论

本文详细介绍了通过抽水试验获取水文地质参数的方法;利用三维数值计算程序对基坑降水引起的地下水位变化进行了合理的模拟预测，并通过一维压缩公式预测周边地面沉降，可以得到如下结论:

(1)通过单井和群井抽水试验均能得到较为准确的水位地质参数.

(2)三维渗流计算模型能较好的预测基坑降水引起的地下水文变化.

(3)模拟得到的地面沉降值符合工程实际，能为同类工程的承压水降压控制设计提供参考和指导.

(4)本文计算沉降采用的一维压缩公式，虽能进行地面沉降的预测，但该公式较为简单，为考虑的因素较多，部分参数的取值较难做到准确，因此该公式有待进一步修正.

［1］ 李进军，王卫东.受承压水影响的深基坑工程中的群井抽水试验［J］.土地下空间与工程学报，2010，6(3):460－466.

［2］ 徐耀德，童利红.利用Modflow 预测某基坑降水引起的地面沉降［J］.水文地质工程地质，2004，6(1):96－98.

［3］ 黄林海，汪光福.上海某基坑降水环境影响评价研究［J］.建筑监督检测与造价，2010，3(5):5－8.

［4］ 孙讷正.地下水流的数学模型和数值方法［M］.北京:地质出版社，1981，25－51.

［5］ 贾振兴，魏放，侯燕军，等.Visual－Modflow 在临汾市土门供水水源地保护区划分中的应用［J］.太原理工大学学报，2007，38(2)119－121.

［6］ 供水水文地质手册［M］.北京:北京地质出版社，1996.

［7］ B50021－2012，岩土工程勘察规范［S］.