某桥梁锚碇区地表水-地下水交互作用下涌水量预测

胡红月,张善钊,李青青,关 鹏

(1.中冀建勘集团有限公司,河北 石家庄 050227;2.中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430074)

0 引言

在工程建设中,地下水与地表水情况对施工过程的影响不言而喻,建设区域水位变化、水流情况、水质问题等水文地质条件与工程设施的建设及运行息息相关。其中,地表水与地下水的交互作用是影响区域水文地质条件和基坑涌水量的一个重要因素[1]。

近年来,众多学者在水文条件对工程建设的影响等方面做了大量研究并取得丰硕成果。刘佳[2]等在分析喀斯特地形地貌及地下水补径排特点的基础上,提出一种产水量分割方法,并以水资源平衡为基础,构建了一种流域地表水、地下水划分修正的概念模型;卢振[3]等运用CCME-WQI法,对矿区不同水体进行了水质评价,在此基础上,通过构建水质健康风险评估模型,对矿区范围内不同类型人群的水质健康风险进行了分析,并对其空间分布特征进行了研究;王宇[4]结合专项调查(勘探)评价和区域调查评价的特点,提出了评价单元划分的原则和方法,实现对地表水和地下水资源和环境的统一管理;薛联青[5]等利用HSPF-MODFLOW耦合模式,通过纳什系数Ens,确定性系数R2,均方根误差σ率定,揭示塔里木河地表水-地表水-地下水之间的相互转换机制。黄元[6]等采用 EM D (Empirical Mode Decomposition)算法与协同克里金算法,研究磴口县地下水埋藏深度的时空分布规律,并采用3S技术,对其进行空间叠加与趋势曲线拟合,分别从南、北、东、西两个方向,分析其水位变化规律。

本文以某桥梁锚碇区基础工程为研究对象,详细研究区域地表水与地下水交互作用,基于抽水试验结果计算渗透系数,对基坑涌水量进行了有效预测。

1 工程概况

宜昌至张家界高速公路宜昌段起于当阳市(双莲镇),在白洋工业园与宜都市陆城镇交界区跨越长江,本工程桥址位于长江中游湖北省宜昌市境内宜昌至枝城河段,如图1,白洋长江公路大桥工可阶段推荐方案为900 m斜拉桥方案,其中宜都岸锚碇位距离长江大堤240 m左右,水文地质条件复杂,锚碇基坑开挖及施工降水对长江大堤影响较大。

图1 项目地理位置图

2 地质背景

2.1 地形地貌

场区地貌属于鄂西山区和江汉平原的过渡区,总体地势北高南低,从地貌的成因、形态和组合特点来看,区内地表为河床冲积阶地平原地貌。

2.2 地质构造

项目区北部为天阳坪逆断层,南为白垩系—下第三系沉积区,西为梅子溪第四系正断层,宜昌单斜横贯东西。构造较为简单。

2.3 地层岩性

根据本次水文勘察及桥址区初勘钻探资料可知,宜都岸锚碇场地岩土类型主要为三大类共五个亚层,如表1所示。

表1 地层信息一览表

3 水文条件

3.1 水文地质概况

锚碇位的水文地质条件相对简单,浅部粘土层平均厚度8m左右,起到相对隔水作用,仅表层松散耕填土中含少量上层滞水,水量小,易疏排,对基坑工程影响小;浅部粘土层以下卵石混砂夹漂石(松散～稍密)及粗砾砂混卵石(密实)为场区内主要含水层,透水性强,含水丰富,对基坑工程影响极大。

3.2 地表水特征

项目区地表水系较发育,长江黄金水道自北向南流经宜都市,地表水除长江、清江两条主河流外,还有大小溪河39条。长江属雨洪河流,洪水变化规律与降雨大体相应,年最高水位和最大流量出现时间一般在6-9月,而以7-8月为最多。因其经湖泊、河槽调蓄,一次洪水过程历时较长,宜都段一般超过50 d。

长江自西向东横贯拟建桥梁区,与拟建项目总体走向基本垂直,江面宽约900 m,过境年径流量平均4 510亿 m3,长江流域年平均降雨量大约1 100 mm。场区河段由三马溪起始至枝城结束,如图2所示,全长13.5 km,河面形状为上、下两段弯曲,中间为平直的河型,这两段河段分别为宜都、百阳两个河段。宜都河段是一条单水道,剖面形状为“U”型或“V”型,河面宽度不超过1.4 km。

图2 工程河段河道及桥位示意图

锚碇区所属水文地质单元由长江冲积漫滩(滨江带)、1级阶地以及2～3级垄岗阶地孔隙含水层构成,西、倍、东三面以长江供水边界为限,南侧以3级垄岗阶地后缘丘陵低山隔水边界为限。锚碇位于该水文地质单元的北端,其中心距离长江大堤仅242 m(如图3所示),因而锚碇基坑工程的水文地质条件复杂,施工开挖及降水对长江大堤影响较大。

图3 南岸锚碇与长江大堤位置关系示图

3.3 地下水

据不同岩组中地下水的存在条件及水动力特性的差异,将场区地下水分为两大类,即第四系松散土层孔隙潜水、基岩裂隙水,其水文地质特点见表2。

表2 地下水水文特征信息表

3.4 场区地表水与地下水交互作用

通过对长江水位的监测结果显示,长江水位标高在37.916～35.886之间,受大气降水及葛洲坝、三峡水库调节影响,呈现“昼退夜涨”的波动特点,总体呈递减趋势。由观测孔(GC3孔)监测结果,地下水位标高在36.44～35.39 m之间,12月6日之前因相邻观测孔钻进施工循环水影响,观测的水位波动较大,并未完全代表真实的水位埋深;12月6日之后随着观测孔全部完成施工,场内地下水位变化较为平稳,波动幅度小,且总体随长江水位下降亦呈递减趋势,与同期长江水位基本持平,但略高于江水位且存在一定的滞后性。

长江水位与场地地下水水位动态变化关系详见图4。

图4 长江水位与场地地下水水位动态变化历时曲线图

水位动态监测结果表明,宜都岸(南岸)砂砾卵(漂)层孔隙水与长江水交互作用强烈,两者相互连通,地下水位与长江水位基本持平。

3.5 抽水试验与渗透系数

为确定含水层渗透系数,设计对CS1孔分别进行S1、S2、S3三降深稳定流抽水试验。三次稳定流抽水试验之S(降深)及Q(流量)历时关系曲线如图5、图6、图7。由图可以看出,各次抽水试验的降深与流量达到稳定状态历时很短,以各次降深停抽后的水位恢复速度很快,证明该锚碇场地孔隙含水层的渗透性极强,来水十分丰富。

图6 CS1孔第二降深抽水试验S2、Q2历时关系曲线图

根据CS1孔三次稳定降深及稳定流量得出的Q-S关系曲线如图8。该图显示,锚碇场地孔隙含水层涌水量与降深呈直线关系,且涌水量的增幅远大于随深的增幅。

图8 CS1孔各次降深QR-SRR关系曲线图

根据CS1孔抽水试验结果,按邻近直线补给边界的半无限均质潜水含水层非完整井稳定流模式计算有关水文地质参数,计算剖面如图9所示。

计算公式选择《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)推荐公式。

(1)

式中:Q为抽水稳定涌水量,K为含水层渗透系数,H为含水层厚度,Sw为抽水水位稳定降深,d为抽水孔至补给边界平距,rw为抽水孔半径,hw为降深稳定时含水层厚度,l为滤管进水管长度。

对于d距离则根据试验期间CS1孔至长江水边线的距离而定。依据CS1孔抽水试验结果,按照《供水水文地质勘察规范》公式计算所得成果汇总见表3。

表3 CS1孔抽水试验计算成果汇总表

按降深加权平均求得渗透系数K均值=127.273 2(m/d)。影响半径R=2 d,具体应视丰、枯季长江水位高低而定。

4 涌水量预测

拟建锚碇工程位于强透水孔隙含水水文地质单元且邻近直线型补给边界,交互作用强烈,根据设计基坑将揭露的含、隔水层构成以及地下水位年动态变化导致地下水类型转化的特点可知,场区地下水在枯水季节为孔隙潜水,雨季则转为孔隙承压水。因此,基坑涌水量估算应考虑不同季节的影响。

对于枯季基坑涌水量估算按潜水完整井考虑,分别估算低位枯水、常态枯水、高位枯水三种状况的涌水量;对于雨季基坑涌水量估算按承压～潜水(工程降水后)完整井考虑,亦分别估算低位洪水、常态洪水、高位洪水三种状况的涌水量。采用裘氏理论公式进行计算与校核。公式如下:

(2)

(3)

式中:Q为基坑涌水量为,K为含水层渗透系数H为潜水水头高度,Sw为控制降深,d为基坑中心至补给边界平距,基坑降水引用半径,hw为基坑降水后的水头高度。

结果显示基坑平均总涌水量Q在高枯水位达到248 643.03 m3/d,常态枯水水位在232 355.12 m3/d,低位枯水为221 667.78 m3/d。雨季低位洪水基坑总涌水量为277 195.44 m3/d,常态洪水为287 451.68 m3/d,高位洪水位为368 451.04 m3/d。

由上述基坑涌水量估算结果不难看出,在地表水与地下水交互作用下,该锚碇基坑涌水量极大,实施单纯的降水方案不但风险大且无法保证长时间维持,难以保障锚碇基础安全、顺利施工,需根据实际工程情况设计合理施工方案。

5 结语

本文以某桥梁锚碇区基础工程为研究对象,对项目区地下水与地表水分布情况及空间特征进行了详细分析,通过水位监测结果研究了场区地表水-地下水交互作用,并通过抽水试验确定渗透系数,估算了锚碇基坑枯季和雨季涌水量,对基坑降水施工设计提供有效依据。