基于大口径稳定流抽水试验的基坑降水方案设计

近年来，随着长江沿线城市基础设施建设步伐的不断加快，基坑深度也在不断增加，高水头承压水深基坑问题亟待解决。在勘察过程中，一般采取大口径多井、群井稳定流抽水试验，获取承压含水层准确的水文地质参数，以防止基坑突涌、管涌等事故的发生，这对基坑的安全建设具有重要意义。本文以江阴—靖江过江通道北岸盾构井工程抽水试验为例，开展多井（一抽多观）与群井（多抽多观）承压水稳定流抽水试验，对基坑底部Ⅱ层承压含水层进行研究，将得到的多组水文地质参数进行对比，综合分析给出Ⅱ层承压含水层准确的水文地质参数，以此为基础计算基坑涌水量、设计基础降水方案，并用数值模拟的方法动态模拟基坑降水过程，以期为基坑设计施工提供依据。

1.工程概况

江阴—靖江过江通道长江北岸盾构井基坑位于靖江市六圩村，基坑尺寸30.4m×56m，基坑开挖深度28.9m；工程场区范围内地面标高2.5m，地下水主要为潜水（水位标高2.2m）、Ⅰ层承压水(水位标高0.86m)、Ⅱ层承压水(水位标高0.21m)，由于止水帷幕穿Ⅰ层承压水进入其下的相对隔水层，场区潜水及Ⅰ层承压水对工程影响不大；Ⅱ层承压水位于基坑底部，水头高、水量丰富，该层承压含水层对基坑施工安全影响较大。本文主要对Ⅱ层承压水进行研究，场区地层岩性自上往下依次为新近堆积（Q4ml）的松散～稍密状人工填土，厚度1m—2m；全新统冲洪积(Q4al+pl) 成因的流塑状淤泥质粉质黏土，厚度5.5m—9.0m；全新统冲洪积 (Q4al+pl) 成因的软状粉质黏土，顶面埋深7.3m—11.7m，厚度4.0m—7.4m；全新统冲洪积(Q4al+pl)成因的稍密状粉细砂，顶面埋深14.9m—16.5m，厚度5.0m—8.0m，该层是本场区Ⅰ、Ⅱ层承压水含水层；上更新统冲积—海积（Q3al+mc）成因的可塑状粉质黏土，顶面埋深20.7m—22.8m，厚度5.6m—7.5m，该层为两层承压含水层间的隔水层；上更新统冲积—海积（Q3al+mc）成因的密实状粉细砂，顶面埋深28.2m—29.4m，厚度20.9m—21.8m，该层是本场区Ⅱ层承压水含水层；底部为上更新统冲积-海积（Q3al+mc）成因的硬塑状粉质黏土，顶面埋深49.1m—51.2m，勘察过程中未提示该层底板。场区代表性剖面如图1所示。

图1 北岸盾构井工程地质剖面图

2.试验方案

2.1 影响试验方案的因素

工程场区位于长江北侧，距长江约1.5km，Ⅱ层承压水层与长江水之间可能存在水力联系，在Ⅱ层承压含水层中存在的流场将导致该层平行与垂直长江方向的水文地质参数存在差异，因此在设计试验方案时应能分别得到平行与垂直长江方向的上水文参数；从剖面图上看，Ⅰ、Ⅱ层承压含水层间由隔水层隔开，但两层间的隔水层在更大尺度上可能呈透镜体状，即Ⅰ、Ⅱ层承压水可能存在直接水力联系，对Ⅱ层承压水进行抽水试验时，Ⅰ层承压水会补给Ⅱ层承压水。因此，判断两层承压水间是否存在水力联系及水力联系的强弱，对试验方案设计及计算公式选择的影响很大。

2.2 水文钻孔布置方案

沿平行长江和垂直长江方向布置两条水文试验钻孔，观测孔与抽水孔距离为5m—10m。所有抽水井均为承压水完整井，深度55m、井径600mm、滤管直径273mm；观测井除Ⅰ-G01外均为Ⅱ层承压水观测井，深度42m、井径600mm、滤管直径273mm；观测井Ⅰ-G01为Ⅰ层承压水观测井，深度25m、井径600mm、滤管直径273mm。按该方案布置水文孔，通过抽水试验可以得到Ⅱ层承压含水层在垂直与平行长江两个方向上的水文参数，从而能判断该层在两个方向上水力学性质是否存在明显差异；另外，在抽水试验的同时可以观察Ⅰ层承压水水头的变化，以此判定两层承压水之间水力联系强弱。水文钻孔平面布置图如图2所示。

2.3 试验过程

2.3.1 成井工艺

在盾构井基坑场区开展了多井（一抽多观）及群井抽水试验，采用多种试验方法比较验证，以获取含水层准确的水文地质参数。所有水文试验井均采用反循环钻机钻进成孔，钻进过程中不使用黏土粉，依靠钻进过程中自造的泥浆。成孔后趁泥浆稀薄，及时下井管，并在试验段充填中粗砂，在试验段以上充填黏土球并捣实，成井后采用活塞洗井，并采用空压机洗井至水清、砂净。洗孔完毕后静置24小时，待水位恢复后开始进行抽水试验。水文孔深度、滤管位置及结构参数如表1所示。

2.3.2 多井抽水试验

此次多井抽水试验从平行长江方向与垂直长江方向两组分别进行，每组多井抽水试验分3组降深（因篇幅所限，本文只展示最大降深抽水试验降深曲线图）。先进行平行长江方向上的多井抽水试验（C01为抽水井，G01、G02为观测井），进行抽水试验时同步记录钻孔Ⅰ-G01中Ⅰ层地下水水头的变化，平行长江方向上多井抽水试验各降深曲线如图3所示。

如图3所示，根据试验测量数据，抽水时钻孔Ⅰ-G01中Ⅰ层地下水水头没有变化，证明两层水之间不存在水力联系，两层承压水之间不存在越层补给，因此，此次抽水试验适用于裘布衣关于承压完整井的公式如下：

图2 水文试验孔布置图

图3 平行长江方向最大降深曲线图

表1 管井结构数据

表2 平行长江方向抽水试验水文参数计算成果表

表3 垂直长江方向抽水试验水文参数计算成果表

图4 垂直长江方向最大降深曲线图

图5 群井抽水时各孔位水位降深曲线图

平行长江方向抽水试验水文参数计算成果见表2。

同时，观测记录垂直长江方向两口观测井G03、G04的水位动态，垂直长江方向上多井抽水试验各降深曲线如图4所示。

根据裘布衣关于承压完整井的公式，垂直长江方向上多井抽水试验成果如表3所示。

对比表2、表3可知Ⅱ层承压水含水层在水平、垂直长江方向上的水文参数相近，故可认为Ⅱ层承压水含水层在两个方向上的水力学性质相同。

2.3.3 群井抽水试验

为了模拟施工降水工况（要求水位降深达到基坑结构底板下1m），多井抽水试验完成后，进行了群井抽水试验（C01、C02、C03同时抽水，G01、G02、G03、G04为观测井）测定在群井抽水时Ⅱ层承压水含水层的水文地质参数，同时对布设的第一层含水层观测孔（Ⅰ-G01）进行了观测，进一步分析群井抽水时两层承压含水层的越流补给情况。此次群孔抽水选用泵量100m3/h的潜水泵，控制单井稳定出水量均为95m3/h，在连续稳定抽水24h后趋于稳定，观测孔受影响最小的为G03，水位下降值为19.14m，抽水孔中C03降深最大达28.10m。群井抽水时各水文井水位曲线如图5所示。

从群井抽水试验的水位降深关系曲线可以看出，在群井工况下，观测孔Ⅰ-G01中Ⅰ层承压水水头依旧没有响应，由此可以判定施工降水时Ⅰ层承压水不会越流补给Ⅱ层承压水。由于群井抽水工况下没有专门的计算公式计算含水层的水文地质参数，于是采用水文专业数值计算软件MODFLOW进行参数反演计算，此次群孔干扰抽水试验单井稳定出水泵量95m3/h时，反演计算结果显示Ⅱ层承压水含水层影响半径R为1015.19m，计算出渗透系数K值为10.09m/d。

2.3.4 水文地质参数建议值

综合考虑群井及多井抽水试验计算成果，施工降水时Ⅱ层承压水含水层渗透系数K按10.5m/d考虑，当水位降至基坑底板下1m时，影响半径R取1050m。

3.施工降水方案设计及降水过程动态模拟

3.1 施工降水井管井结构设计

由于基坑作业面较小，施工设备、人员众多，为了尽可能减少施工抽水作业占据面积，最大效率地抽取地下水，拟采用完整井抽水，有效滤管长度与含水层厚度相当；考虑到工民建市场上水文井钻探成孔能力、工艺，并结合场地地层情况，抽水井拟采用反循环钻机成孔，利用成井过程自造泥浆护壁，钻孔直径600mm，抽水井径取273mm。施工抽水管井结构图如图6所示。

图6 施工抽水时管井结构图

3.2 施工降水井数量确定

按照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)中8.3.4节单井的管井出水量q(m3/d)可按下列经验公式确定：

此次施工降水参数rs取0.1365m，l取20m，k取10.5m/d，依《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)公式8.3.4计算单井的管井出水量q=2252.5m3/d，施工降水时应选用出水量100t/h的潜水泵。

基坑平面尺寸30.4×56m,开挖深度为28.9m，Ⅱ承压含水层地下水位埋深为2.29m，按设计要求，设定地下水位降至基坑以下1m，此时地下水位埋深29.9m，地下水位降深须要达到27.61m。考虑到基坑边界上支护结构施工，因此，把抽水井布置在基坑边界外侧1m处，对基坑边界外扩1m的矩形基坑按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)附录F中公式(F.0.3-1)计算基坑涌水量Q(m3/d)

图7 基坑降水Ⅱ层承压水降水井平面布置图（红色圆点表示降水井）

式中，k为渗透系数（m/d）；M为含水层厚度（m）；S为设计水位降深（m）；a，b为基坑边界外扩1m后的边长。按该公式计算得基坑涌水量Q=9811.2(m3/d)。

按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)中公式：计算降水井数量n=4.8，取整为5口。考虑到施工降水过程须要尽量均衡,要求降水井对称布置，由于施工过程中不允许在基坑中间布置降水井，故设计降水井数量调整为6口，具体平面布置如图7所示。

3.3 降水过程动态模拟

根据抽水试验成果，不考虑两层承压水间的越流补给，建立三维稳定流数学模型，其书写模型可用下面的偏微分方程及其定解条件进行描述：

式中：Kx、Ky和Kz分别为x、y、z方向的渗透系数（按现场试验成果，认为水平方向上Kx=Ky=10.5，依室内试验Kz=3.49，m/d）；H为含水层的水头值，m；M为含水层厚度，m为源汇项，m/d；S为给水度或比弹性释水系数，潜水含水层取重力给水度，承压含水层取弹性释水系数为模拟范围；n为边界外法向方向单位向量；Γ为侧边界；B为底边界；H0为初始水头，m。

图8 模型运行过程中地下水位等值线图（红色区域表示基坑范围）

结合边界条件，利用水文专业数值模拟软件Processing MODFLOW对施工降水过程进行动态模拟，模型运行第1天、第3天、第5天、第10天的地下水流场分布如图8（a）所示。从不同时期水位等值线图可以看出，降水井开采条件下地下水位以降水井为中心向基坑延伸。基坑降水初期，地下水位呈现急剧下降趋势，模型运行第1天时降水井周边地下水位标高达到目标水位标高-27.4m（对应埋深29.9m）。随着降水时间的延长，基坑范围内地下水位标高呈现降低趋势，当降水井持续以2400m3/d的抽水量运行至第3天时，基坑范围内接近一半的区域地下水位标高已达到目标水位标高[图8（b）]。当降水井持续运行至第5天时，基坑区域绝大部分范围地下水位标高均已达到目标水位标高[图8（c）]。从图8（d）可以看出，模型运行第10天时，基坑周边和基坑内的地下水位标高均已达到目标水位标高-27.4m（对应埋深29.9m），满足基坑降水所需达到的水位条件。

4.结论

本文通过在抽水过程中对Ⅰ层承压水头观测，判定两层承压水之间没有水力联系，为选用水文参数的计算公式提供了依据；通过对比分析水平、垂直长江方向上两组抽水试验成果，证明了Ⅱ层承压含水层在两个方向上水力学性质差异甚小，建模过程中可以认为平面上各个方向上的水文参数相同；通过展开大口径稳定流多井、群井抽水试验，综合确定了Ⅱ层承压含水层水文参数；基于以上成果，科学地设计了基坑降水方案，并利用数值模拟的方法验证了基坑降水方案的可行性。