某地下空间承压含水层抽水试验及成果分析

吴烨，谢世红

某地下空间承压含水层抽水试验及成果分析

吴烨，谢世红

（上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072）

由于地下水突涌风险，地下空间在施工作业中有必要通过抽水试验确定承压含水层的水文地质参数。依据勘察报告的初步评价，基坑开挖15.5m时，场地内第⑦1层承压含水层有可能产生突涌，为确保工程安全施工，需开挖前进行承压含水层抽水试验，取得场地承压含水层水文地质参数及降水引起的沉降特征，为地下空间设计和施工提供可靠依据。本次布设抽水井、观测井、分层沉降标组、孔隙水压力观测孔及地面沉降观测点，依据抽水试验技术要求获取渗透系数、抽水影响半径等相关水文地质参数。最后，针对工程场地内承压水情况及特点进行分析，提出基坑开挖时的承压水降压建议方案。

承压含水层；抽水试验；渗透系数；成果分析

1 工程概况

工程地块呈“L”型，由地下3层、地上1层（局部2层）组成。地下三层为车库和设备用房，层高5.0m；地下二层为餐厅、商场、展厅和配电房，层高7.0m；地下一层为商场，层高5.5m。一层为商场，层高8.0m；一、二层之间设夹层，层高3.8m；二层局部为咖啡厅，层高5.7m。工作井埋深约为15.5m，因开挖深度较深、周边环境复杂，对变形要求严格。勘察结果，基坑开挖15.5m时，场地承压水有发生突涌可能。为确保施工安全，需在基坑开挖前进行承压水抽水试验，取得场地承压含水层水文地质参数及降水引起沉降特征，为基坑工程设计和施工提供可靠依据。

表1 地层特征表

2 工程及水文地质条件

场地地貌类型为滨海平原地貌，地势平坦，已整平并浇筑了混凝土地面，地面标高约4.20m。根据项目详勘报告所揭露的地层资料，拟建场地55m深度范围内的地基土属第四纪全新世、上更新世及中更新世饱和粘性土、粉性土及砂土沉积物组成。其中②1层因填土厚而局部缺失。本项目基坑开挖影响范围内地基土为第①～⑦层，场地各层地基土的分布及岩性特征见表1。

表2 完成的实物工作量

3 试验井与监测点的布置

抽水试验目的层为⑦1层砂质粉土。进行单井抽水试验，布设1口抽水井C1，3口同层观测井G1～G3。布设2条80m射线地表沉降观测点，点间距为10m，共17个点，相应编号为D1～D17。在G1，G2观测孔旁设置2组分层沉降观测点，编号为F1～F2，孔深23m；每组分层沉降观测点深度分别为23.0m、18.0m、14.5m、9.0m及6.0m。在2组分层沉降监测点旁布设2组孔隙水压力监测点，编号为K1～K2；孔隙水压力监测点设置深度:23.0m、18.0m、14.5m、9.0m及6.0m（表2、图1）。

图1 试验井与监测点结构示意图

4 成井施工及其技术要求

采用GXY-1钻机泥浆循环钻进、钻机吊装下管成井施工工艺，技术要求如下：

1）测放井位：根据井点平面布置，设备测放井位误差小于30cm。

2）钻机安装：钻机底座应安装稳固水平，大钩对准孔中心，大钩、转盘、与孔中心成三点一线。

3）钻进：采用自然造浆钻进，遇砂层较厚时，应人工制备泥浆护壁;泥浆密度控制在1.15～1.25。当提升钻具或临时钻停时，孔内应压满泥浆，防止孔壁坍塌。

4）清孔换浆：钻至设计深度后，钻具提升至距孔底20～30cm处，开动泥浆泵清除孔内沉渣，孔内沉淤厚度应小于20cm，同时调整泥浆密度至1.15以下。

5）下井管：钻机自吊法下管。下管前应检查井管及滤水管，需符合质量要求。下管时滤水管上下两端应设置扶正器，以保证井管居中，井管应焊接牢固，垂直，不透水，下到设计深度后井口固定居中。

6）回填砾料与止水回填：投送滤料的过程中，应四周均匀投入砾料且边投边测投料高度，直至砾料下入预定位置为止。

砾料段上用粘土球止水，止水高度5.0m，以上部分用当地粘性土回填。

7）洗井：采用活塞洗井法与空压机联合洗井法，先采用活塞法洗井，通过钻杆向孔内边注水边拉动活塞，以冲击孔壁泥皮，清除滤料段泥砂，待孔内泥砂基本出净后改用空压机洗井，直至水清砂净为止。

8）安装抽水设备：成井施工结束后，下入水泵进行试抽水，检查成井质量。

5 抽水试验

第一阶段，采用定流量非稳定流试验，为水文地质求参阶段。采用单井抽水试验，每次抽水试验分抽水阶段与水位恢复阶段两部分。根据试抽水结果，由于目的含水层涌水量较小，抽水试验进行二落程抽水试验，分别采用4.0m3/h、5.5m3/h流量进行定量非稳定流抽水试验，每个落程稳定延续时间不少于8h。稳定标准为：在稳定时间段内，涌水量波动值小于正常流量的5%，抽水孔水位波动值不超过水位降低值的1%，观测孔水位波动值不超过2~3cm。第二落程抽水试验结束后进行水位恢复观测，时间为24小时。

第二阶段，水位恢复观测结束后进行5.2m3/h定流量的单井抽水试验，抽水时间6天。在抽水试验的同时，进行分层沉降和孔隙水压力观测。

6 抽水试验数据分析

6.1 第一阶段水文地质参数统计及建议值

抽水试验现场数据采集结束后，对原始数据进行分类整理，采用AquiferTest软件生成水位随时间降深曲线。采用Hantush-Jacob和Theis Recovery两种方法求取水文地质参数。

此外，承压水计算公式采用巴布什金公式计算渗透系数和导水系数（）：

根据Hantush-Jacob和Theis Recovery两种方法及经验公式得出⑦1层承压含水层水文地质参数见表3。

表3 水文地质参数表

注：经验公式得出值为第一落程和第二落程的计算平均值

6.2 影响半径

理论上在无限延伸的承压含水层中抽水影响半径为无限大，是不存在“影响半径”的，但实际在一定范围外影响可以忽略。引入稳定流影响半径概念，预估抽水影响范围，一般采用公式法计算影响半径：

上式中：—影响半径（m）；s1、s2—观测孔内水位降深（m）；r1、r2—观测孔距抽水井的距离（m）。

根据上式并利用C1井抽水试验G1、G2观测孔最大降深数据进行计算得到影响半径R=166.25m。

6.3 第二阶段抽水试验数据分析

抽水试验现场数据采集结束后，对原始数据进行分类整理，采用AquiferTest软件生成水位随时间降深曲线。抽水条件下水位动态特征表明：第Ⅰ承压含水层（⑦1层）抽水时动水位稳定时间较短水位恢复较快，水位降落漏斗浸润曲线较陡，抽降水影响范围不大。

6.4 分层沉降监测结果

本次抽水试验在G1、G2号观测孔旁埋设了分层沉降监测标。

监测结果表明：抽水期间，F1、F2监测点上部隔水层累计沉降分别为0.209、0.217mm，上部各土层沉降基本在抽水第一天内即完成，各层沉降值在0.023~0.07 mm之间。

6.5 孔隙水压力监测结果

本次群井抽水试验期间，在G1、G2号观测孔旁埋设了孔隙水压力计，监测结果见图2~3。

图2 K1孔隙水压力监测结果

图3 K2孔隙水压力监测结果

K1、K2孔隙压力监测结果表明：抽水试验引起的孔隙水压力变化发生在抽水含水层及上部相邻隔水层，在沉降计算模型中，若考虑短期沉降，可仅计算含水层及上部相邻隔水层的沉降量，压力变化可取水位变化；若计算长时间沉降，应计算含水层及整个上部土层沉降，压力变化可取水位变化。

6.6 地面沉降监测结果

根据现场情况及抽水试验技术要求，本次试验布设2条80m射线地表沉降观测点，点间距为10m，共17个点，相应编号为D1～D17。

地面沉降监测结果表明：地面沉降小于分层沉降总和，地面监测点最大沉降1.5mm，在抽水井40m范围外少于1.0mm。沉降主要发生在抽水初期，在降深不大的情况下，沉降随抽水时间变化不明显。

7 基坑减压降水分析

7.1 基坑突涌可能性分析

本项目通道井开挖深度约15.5m，试验期间第I承压含水层（⑦1层）高水位高程为-4.593m，室外设计地坪标高4.0m，则第I承压含水层高水位埋深为8.593m。根据详勘报告，⑦1层层顶板最浅埋深为28.4m。

根据上海市《岩土工程勘察规范》（DGJ08-37-2012）第12.3.3条，按不利情况采用Pcz/Pwy值验算坑内地基土抗承压水头的稳定性，确定基坑突涌可能性。

图4 D1～D17地面沉降点监测结果

Pcz/Pwy=（H·γs）/（γw·h）

式中：Pcz—基坑底至承压含水层顶板间土压力（Pa）；Pwy—承压水头高度至承压含水层顶板间的水压力（Pa）；H—基坑底至承压含水层顶板间距离（m）；γs—基坑底至承压含水层顶板间土的加权平均重度（KN/m3）；h—承压水头高度至承压含水层顶板的距离（m）；γw—水的重度（KN/m3），取10KN/m3。

考虑不利情况，计算承压水位取实测高水位加近三年年变幅最大值2.66m计算，基坑底至承压含水层顶板间土的加权平均重度为18.5 KN/m3。依据上述条件对本工作井开挖深度15.5m时的基坑突涌可能性计算如下：Pcz/Pwy=（28.4-15.5）×18.5/((28.4-8.593+2.66)×10)=1.062>1.05，基坑开挖不会发生突涌。

7.2 设计（开挖）超深（Hcw）

本次试验结果表明：基坑开挖15.5m不会发生突涌，但安全储备不高，由于本项目设计仍在进行中，以及考虑施工中可能出现的超挖现象，有必要提出设计（开挖）超深（Hcw）限制。按不利情况进行设计（开挖）超深（Hcw）计算：

Pcz/Pwy=（（28.4-15.5-Hcw）×18.5）/（（28.4-8.593+2.66）×10）=1.05

则：Hcw=（28.4-15.5）-（（28.4-8.593+2.66）×10×1.05/18.5）=0.148m

本工作井在现设计开挖深度15.5m条件下不能再超深设计或施工中超挖0.148m，并应在基坑开挖过程中对该层地下水进行监测，当水位埋深低于临界预警值（Hcr）时应采取措施减压，确保基坑安全开挖。

7.3 水位埋深临界预警值（Hcr）

取抽水井C1的井口（高程4.411m）为水位量测起点，按公式Pcz/Pwy=1.05计算水位临界预警值（Hcr）：

Pcz/Pwy=（（28.4-15.5）×18.5）/（（28.4-Hcr0）×10）=1.05

则：Hcr0=28.4-（（28.4-15.5）×18.5））/(1.05×10)=5.671m

Hcr= Hcr0+（4.41-4.0）=6.081m

因此，当基坑开挖至15.5m时，若监测水位埋深低于6.081m，应采取减压措施，确保基坑安全开挖。

8 结论

1）以室外地坪标高4.0m计，本通道井基坑开挖15.5m时不会发生突涌，但安全储备不高，设计（开挖）超深（Hcw）值仅为0.148m，超深设计时需采取可靠措施并严格控制施工超挖。基坑开挖最后一层土时须对该层地下水进行监测，当水位埋深低于临界预警值（Hcr）6.081m时（从管口起测，相应标高为-1.670m），应采取减压措施，确保基坑安全开挖。降水深度视监测水位确定，从抽水试验结果看，配备的泵出水能力在20m3/hr可满足要求，但该层水位恢复较快，应有备用泵及应急电源。

2）⑦1层综合渗透系数为1.50m/d，导水系数为150 m2/d，贮水系数为4.5E-9，短时间单井抽水影响半径（R）为166.25m。

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Pumping Test and Result Analysis of a Confined Aquifer in Underground Space

WU Ye XIE Shi-hong

(Shanghai Institute of Geotechnical Engineering Co., Ltd., Shanghai 200072)

It is necessary to determine the hydrogeological parameters of confined aquifer by pumping test in an underground space construction due to the risk of groundwater gushing. According to the preliminary evaluation of the survey report, when the foundation pit is excavated at 15.5 m, groundwater gushing may occurs in the confined aquifer ⑦1. In order to ensure the safety of the project construction, a pumping test of the confined aquifer is carried out before excavation to obtain the hydrogeological parameters of confined aquifer and the settlement characteristics caused by precipitation, so as to provide a reliable basis for the design and construction of underground space. Pumping wells, observation wells, stratified subsidence benchmark groups, pore water pressure observation holes and ground subsidence observation points are laid out. According to the technical requirements of the pumping test, relevant hydrogeological parameters such as permeability coefficient and influencing radius of pumping are obtained. Finally, according to the characteristics of confined water in the engineering site, the results are analyzed, and the suggestions on reducing confined water pressure in foundation pit excavation are made.

confined aquifer; pumping test; permeability coefficient; result analysis

2019-05-02

吴烨（1984-），女，江苏人，工程师，从事水文地质工程地质方面的工作

P642.26，P641

A

1006-0995（2020）01-0107-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.022