北京地区厚卵石潜水层现场回灌试验研究

郭 枫， 王贵和*， 阚生雷， 赵 刚

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院, 北京 100083； 2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司, 北京 100101； 3.城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室, 北京 100101)

越来越多的深基坑工程随着深部地下空间的开发与利用不断涌现,其中部分深基坑工程由于开挖深度较大、含水层较厚，不能施作封闭式止水帷幕,只得采取降水措施,造成大量水资源浪费,引起地表沉降和土体变形,危害周围建构筑物[1-4]。地下水回灌将抽出的地下水,经过沉淀处理、水质检测后,回灌至原含水层或其他含水层,是补给地下水资源,消除降水对周围环境不利影响的有效手段[5]。基坑工程领域中地下水回灌根据回灌目的可分为环境控制型和水资源保护型两类[6]。

对于环境控制型回灌,中外学者进行了大量研究,研究的目标含水层多为承压水层。卢士涛等[7]针对不同地层分别进行回灌试验,分析发现：在承压砂层进行地下水回灌,对控制止水帷幕外侧周边承压水位的降低具有一定效果。陆建生等[8]在上海多处进行承压含水层的回灌试验,研究分析回灌过程中地下水的流态变化规律、水土应力变化及对控制地面沉降作用的效率,证明回灌可有效阻止水位下降引起的建构筑物的变形。郑刚等[9-11]为了控制天津市的地面沉降,进行了多次承压含水层回灌试验,试验结果表明：承压含水层回灌可以有效控制沉降；回灌量与抽水量维持在相近水平可以有效控制周边地表及建筑物沉降,当场地存在多层层间有一定水力联系的承压含水层时,可通过隔层回灌从而控制其水位下降导致的坑外沉降。

对于水资源保护型回灌,国内外相关研究却很少,济南地区为了达到“保泉节水”的目的,开始水资源保护型回灌试验研究,钟建文等[12]在富水卵石层地质条件下开展加压回灌试验,发现加压回灌对于增加回灌井工作效率具有显著效果,并成功实现施工阶段基坑内抽出的地下水100%回灌。水资源保护型回灌要求将抽出的地下水尽可能地回灌至地下含水层,在富水性较强的地层,基坑涌水量大,实现长期等量回灌较为困难。且受场地条件限制,回灌场地选址一般位于降水区影响半径以内,势必对基坑降水产生影响,还需满足基坑安全施工的要求[13-14],其可行性尚处于探索阶段。水资源保护型回灌与环境控制型回灌具有不同的控制要求,现有环境保护型回灌的研究成果不能很好地指导水资源保护型回灌的设计和施工,随着中国对水资源保护的日益重视,水资源保护型回灌的理论与试验研究都需要进一步地加深。

现以北京地铁丰益桥南站至终点区间降水工程为背景,在厚卵石潜水层中开展单井回灌试验、群井抽灌试验,研究单井设计回灌量的确定方法、回灌井结构与布置、抽灌过程中基坑涌水量与回灌量间的规律关系、回灌水体渗流状态、含水层的抽灌能力,验证在厚卵石潜水层中进行水资源型回灌是否可行,并为后续水资源保护型回灌的研究与应用提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

丰益桥南站至终点区间位于北京地区京沪铁路和西三环交叉位置的东北象限内,南北走向。车站主体总长269 m,宽23.1 m,采用明挖法,开挖深度约27.5 m。车站北端200 m为终点区间,终点设有风井一座,风井总长37.00 m,宽14.3 m,采用明挖法,开挖深度约29.79 m,场地周围环境如图1所示。根据工期筹划,车站主体结构与区间终点风井同时施工,两处基坑均采用“钢支撑+围护桩”支护型式,并采用管井降水措施控制基坑地下水,降深约为7 m。

图1 试验场地及周围环境

1.2 工程地质与水文地质

图2 典型地质剖面图

表1 土层物理力学性质参数

2 试验方案

2.1 试验布置

回灌试验分为两组,一组单井回灌试验,一组群井抽灌试验。因为回灌目标含水层为卵石潜水层,地层厚度30～35 m,含水层厚度约16 m,渗透系数为220 m/d,储水空间充足,导水条件良好,所以两组试验都选择在自然状态下进行回灌(井口不加压,依靠水体自重回灌)。

2.1.1 单井回灌试验

单井回灌试验在试验井区北部进行,按一灌两观布置。回灌井为H1,观测井为G1、G2,观测井G1、G2位于回灌井同一侧,分别距离回灌井5、10 m,回灌井与观测井在同一条直线上。

2.1.2 群井抽灌试验

群井抽灌试验依托于丰益桥南站至区间终点风井降水工程,将车站主体与风井基坑施工降水抽出的地下水,汇集至沉淀池,经过沉淀处理、检测合格后,经密闭管道运输至回灌池,由回灌井群渗流进入含水层中,因为试验地区为单一潜水含水层,所以抽水与回灌在同一含水层中。由于建设需求,车站与风井基坑施工降水先进行一段时间,后开始回灌。

受场地条件限制,回灌场地选址在距离风井600 m处的规划丰草河(河内无水、无下渗)下游段河道南岸,位于基坑降水影响半径之内。根据车站及风井降水工程预期最高回灌量(基坑涌水量)及单井回灌试验结果,拟布置回灌井84眼,设计回灌池东西长350 m,南北长14 m,回灌井按两排布置,每排42眼,东西向井间距8 m,南北向井间距10 m。

为监测抽灌试验过程中试验区内地下水位动态,共布置11眼观测井,其中观测井W1、W2、W3位于试验区西侧,由风井向西南侧辐射布置,监测降水区远离回灌池一侧的地下水位变化；观测井M1、M2、M3由回灌池向风井布置,监测回灌池与风井间的地下水位变化；观测井E1、E2、E3布置在回灌池南侧,呈一字排列,监测回灌池内地下水位变化；观测井E4位于试验区东北边缘,监测回灌池远离降水区一侧的水位变化；观测井S1布置在试验区中部南侧,监测试验区南侧地下水位变化。各观测井平面位置如图3所示。

图3 群井抽灌试验平面布置

2.2 试验井结构

车站及风井基坑降水井,设计井深为40 m,以地面标高45.00 m计算确定,实际井深以进入基岩0.8 m控制,采用无砂混凝土管,孔径600 mm,管井400 mm,滤水段位置标高为5～32 m,外包一层60目尼龙布,井周均匀填入粒径4～7 mm的硬质圆砾,上部填入黏土封孔止水,剖面结构如图4(b)所示。

水资源保护型回灌以将抽出的地下水尽可能地回灌至地下含水层为控制要点,为保证回灌井的最大回灌量,回灌井按完整井考虑,滤水段取最大长度,设计井深40 m,采用钢管管井,孔径800 mm,管径529 mm,桥式滤水管位置标高为5～35 m,外包一层60目尼龙布,井周均匀填入粒径6～8 mm的硬质圆砾,上部填入黏土封孔止水,剖面结构如图4(c)所示。

观测井用于监测抽灌过程中地下水位动态,设计井深35 m,采用PVC管,孔径130 mm,井径50 mm,滤水段位置标高10～35 m,外包一层60目尼龙布,井周均匀填入4～7 mm的硬质圆砾,上部填入黏土封孔止水,剖面结构如图4(d)所示。

3 试验结果及分析

3.1 单井回灌量分析

单井回灌试验显示,当回灌量增加到100 m3/h时,回灌井与观测井内水位接近稳定状态,抬升曲线如图5所示。由图5可知，回灌井内水位上升分为3个阶段,第1阶段为急剧上升,第2阶段为线性上升,第3阶段缓慢上升后趋于稳定状态。井内水位累计上升了14.5 m,两口观测井的水位分别上升了0.50 m和0.15 m。回灌井在自然状态下,单井最大回灌量可达2 400 m3/d,回灌井内水位距离井口约10 m,说明卵石潜水层的回灌条件良好。

单井设计回灌量是回灌设计的关键参数,由于回灌设计理论尚不完善[15],工程中常将回灌看作抽水的逆过程,借鉴基于Dupuit理论的管井降水涌水量方程[式(1)]来计算回灌量[16]。通过式(1)计算得出,回灌井内水位上升14.5 m,所需回灌量为18 285 m3/d,远远大于实际情况。这是因为Dupuit理论假设潜水在缓慢流动状态下,可以忽略地下水的垂向分速度[17]。试验回灌过程中,井内上升水位14.5 m,水流流态变化剧烈,回灌为抽水的逆过程,由于渗流带状态发生改变,此时含水层的渗透系数不等于抽水试验获得的渗透系数,并且Dupuit理论未考虑水流以高速度穿过滤管进入含水层的水头损失等,所以应用Dupuit公式进行回灌量计算时,往往结果偏大。回灌设计时,单井设计回灌量可依据单井回灌试验成果确定。由于车站及区间终点风井降水工程预期最高回灌量(基坑涌水量)为160 000 m3/d,根据单井回灌试验结果,考虑回灌井群间的干扰作用,单井设计回灌量取80 m3/h,即1 920 m3/d,则所需回灌井数量为84眼。

(1)

式(1)中：K为含水层渗透系数,m/d；Q为抽水井流量,m3/d；S为抽水井中水位降深,m；H为潜水含水层厚度,m；R为影响半径,m；rw为井的半径,m。

3.2 群井抽灌水量分析

群井抽灌试验由2017年8月21日进行至2017年10月27日,共计50 d,试验期内共回灌水量2 313 854.7 m3,平均回灌水量88 994.4 m3/d。具体分为4个阶段：第1阶段,只将风井基坑施工降水抽出的地下运输至回灌池,回灌至地下,为期10 d,期间车站和风井基坑的涌水量上升；第2阶段,将风井基坑与车站主体抽出的地下水都回灌至地下,为期10 d,期间回灌水量增加,基坑涌水量也随之增加；第3阶段,为保持基坑地下水位在安全水位,车站及风井增加降水井数量与泵量,基坑涌水量持续上升,并达到最大值,同时回灌量也达到最大值,为期5 d。第4阶段,通过调试,减少降水井开泵数量与泵量,基坑涌水量与回灌量同时下降,达到稳定状态,为期25 d。记录抽水量与回灌量的时程变化如图6所示。

图6 抽水量与回灌量时程变化曲线

通过图6可以发现,试验过程中抽水量(基坑涌水量)与回灌量始终同步变化,呈正相关性,日回灌量与抽水量比例约为1∶1,代表抽出的地下水全部回灌至地下含水层,成功地保护了地下水资源。图6中回灌量曲线的最高点为185 983 m3,是回灌井群日回灌量的最大值,此时单井平均回灌量也达到最大值,为2 214 m3/d,超过单井设计回灌量,接近自然状态下单井最大回灌量2 400 m3/d,说明回灌井群间产生干扰较小,回灌井群结构与空间布置合理,满足回灌水体入渗需求。

根据监测数据发现,未开始回灌试验时,车站及风井基坑涌水量约为67 570.5 m3/d,开始回灌试验,并达到抽灌稳定状态时,基坑涌水量上升为88 449.7 m3/d,较未回灌时增加了20 879.2 m3/d,增加的比例为30.90%,说明回灌的水体渗流至基坑区域,重新进入抽水井中,增加了基坑涌水量。

3.3 抽灌水位分析

按照图3中观测井的位置将试验区域划分为西侧、中部、东侧3个区域,分别记录3个区域抽灌试验过程中观测井内水位变化,结果如图7所示。试验期间,观测井W1、W2、W3水位始终低于含水层初始水位,由靠近基坑的W1向W3逐渐上升,回灌量的改变对其影响微弱；观测井M1、M2、M3中靠近回灌池的M1水位表现为抬升,并随着回灌量的改变上下浮动,而M2与M3水位较低,且回灌量改变对其影响不大；观测井S1的水位接近于含水层初始水位,随着回灌量的改变有轻微的浮动；观测井E1、E2、E3水位明显抬升,由E1向E3降低,并随着回灌量的改变而上下浮动,观测井E4在试验过程中水位基本不变,回灌量的改变几乎对其不产生影响。从图7可以看出,试验进行到30 d后,抽水量与回灌量基本稳定,各观测井水位也趋于稳定,反映群井抽灌试验运行良好,设计合理[18-19]。

图7 观测井水位时程曲线

水资源保护型回灌,除要求将抽出的地下水尽可能地回灌至地下含水层外,还有一个控制要点是,不能影响基坑安全施工,所以在抽灌试验过程中重点关注基坑及附近区域的地下水位。观测井W1与M3分别位于风井基坑东西两侧,通过图8中的监测数据发现：靠近回灌池一侧的观测井M3的水位始终高于远离回灌池一侧的观测井W1,差值在2.5～3.5 m间。产生差值的原因是,回灌水体渗流至基坑区域,抬升了基坑及附近区域的地下水位,但风井基坑施工降水,回灌水体进入抽水井内,阻隔了回灌水体向基坑另一侧的运动,造成基坑两侧产生水位差。

图8 W1与M3观测井水位时程变化曲线

潜水含水层中地下水的运动特点是受重力控制,由高水位向低水位径流,在自然回灌状态下,回灌水位越高,回灌水体具有的势能越大,渗流速度越快。回灌池内观测井E1、E2、E3的稳定水位分别为33、26、23 m,代表回灌池内的地下水位由西向东逐渐降低,其原因是回灌水体经过回灌主管由西向东输送至各回灌井中,水流压力与水流速度由西向东衰减。试验区内回灌池内靠近降水区一侧的水位与降水区基坑间水位差最大,推测回灌水体主要向基坑方向渗流。

抽灌稳定状态下,降水区基坑由降水井控制,地下水位始终保持在14 m,观测井S1地下水位稳定在20.5 m,观测井E4地下水位稳定在21.5 m,由于潜水含水层上任意一点的水位可以代表该点的水头值,分别计算观测井E1、E2、E3与风井基坑、观测井E1、E2、E3与观测井S1、观测井E1、E2、E3与观测井E4的水力梯度,结果如表2所示。

表2 水力梯度计算结果

通过表2可知,观测井E1与风井基坑间的水力梯度,明显高于观测井E1与观测井S1、观测井E1与观测井E4间的水力梯度,观测井E2、E3与观测井E1情况相同。根据达西定律,如式(2)所示,地下水的渗流速度与水力梯度呈线性关系,说明回灌水体向基坑方向的渗流速度,大于向观测井S1方向的渗流速度,大于向观测井E4方向的渗流速度,也大于向其他方向的渗流速度,回灌水体主要向基坑方向渗流。

(2)

式(2)中：Q为渗流量,m3/d；k为渗透系数,m/d；A为过水断面面积,m2；Δh为水头损失,m；L为渗流路径长度,m；i为水力坡降,代表单位渗径长度上的水头损失,i=Δh/L。

3.4 抽灌能力分析

用单位时间内通过相同的流量,地下水位的降落/抬升值表征含水层的抽水/回灌能力。本次抽灌试验过程中,日抽水量与回灌量相等,降水区稳定地下水位为14 m,降深7 m,回灌池内稳定地下水位,取平均值为27 m,抬升了6 m,水位降落与抬升比为1.17∶1,说明厚卵石潜水层的回灌能力略高于抽水能力。

水资源保护型回灌要求尽可能地将抽出的地下水回灌至地下含水层中,需要从回灌目标含水层的承压性、渗透性、储水空间、径流条件等方面综合判断,回灌能力强于抽水能力,说明目标含水层储水空间充足,导水性好,径流条件良好,可以满足抽出地下水的入渗需求,具有实现水资源保护型回灌的条件与意义。

4 结论

通过在北京地铁丰益桥南站至终点区间,开展单井回灌试验、群井抽灌试验,研究了在厚卵石潜水层中单井设计回灌量的确定方法、回灌群井的结构与布置、回灌量与基坑涌水量的规律关系、抽灌过程中地下水位流态,及含水层的抽灌能力,得到以下结论。

(1)水资源保护型回灌在厚卵石潜水层中具有可行性。本次群井抽灌试验依托于北京地铁丰益桥南站(含)至终点区间降水工程,车站主体和风井基坑平均涌水量为94 627.1 m3/d,单日最高涌水量为185 983 m3,成功地将抽出的地下水全部回灌至原含水层,实现了抽水量的等量回灌,保护了地下水资源,且未影响基坑安全施工。

(2)单井设计回灌量应以现场试验为准,应用Dupuit理论计算的单井最大回灌量为18 285 m3/d,远远大于现场试验值1 920 m3/d。进行资源型回灌时,为保证最大回灌量,需合理设计回灌井结构与布置,避免井群间产生干扰。

(3)在厚卵石潜水中进行同层抽灌时,存在明显的水力联系,回灌水体主要渗流至基坑区域,抬升了基坑及基坑靠近回灌池一侧的地下水位,并重新进入抽水井内,增加基坑涌水量。现场监测数据表明,基坑靠近回灌池一侧的地下水位高于远离回灌池一侧2.5～3.5 m；抽灌稳定状态下,基坑涌水量较未开始回灌试验时增加了20 879.2 m3/d,比例为30.90%。

(4)水资源保护型回灌要求将抽出的地下水尽可能地回灌至地下含水层中,需要从回灌目标含水层的承压性、渗透性、储水空间、径流条件、抽灌能力等方面综合判断其可行性。若选择同层抽灌,应预分析降水与回灌间的耦合影响,科学布设抽水井与回灌井,并监测持基坑及附近区域地下水位动态,不影响基坑安全施工。