利用水位拟合法确定复杂绕流边界下海上圆筒内的含水层参数

谢锦波，吴心怡，邱松，徐立新

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

规范及传统理论提供的由抽水试验分析水文地质参数的计算方法都基于均质、水平含水层以及较简单边界条件的假定[1-2]。近年来，越来越多的抽水试验涉及到越流、绕流等复杂的水文边界[3-4]。随着计算机技术的发展，迭代法、配线法等开始应用于抽水试验的结果分析[5-6]，肖长来等在求解含水层参数时采用了全程曲线拟合的方法[7]。

Plaxis岩土工程有限元分析软件近年来较多应用于岩土工程的变形、稳定性等问题[8]，而其自带的渗流模块也同时具备解决地下水渗流问题的功能。郑颖人等采用Plaxis渗流模块对涉水岸坡的水位变化进行了模拟计算，并与解析解、经验概化解进行了对比分析，验证了本软件用于渗流计算的准确性[9]。本文结合某人工岛工程海上格形钢板桩圆筒内的抽水试验资料，采用Plaxis软件建立模型对含水层参数进行了拟合计算，取得了理想的效果。

1 场地边界及试验概况

1.1 工程概况与试验边界

某人工岛工程岛壁部分采用格形钢板桩圆筒作为挡土结构，圆筒由主、副格相互连接形成整体，主格直径约31 m。按照施工方案，先水上施打碎石桩形成复合地基，然后打设格形钢板桩圆筒，筒内回填砂。圆筒完成后在筒外侧抛石护坡、分层填筑海堤，筒内侧回填砂、施打塑料排水板，继续堆载预压加固地基。

在圆筒内开展抽水试验时，圆筒内外预先施打了碎石桩，筒内已完成回填砂，但圆筒外部还未填筑。试验场地原泥面标高约-7.5 m，海床面以下主要有两种土层，一是海相沉积淤泥，二是冲积土，试验场地处的冲积土层为黏土与砂层。圆筒内部及临近圆筒位置施打1 m直径、3 m间距的碎石桩，后施打C111圆筒并回填渗透性良好的回填砂。试验场地典型断面见图1。

图1 抽水试验场地断面图Fig.1 Section of pumping test condition

格形板桩将筒内与筒外海水隔离，形成止水帷幕，筒内碎石桩与底部冲积土砂层形成渗流通道。由于圆筒边界条件的限制，抽水试验主要目的是探明筒内回填砂渗透系数以及海水通过筒外碎石桩、碎石桩底部砂层，经筒内碎石桩进入筒内的绕流渗透能力。

1.2 试验布置

筒内抽水试验布置1组抽水试验孔，共计1个抽水主孔（W1）和6个观测孔（G1~G6）。试验布置两条观测线，分别垂直与平行于海墙轴线方向。详细井点平面布置见图2。

图2 抽水试验井点平面布置图（单位：m）Fig.2 Layout of pumping test wells（m）

开始抽水后，用时8 d使筒内地下水达到稳定流状态。保持稳定水位4 d后，试验井停泵，保持抽水井与各观测井的水位记录直至水位恢复至正常状态。

2 数学模型与拟合计算

2.1 模型建立与说明

由于传统理论提供的水文地质参数计算方法无法用于竖向绕流的数据分析。按照场地边界及试验布置，采用Plaxis有限元软件二维渗流模块建立轴对称渗流分析模型。X轴方向范围50 m，Y轴方向范围55 m，采用板单元止水边界模拟格形钢板桩，抽水线模拟抽水井。根据工程勘察资料，原状海相淤泥土渗透系数5.6×10-8cm/s，原状冲积土砂渗透系数1.0×10-2cm/s。碎石桩范围内海相淤泥、冲积土作为复合土层以考察碎石桩对原状土渗透系数的加强作用，抽水试验有限元模型见图3。

图3 抽水试验分析模型Fig.3 Numerical model of pumping test

2.2 拟合计算

按照试验过程中不同时间下的各个井观测数据，计算模型调整回填砂、碎石桩与原土层复合渗透系数来拟合实际的试验数据。抽水井及观测井G3的计算曲线与试验数据的拟合情况见图4、图5。

图4 抽水井W1水位拟合曲线Fig.4 Drawdown matching curve for pumping well W1

图5 观测井G3水位拟合曲线Fig.5 Drawdown matching curve for observation well G3

最终拟合分析得出回填砂的渗透系数为3.6×10-2cm/s，原淤泥土层与碎石桩形成的复合土层的竖向渗透系数为1.4×10-3cm/s。

3 结语

随着围海造地、人工岛等向深水区发展，以及降水预压处理软土地基的应用，探明围护结构、复合地基等复杂渗流边界条件的水文地质参数等日趋重要。本文介绍了一种采用商业有限元软件Plaxis建立数学模型，来分析海上圆筒中绕流边界条件下的抽水试验资料，提供了一种规范与传统理论公式以外的，更适用的水位地质参数拟合分析方法。同时，在水位拟合过程中采用了抽水期间和水位恢复期间的全部观测资料，使得所求含水层参数的可靠性大大提高。

值得注意的是，虽然有限元方法拟合分析抽水试验数据得出的水文地质参数具有较高的合理性及准确性，但海上边界条件的复杂性，以及模型中使用的原状土渗透系数等条件的离散性对计算结果均有一定的影响。因此在使用有限元模型拟合所得的水文地质参数时，以及在后续方案的应用中应考虑原始数据的离散性，进行一定的灵敏性分析，并且在制作方案的过程中考虑一定的安全系数。