基于GMS三维渗流模型的基坑减压降水地层沉降特征分析

姚孟杰

(上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072)

1 引言

近年来，随着我国经济的飞速发展，城市开发建设进程也逐步加快，奠定了我国成为基建大国的基础[1～3]。大型商业广场等城市标志性建筑基坑向更深层次发展，深基坑开挖以及减压降水过程中势必引发原始土体应力释放，引起周边环境地面差异性沉降，造成环境安全事故[4～6]。因此充分调查项目场地工程地质与水文地质条件，分析地下水风险，控制基坑开挖和减压降水引起的沉降是基坑工程成败的关键[7～12]。本文上海中学改扩建项目基坑为例，利用抽水试验和GMS三维渗流模拟分析场地(微)承压含水层水力联系及基坑围护设计方案安全性，有效降低基坑突涌风险和对周边环境的影响。

2 工程概况

上海中学改扩建工程项目位于上海市徐汇区上海中学校区内，四至范围东邻龙川北路黄桐路，西邻老沪闵路，南至中环路，北邻嘉川路上中路北侧。本项目用地范围线内面积约36870 m2，拆除建筑面积约12277 m2，拟建建筑面积99000 m2，其中地上建筑面积43000 m2，地下建筑面积56000 m2，建设内容包括新建地下车库、改扩建教学综合楼及总体配套工程。其中基坑普遍区域开挖深度为10.60 m，集水井位置深度为11.9 m、电梯井位置深度为12.1 m。

3 工程地质与水文地质条件

3.1 工程地质

本场地在深度60.0 m内地基土均属第四纪全新世(Q4)及晚更新世(Q3)沉积物，主要由粘性土、粉性土、砂土等组成。拟建场地属于古河道地层分布区，该地段缺失第⑥层暗绿、草黄色粉质粘土。

3.2 水文地质

本场地勘探深度范围内涉及地下水类型主要有浅部土层中的潜水和深部第⑤2、⑤3层土中的(微)承压水。场地浅部土层中的地下水属潜水类型。地下水稳定水位埋深介于1.19～1.52 m之间，标高介于2.24～3.10 m之间，年水位的变化幅度一般在1.0 m左右。微承压含水层水位一般低于潜水位，呈周期性变化，水位埋深约3～11 m。场地内第⑤2层层顶埋深一般在18.0～19.7 m，水位埋深在6.10～6.13 m 左右，相应标高为-1.43～-1.40 m。第⑤3-2层层顶埋深一般在24.80～26.80 m之间，水位埋深在6.32～6.35 m左右，相应标高为-1.45～-1.42 m。

4 抽水试验

4.1 试验井的布置与结构

根据工程建设的实际需要，试验共布设抽水试验井5口(第⑤2层4口，第⑤3-2层1口)，⑤2层微承压水观测井3口，抽水试验井编号C1-C5，井径273 mm，C1-C2井深24 m，C3-C4井深23 m，C5井深29 m，

图1 试验井平面布置

试验井的布置见图1。

4.2 单井抽水试验

本次单井抽水试验共计3组，⑤2层分别以C1、C3为抽水井，⑤3-2层以C5为抽水井，分别进行单井抽水试验，并根据抽水试验结果模拟计算微承压含水层水文地质参数并分析第⑤2层与第⑤3-2层微承压含水层水力联系。

本次含水层水文地质参数计算是以⑤2层的抽水井C1，观测井C2、C3、G1～3的两个落程数据进行计算，计算方法采用Aquifertest软件中定流量非稳定流Cooper-Jacob曲线法及泰斯恢复曲线法，水文地质参数结果见表1。

表1 ⑤2层微承压含水层水文地质参数

根据实际地层钻探揭露情况，第⑤2层与第⑤3-2层微承压含水层之间隔水层厚度约为1 m，工程地质勘察不能确定两个微承压含水层是否存在水力联系，因此，分别通过⑤2层C3为抽水井和⑤3-2层C5为抽水井进行单井抽水试验，观测不同层位的水位变化判断两个含水层水力联系特征。抽水试验抽水井与观测井水位变化情况如图2。

图2 试验井水位降深随时间变化曲线图(C3、C5抽水)

水位动态监测结果显示：⑤2层C3单井抽水时，抽水井最大降深约为11.69 m，同层位观测井最大降深约0.554 m，最小降深0.411 m，⑤3-2层观测井C5最大降深约为0.158 m； ⑤3-2层C5单井抽水时，抽水井最大降深约为16.85 m，⑤2层观测井最大降深约为0.11 m，最小降深0.067 m。根据水位降深观测结果可知，第⑤2层与第⑤3-2层微承压含水层之间有一定的水力联系，水力联系较弱。因此，在⑤2层或⑤3-2层进行减压降水时，可不考虑相邻含水层之间的相互影响。

4.3 群井抽水试验

群井抽水试验以试验井C1、C2、C3、C4(⑤2层)为抽水井，以试验井G1-G3(⑤2层)作为观测井使用，G1-G3各观测井距离4口抽水井中心(观测井G1位置)的距离依次为0.0 m、19.7 m、39.9 m，试验过程中抽水井C1-C4涌水量为0.21～0.79 m3/h，持续抽水时间为6 d，试验结束抽水井最大降深为11.26～14.14 m，观测井最大降深为1.03～1.83。

5 GMS渗流模拟与参数检验

依据前述单井、群井抽水试验数据，并结合项目勘察报告钻孔资料及周边水文地质条件，确定本次抽水试验模型模拟的相关水文地质参数，详见表2。

表2 水文地质参数

根据表2提供的水文地质参数，利用GMS数值模拟软件构建场地水文地质模型，对⑤2层群井抽水试验进行了6 d的数值模拟，模拟结果见图3。

图3模拟结果显示：⑤2层微承压水水位模拟结果与实测结果相近，最大偏差仅0.1 m，沉降模拟结果与实测沉降可以认为在允许的模型拟合误差范围内。群井抽水试验期间地面沉降模拟值与实际观测值接近，也具有很好的拟合度。模拟结果表明，本次模拟得出的水文地质参数与试验情况基本相符，相关水文地质参数可以用于基坑的降水设计及施工。

图3 水位、地面沉降实测值与模拟值对比

6 GMS基坑降水沉降特征分析

6.1 降压井布置

采用降压井独立降水方案，考虑围护墙的渗流影响，降压井单井有效抽水面积(α井)可按1000 m2选用。根据设计要求，本次基坑开挖局部最大深度达13.6 m，经计算，第⑤2层微承压含水层最大需降水深度6.6 m(普遍降水深度4.2 m)。依据本项目基坑分布特征，拟在第⑤2层微承压含水层布置降压井16口，第⑤2层减压井井深24.0 m(滤水管3 m)，井的布置应参照地层分布情况及围护墙的深度综合确定。

6.2 基坑减压降水沉降模拟

基坑围护设计于基坑边界设置隔水帷幕深度26.0 m，对第⑤2层微承压含水层A、B基坑分别减压降水模拟，根据抽水试验结果，结合实际围护结构施工后，围护结构对水平渗流的阻滞作用，预估单井最大涌水量约为24 m3/d。

采取基坑围护结构插入深度为26.0 m时，A区第⑤2层微承压含水层9口降压井单井涌水量取18 m3/d，B区第⑤2层微承压含水层7口降压井单井涌水量取19 m3/d；在现有的基坑围护设计条件下，根据抽水试验结果对基坑持续10 d减压降水的可行性进行数值模拟分析，分析结果见表3，模拟结果见表3。

表3 基坑减压降水模拟结果统计

基坑减压降水模拟结果表明，基坑维护结构深度为26.0 m时，A、B区基坑在分区持续减压降水后，第⑤2层微承压含水层最大水位降深为7.1 m，能满足场地内基坑开挖不同深度降水要求，持续减压降水引起基坑外围周边沉降量为0.16～1.16 mm，满足周边建筑沉降量要求，后期减压降水施工表明基坑模拟水位降深、地面沉降与实际减压降水效果基本一致。

7 结语

(1)通过对第⑤2层和第⑤3-2层微承压含水层分别进行单井抽水试验，分析两个含水层水位变化趋势，确定第⑤2层和第⑤3-2层微承压含水层具有一定的水力联系，但水力联系微弱。

(2)基于抽水试验数据，利用GMS对地下水水位、地面沉降特征进行数值模拟分析，结果与实际减压降水效果一致，可利用此方法指导工程持续减压降水工作。