临江富含承压水深基坑减压降水现场试验研究

In-Site Test Research on Depressurization Dewatering of Deep Foundation Pit with Rich Confined Water along the River

摘要: 对于临江富含承压水的深基坑，选择合理可行的减压降水方案是深基坑顺利施工的关键。本文依托中俄东线长江盾构隧道工程，通过抽水试验获取承压含水层水文地质参数，采用数值法对比分析了止水帷幕进入含水层不同深度条件下，坑外降水、坑内降水基坑总涌水量的变化规律。结果表明：随着止水帷幕深度递增，坑外、坑内降水水量之比随之增加；坑外井滤管与墙底平齐时，由于坑内下部存在强补给，坑外、坑内降水水量之比约34，表明坑外降水代价巨大；止水帷幕进入承压含水层仅几米时，坑内降水也有明显优势；若需要坑外降水时，降水井滤管深度须超过止水帷幕深度。研究成果可为类似临江深基坑降水设计提供参考。

Abstract: Regarding deep foundation pits along the river with rich confined water, one of the keys is how to choose a reasonable and feasible decompression and dewatering plan to benefit the smooth construction of deep foundation pit. In this paper, based on the Sino-Russian Eastern shield-driven tunnel project to cross Yangtze River, the hydrogeological parameters of the confined aquifer are obtained by pumping tests. And numerical method is used to analyze the total water inflow of the foundation pit for dewatering outside the pit and dewatering inside the pit when the water-stop wall enters the aquifer at different depths. The results show that as the depth of the water-stop wall increases, the ratio of dewatering inflow outside and inside the pit increases fairly. However, when the filter tube of the well outside the pit is flush with the bottom of the wall, due to the strong replenishment in the lower part of the pit, the ratio of the water inflow for dewatering outside to the inside the pit is about 34, which means the cost of dewatering outside the pit is huge. Even if the water-stop wall is only a few meters into the confined aquifer, dewatering in the pit also has obvious advantages. If dewatering outside the pit is required, the depth of the filter tube of the dewatering well must exceed the depth of the water-stop wall. The results can provide a reference for the dewatering design of similar deep foundation pits along the river.

1. 引言

我国临江地区普遍发育着多层承压含水层，随着跨江跨河水下隧道的兴建，临江地区基坑开挖面临着承压水头高、水量丰富的问题 [1] [2] ，而选择合理可行的减压降水方案是基坑顺利施工中的关键 [3] [4] 。在基坑的施工过程中，随着基坑开挖和降水的交替进行，土体中的渗流场、应力场、位移场均处于不断变化的过程中，同时，由于土体各向异性使得这些场的相互耦合变得异常复杂。因此，基坑开挖中的降水渗流效应一直是国内外关注的焦点问题 [5] 。

国内外学者在土体渗流方面也进行了大量的研究，并取得了一些重要成果。例如：采用差分方程推导出了饱和度对孔隙水压力的偏微分方程，进而避免了数值解的不收敛；建立了非饱和水土两相不相容、不可压缩渗流的有限元方程，并在分析渗流连续介质模型的基础上，建立了基于孔隙介质中颗粒与流体互相耦合的微观模型，通过对Navier-Stoke方程的求解，对二维渗流问题的解析解进行了另一个角度的验证 [6] 。张哲斐等 [7] 基于荆州某深基坑降水工程，模拟研究了滤管设置对承压非完整井降水效果的影响，优化了井结构配置。蔡娇娇 [8] 对武汉地区落底式止水帷幕条件下深基坑渗流及承压含水层基坑降水设计计算等问题进行了研究。龙治国等 [9] 结合武汉临江某基坑现场抽水试验，求取含水层水文地质参数，并预估了基坑降水对周边环境的影响。王旭强 [10] 对比分析了未设置、悬挂式及落底式止水帷幕的基坑涌水量，提出止水帷幕对阻止坑外地下水流入基坑内效果显著。郭璐等 [11] 研究了天津地区某地铁车站–隧道系统承压水降水引起的区间沉降。赵勇博 [12] 结合理论、试验、计算等手段对福州某富水砂卵石地层降水方案进行优化。赵宇豪基于常州地铁典型基坑，系统分析了减压降水对环境的影响及控制对策。

综上，目前对于渗流理论的研究大多是Darcy定律为基础的，然而在深基坑较高水力梯度作用下，渗流不在以层流的形式出现，随雷诺数的增加，流体的流动速度大大超出了Darcy定律所给出的适用范围 [13] 。因此，对于临江的分布有强透水性承压含水层的深基坑，因降水难度较大或周边环境复杂，采用封闭式止水帷幕的工程较多，前述文献也多集中于封闭式帷幕条件的降水。但是对于巨厚的承压含水层，止水帷幕无法隔断，不得不采用悬挂式止水帷幕，此类相应的施工经验分享较少 [14] [15] 。

本文依托中俄东线天然气管道工程(永清–上海)长江盾构穿越工程北岸工作井项目，通过现场抽水试验取得的水文地质参数，分析对比了不同止水帷幕深度对坑内、坑外降水量的影响，并对降水方案进行优选，给出了临江深基坑合理降水方案的选择原则，可为今后类似工程的降水设计提供借鉴。

2. 区域地质背景

中俄东线天然气管道工程(永清–上海)长江盾构穿越工程北岸工作井为始发井，位于南通市海门市滨江街道，场地现状为水稻田，重大环境风险一般。临江基坑开挖尺寸28.4 m (长) × 16.4 m (宽) × 28.2 m (深)，属于深大基坑。采用58 m深、1.2 m厚地下连续墙 + 砼支撑作为围护结构，并在地下连续墙外侧设置一圈深38.2 m塑性混凝土墙止水帷幕。基底以下10 m深范围内土层满堂加固。

场地自上而下地层主要为②粉土、③淤泥质粉质黏土、④-1粉砂、④粉质黏土、⑤粉土、⑤2粉质黏土、⑥粉质黏土、⑦粉砂、⑦-5粗砂，其中下部⑦粉砂、⑦-5粗砂为承压含水层，厚度为68 m，与长江存在水力联系，富水性好，渗透性强。当基坑底板至承压含水层顶板间的土重力与承压水的顶托力，大于安全系数时，基坑开挖后处于抗突涌突涌稳定状态 [14] ，即：

$D\gamma /h_w{\gamma }_w\ge K_{ty}$ (1)

式中： $K_{ty}$ 为突涌稳定安全系数，稳定状态时，该系数一般应大于1.1；D为承压含水层顶面至坑底的土层厚度(m)； $\gamma$ 为承压含水层顶面至坑底土层的加权重度(kN/m³)； $h_w$ 为承压水头高度(m)； ${\gamma }_w$ 为水的重度(10 kN/m³)。⑦层层顶最高标高为−49.0 m，根据施工实测，⑦层承压水位标高取为+0.95 m，不对⑦层进行降水的条件下， $D\gamma /h_w{\gamma }_w=0.86<1.1$ ，不满足抗突涌稳定性要求，1.1安全系数下的安全水位标高为−10.1 m。

3. 抽水试验

本研究为了获取含水层水文地质参数，首先通过试验井布置，进行了试验井抽水试验，然后进行了试验的结果分析，获得了水位降深时间曲线和含水层的透水性，并通过三维数值模拟计算得到了承压水地层的水文地质参数。

3.1. 试验井布置

为了获取⑦层含水层水文地质参数，并为减压降水合理方案提供依据，现场先进行了8口试验井(YJ1~YJ8)的抽水试验。每个试验井深63 m，泥孔径650 mm；井管为直径325 mm、壁厚5 mm钢管；滤管为桥式滤水管，外包80目尼龙滤网；滤料为中粗砂，滤料以上回填10 m厚粘土球止水。见图1、图2。

Figure 1. Position of the test wells plan

图1. 试验井平面布置图

Figure 2. Correspondence diagram of test well structure and formation

图2. 试验井结构与地层对应关系图

3.2. 试验结果

正式抽水前，测得场地静止水位标高为0.85~0.95 m。开启YJ1~YJ2、YJ4~YJ8共7口井(配置15 kW水泵)，以YJ3为观测井，抽水1780 min后，YJ3观测井水位降深为3.14 m，停抽后水位迅速恢复。抽水井总抽水量为509.5 m³/h。具体试验结果见表1和图3。

由水位降深时间曲线可知，在抽水过程中，临江深基坑水位容易稳定且停抽后恢复很快，停抽1分钟后水位恢复约60%，停抽15分钟后水位恢复约90%，反映了含水层透水性很好、水量补给非常充沛的特点。

Table 1. Summary of water level drop and flow rate for pumping test

表1. 抽水试验水位降深和流量简表

Figure 3. Depth curve of observation well water level (s~t curve)

图3. 观测井水位降深历时曲线(s~t曲线)

3.3. 水文地质参数计算

本研究利用地下水流数值模拟软件《Visual Mod Flow》，建立了临江深基坑地下水三维渗流数值模型，并利用抽水试验资料，对模型进行参数反演。

所建立的三维模型平面上以基坑为中心，以基坑各边向外扩展约500 m，人为设定为定水头补给边界，范围为1050 m × 1050 m。垂向上概化为2层，第1层为承压含水层上部地层，第2层为由⑦粉砂、⑦5中粗砂等组成的承压含水层，见图4。

Figure 4. 3D numerical model of groundwater seepage for deep foundation pit along the river

图4. 临江深基坑地下水三维渗流数值模型

在三维模型中设置抽水井及观测井，将现场试验数据代入模型中，可对抽水试验进行模拟计算，对比计算结果和实测的观测井水位变化，反复调整并反演相关的水文地质参数，使模型计算曲线与实测曲线尽量吻合(见图5)，最终得到⑦层渗透系数见表2。

Table 2. Value table of confined aquifer parameters

表2. 承压含水层参数取值表

Figure 5. Fitting diagram of measured curve and simulated curve of observation well water-level elevation

图5. 观测井水位标高实测曲线与模拟曲线拟合图

4. 悬挂式帷幕深度阻水效果影响因素分析

本研究临江深基坑采用地下连续墙未隔断承压含水层，属于悬挂式止水帷幕，可以采取坑内降水或坑外降水两种方式。由于“绕流阻水”的影响，坑内降水总涌水量小于坑外降水总涌水量；但是坑外降水相对于坑内降水，更有利于降水井的管理、保护(图6和图7)。

我们知道，止水帷幕进入含水层越深，绕流阻水效果越强，但是止水帷幕进入含水层不同深度时，坑内降水与坑外降水的水量差异还缺少定量的分析。

本研究借助上述模型，通过分析地墙进入含水层深度不同时，坑内水位降至安全水位的标高，获得了所需的坑内降水总涌水量、坑外降水总涌水量及二者比值。

地墙深度由进入承压含水层0 m至10 m，按2 m增幅依次增加，共计6种工况。坑外降水井滤管总长度同上取为10 m，坑内降水井滤管长度与地墙进入含水层深度相同(地墙未进入时同坑外取10 m) (图8)。

Figure 6. Schematic diagram of dewatering outside the hanging water-stop wall

图6. 悬挂式止水帷幕坑外降水示意图

Figure 7. Schematic diagram of dewatering inside the hanging water-stop wall

图7. 悬挂式止水帷幕坑内降水示意图

Figure 8. Diagram of working conditions at different depths when the water-stop wall enters the aquifer

图8. 止水帷幕进入含水层不同深度工况图

Figure 9. Comparison of dewatering inflows inside and outside the pits at different depths when the water-stop wall enters the aquifer

图9. 止水帷幕进入含水层不同深度时坑内外降水涌水量对比曲线

基于上面的实际工况，计算结果如图9所示。当止水帷幕未进入承压含水层时，受布井等效半径的影响，坑外、坑内降水水量之比约1.6；随着地墙深度递增，坑外、坑内降水水量之比随之增加；当地墙进入含水层分别为6 m和8 m时，坑外、坑内水量之比分别达到4.3和4.9，坑内降水优势明显；当地墙进入含水层10 m，坑外井滤管与墙底平齐时，由于坑内下部存在强补给，坑外、坑内水量之比约34，坑外降水代价显著增大。

综上分析，悬挂式帷幕深度阻水效果与多种因素相关，主要控制因素是承压水层大小、隔水帷幕深度、坑内外降水涌水量等。

5. 工程验证

基于上述现场试验结果和计算分析，本临江深基坑止水帷幕深度进入承压含水层约6 m，采用坑内降水。经过上述模型计算，共需布设6口坑内降压井(含1口观测井)，以保证水位降至安全标高以下，总涌水量10,800 m³/d，单井水量2160 m³/d，预测水位标高等值线图如图10所示。

Figure 10. Contour map of confined water-level elevation after predicted dewatering

图10. 预测降水后承压水位标高等值线图

工程实践表明：当施工6口降压井并运行后，临江深基坑内水位标高即可降至安全水位标高以下，与预测结果基本吻合，且保证了深基坑的顺利开挖。

6. 结论

本文通过临江富含承压水深基坑减压降水现场试验，对于临江富含承压水的深基坑合理可行的减压降水方案进行了较深入的研究，并得到了工程实际的验证，主要结论如下：

1) 对于临江含有巨厚承压含水层的深基坑，止水帷幕仅进入含水层几米时，即有明显的绕流阻水作用，且坑内降水优势明显。

2) 如果需要坑外降水时，临江深基坑降水井滤管深度必须超过止水帷幕的深度，这样才能有效降低坑内水位。

3) 渗透系数、含水层厚度等参数的不同，将会对悬挂式止水帷幕绕流阻水效果带来不同的影响，后续研究可进一步考虑。