基于数值模拟的深厚卵石地层超深基坑降水预测分析

王晋华

随着我国城市化进程的加速，各种类型的城市建筑不断增多，很多城市面临着空间不足的问题。所以各大城市重视对于城市空间的合理应用，实施了一系列深基坑工程。在此类工程施工过程中，需要将基坑中的水位控制在一定的范围内，地下水是必须考虑的问题，否则容易导致施工过程中发生危险，成为潜在的安全隐患。在研究中发现，深厚卵石地区往往存在大量的地下水，含水层具有较高的渗透性，增大了施工的复杂度和危险性。所以必须通过有效的方式对降水效果进行分析，减少基坑施工过程中存在的危险，提升施工的质量和效率。

一、工程概况

在基坑施工过程中需要考虑到地下水的影响，本次研究中主要采用开放式施工降水，面积总和达到了17064m2，具体划分为两大部分，分别是主体部分、施工竖井部分（L2、L4、L5和L6），其中前者为南北向。在设计的具体施工方案中，总计有136口降水井，各个井的间隔为6m。但是受制于现场的施工条件，有33口降水井并未正常施工。

二、水文地质条件

从地质特征上来看，施工区域地层厚度达到了85m左右，主要划分为两种，分别是人工堆积层、第四纪冲洪积层，进一步可以细分为21个大层以及亚层，各个层的厚度以及岩性存在一定的差异性。

结合现有的资料可知，在103m深以内的区域以1层地下水为主，其中潜水含水层的厚度达到了55m左右，具有较高的渗透性，而水位标高、埋深分别是18.8m、29.9m。

在研究过程中实施了1组单井抽水试验，其中观测井和试验井的数目分别为3、1，以此可以得到需要的渗透参数。在试验过程中需要选择科学的仪器设备，这里采用了标准测绳、250QJ140-46水泵以及TDS-100F1(DN100)流量计，满足了试验的要求。

试验持续时间为46h，稳定降深3.97m，持续时间33h，涌水量为39.389L/S。

受到诸多因素的影响，试验过程中的流量存在一定的波动性，经过分析主要与水泵不稳定等因素有关。而水位恢复过程中的稳定性比较高。考虑到上述因素，在渗透系数K的计算过程中利用了恢复数据，选择了Jacob直线图解法。

三、地下水数值模拟

1.地下水位观测数据

在研究过程中进行了1组生产性群井试验，降臭水井的数目为12，涌水量12673.92m3/d，群井外、中心分别有三个、一个观测点，降深最大值为1.411m，试验持续196h。试验中采用了TDS-100F1(DN100)流量计、250QJ63-54水泵，根据得到的数据可以对第1层进行模拟。

2.含水层及边界条件概化

确定模拟范围的原则如下所示：

R、r分别代表影响半径（降深10m）、基坑等效半径，需要保证模拟范围高于二者之和，即不低于2800m。

结合场地和水文地质单元分界的距离进行确定，如果距离远大于2800m，则选择通用水头边界；模型南北、东西方向基本保持在10km上下。

在选择边界上尽可能为水文地质单元分界线。

值得注意的是，在设置边界条件过程中需要考虑到不同的方向，本次设计的模型主要包括垂向边界、侧向边界，具体设置为：（1）垂向，在试验过程中忽略降水等因素产生的影响，所以不存在降雨补给，由于底部主要是白垩纪角砾岩，设置为隔水边界；（2）侧向，需要结合水的流向来进行设置，主要是西北流向东南，所以东、南侧，西、北侧的边界设置不同，分别对应着排泄、补给边界。

3.源汇项概化

源汇项包括12口抽水井，在处理时主要选择well模块，1056.16m3/d的单井排水量。

4.地下水流模型的构建

在本次研究中针对地下水流模型进行了设计，具体基于GMS（Groundwater Modeling System）软件实现。在具体模拟分析过程中使用了多个模块，除了Modflow之外还包括GHB等多个模块，便于对相关参数以及边界进行处理。离散化是建模中的首个过程，即进行网格剖分，该过程的合理性将会直接影响到最终的模拟效果。具体的过程如下所示：

（1）具体需要从竖直方向和水平方向来对模型进行剖分。结合研究区的具体特征，在竖直方向上主要划分为八层，水平方向网格大小为100m×100m，基坑部分网格密度增大，尺寸为3m×3m～5m×5m。

（2）模拟期总共持续196h，具体时间段为2017年9月22日8:00～2017年9月30日12:00，总计包括为83个应力期（2h），并基于内插和外推法以及现有的数据得到了初始水位。

四、施工降水预测与分析

1.情景设计

在情景设计上需要考虑到多方面的因素，确保相关参数的合理性。其中，井内径263mm，最大方量水泵100m3/h；以250QJ63-54水泵为主，实际流量是43m3/h。设计出水量43m3/h、63m3/h、80m3/h、100m3/h。据此完成预测施工降水的过程，基坑整体主要划分为两部分，首先是竖井L2、L4、L5、L6，其次是主体部分，详细信息如表1所示。

表1 竖井与工程主体设计降深一览表

2.结果分析

（1）地下水位随时间变化：随着时间的变化水位呈现出的变化特征。其中在前七天内保持了较高的下降速度，而在7天～15天之间虽然仍然持续下降，但是下降幅度明显变小，在15天之后逐步保持稳定，下降速度基本不变（0.02m/d），各个场景下的稳定时间不同。

（2）施工降水空间差异性分析：①降水区L2竖井和L4竖井处由于降水井布置最密集地下水位最低，基坑主体南段和北段降水井布置较少，因此保持了最高的地下水位；②在将所有井同时开启的情况下，单日抽水量均可达到较高的要求；③将103口降水井全部开启之后，在单井出水量不同时，单日抽水量存在一定的差异性；④由于基坑南、北段降水井不足，无法构成闭合围降。

五、结论

1.在本次研究中针对深厚卵石地层的渗透系数进行了计算，计算过程中利用了非稳定流Jacob直线图解法，并结合水位恢复数据计算得到的结果为233.4～273.6m/d，平均值为252.0m/d，因此属于特强透水地层。

2.施工结束之后的103口降水井均不能满足安全水位的要求，仅当在井间距6m，降水设计方案所有降水井（136口）均能施工，并且单井出水量高于43m3/h时，施工降水方可满足降水要求，涌水量将达到14万m3/d。

3.在渗透性极强的深厚卵石地层开展降深大于10m的施工降水，涌水量较大，增大了施工的风险和隐患。