許程(鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院,江蘇鎮(zhèn)江 212000)

南京某深基坑工程降水試驗分析

許程?
(鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院,江蘇鎮(zhèn)江 212000)

摘 要:基坑開挖過程中的地下水降排往往會影響到基坑安全和環(huán)境安全等諸多問題。為消除或減弱該類風險,開展了專項水文地質(zhì)試驗。本文列舉了基坑環(huán)境水文地質(zhì)評價的主要內(nèi)容,分析基坑地下水控制引起的環(huán)境變化,提出基坑工程地下水控制措施的建議,為類似基坑工程的地下水控制分析提供了借鑒意義。

關(guān)鍵詞:基坑;地下水控制;環(huán)境變形;降水試驗

1 工程概況

某大型深基坑工程位于南京河西中心區(qū),該項目包括2棟100 m高的框架-核心筒結(jié)構(gòu)塔樓和3層框架結(jié)構(gòu)裙房,并設4層框架結(jié)構(gòu)地下室。場地現(xiàn)狀地面標高約8．50 m,基坑坑底標高為-14．00 m,開挖深度大于20 m。

場地土層分布及物理參數(shù)如表1所示。

土層物理參數(shù) 表1

場地地下水場地地下水可分為潛水及弱承壓水。潛水由淺部的人工填土層、②-1層、②-2層和②-3層軟弱黏性土構(gòu)成含水層組,弱承壓水由深部的②-4層粉砂、②-5層粉細砂構(gòu)成含水層組。

本文以此基坑工程為例,通過一系列降水試驗措施,了解承壓水水頭埋深分布,取得承壓含水層的詳細水文地質(zhì)參數(shù),掌握承壓水土層與相鄰土層的水力聯(lián)系情況,從而為制定經(jīng)濟、合理的承壓水設計處理方案以及分析與預測降壓降水施工過程中對基坑周邊鄰近地鐵隧道、建筑、道路及市政管線的影響提供依據(jù)。

2 降水試驗安排

2．1降水井布置

為減少試驗過程對周邊環(huán)境造成的負面影響,選擇在基坑中部進行。

本次抽水試驗抽水層位為②-5層,抽水井(井號S1～S8)均布置在該層,為獲取準確的水文地質(zhì)參數(shù)和研究上部含水層與②-5層的水力聯(lián)系,觀測井分別布置在②-2層(井號G2)、②-3層(井號G3)、②-5 層(井號G1、G4～G6)。

根據(jù)試驗目的和計算要求,抽水井及觀測井的布置符合以下要求:

(1)抽水井S1～S6呈正六邊形布置,孔距約20．0 m,孔深為44 m～48 m,濾水管長度分別為6 m～10 m;抽水井S7、S8位于六邊形中部,孔深為50 m,濾水管長度為10 m。

(2)觀測孔G1、G2、G3均位于正六邊形中心地帶;觀測孔G4、G5、G6間隔布置在群井外側(cè)。

2．2地面沉降監(jiān)測點、深層土體沉降標和孔隙水壓力

監(jiān)測點布置

為觀測地面沉降量,選擇8×8沉降監(jiān)測網(wǎng)絡,以降水井六邊形中心為中心,向外圍分別延伸35 m,每10 m布置一個沉降監(jiān)測點,共計64個沉降監(jiān)測點[1]。

為觀測抽水試驗過程中特定區(qū)域內(nèi)的深層土體沉降,在降水試驗區(qū)域范圍內(nèi)布置2組監(jiān)測點,區(qū)域范圍外按外圍觀測井附近布置,共布置4組監(jiān)測點[2],每組監(jiān)測點需對②-2層、②-3層、②-5層土體進行分層沉降觀測。

為觀測各層土的孔隙水壓力,在G2、G3觀測孔旁各施工1個孔隙水壓力孔,孔號分別為K1、K2,每個孔內(nèi)埋設3個孔隙水壓力計。

降水試驗總平面圖如圖1所示,觀測井、孔隙水壓力及分層沉降點剖面圖如圖2所示。

圖1 降水試驗總平面圖

圖2觀測井、孔隙水壓力及分層沉降點剖面圖

2．3降水試驗過程

(1)單井試驗:實測觀測井水位降深,通過觀測井的水位降深-時間曲線及單井出水量等,確定含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。

(2)群井試驗:開啟6口井(S1～S6)抽水時,觀測水位降深情況;補增2口井(S7、S8),8口井群井降水時,觀測水位降深情況。整個降水過程中,對地面沉降、孔隙水壓力及分層沉降進行監(jiān)測,繪制降水引起的周邊沉降等值線等。

3 降水試驗成果分析

3．1單井降水試驗

成井結(jié)束后允許地下水位恢復,抽單井S2,觀測觀測井(G1～G6)水位變化情況。

單井試驗過程中,抽取承壓水,上部潛水觀測井水位基本未發(fā)生變化,承壓含水層觀測井水位降深隨著遠離抽水井,水位降深幅度減小。

根據(jù)相關(guān)理論,在含水層厚度和徑向距離的比值r/ M<1．5～2．0的區(qū)段內(nèi),流線有明顯的彎曲,而且離不完整井愈近,彎曲的愈厲害,形成三維流區(qū)。但在r/ M＞1．5～2．0的地方,流線區(qū)域平行層面,垂直分速度很小,由三維流逐漸過渡為平面徑向流[3]。本工程含水層厚度為29 m,1．5～2．0倍的范圍為43．5 m～ 58 m以為可以認為為平面徑向流,采用直線法計算含水層的影響半徑,符合條件的觀測井為G5和G6,如圖3所示。

圖3　影響半徑計算簡圖

影響半徑:R=(s5r6-s6r5) / (s5-s6)= 130m

利用Theis公式的近似表達式Jacob公式,近似計算含水層水力參數(shù),并對所得結(jié)果進行工程分析[4]。

上式表明s與lgt呈線性關(guān)系,利用直線斜率可求出導水系數(shù)T,利用直線截距和斜率可以求出貯水系數(shù)μ?,如圖4所示。

圖4　觀測井G1水位降深-時間曲線圖

圖5　觀測井G1的s-lgt直線圖

從圖5直線斜率i=0．468 1,直線在降深s軸上的截距為0．004 4 m;試驗中觀測井G1距抽水井S2距離r=20 m;試驗中抽水井流量Q為1 171 m3/ d,降以上數(shù)值代入式得到:×

根據(jù)詳細勘察報告,場區(qū)含水層的平均厚度M= 29 m,滲透系數(shù)K=T/ M=418．98/29=14．4 m/ d。

3．2群井降水試驗

成井結(jié)束后分別對各抽水試驗井進行試抽水,8口降水井(S1～S8)單井出水量大約保持在38 m3/ h ～46 m3/ h(912 m3/ d～1 104 m3/ d)范圍內(nèi),由此可知場地區(qū)域承壓含水層水量豐富,滲透性好,需采取一定的措施(如增加滲流途徑,減小水力坡度等)以降低降排承壓水的難度和風險。

群井降水開始時,先開啟降水井S1～S6,觀測井G1最終水位穩(wěn)定在地面以下13．87 m,之后增開降水井S7、S8,觀測井G1最終水位降至地面以下16．92 m。群井試驗期間各觀測井水位埋深隨時間的變化如圖6所示。

圖6　各觀測井水位埋深-時間曲線圖

降水過程中,根據(jù)外圍設置的觀測井G4、G5、G6可繪制降水漏斗曲線估算群井試驗的降水影響范圍,見表2。

降水影響范圍估算參數(shù)表 表2

觀測井G1、G4～G6主要針對②-5層,群井試驗過程中,觀測水位均有比較明顯的變化;觀測井G2、G3分別針對②-2層、②-3層,群井抽水過程中,觀測水位變化幅度均很小,且水位下降明顯滯后于②-5層,由此可判斷承壓含水層與上部土層性質(zhì)差別較大,水力聯(lián)系很弱。

3．3地面沉降監(jiān)測

群井降水試驗期間,監(jiān)測區(qū)域最大地面沉降量約13 mm,降水區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測點沉降量為8 mm ～13 mm,停止抽水后沉降量有回升趨勢。部分地面沉降隨時間變化情況如圖7～圖9所示,試驗區(qū)域地面沉降觀測點累計沉降情況如圖10所示。

圖7　D1斷面地面沉降-時間曲線圖

圖8　D5斷面地面沉降-時間曲線圖

圖9　D8斷面地面沉降-時間曲線圖

圖10　沉降觀測點累計沉降三維立體圖

群井試驗過程中,地面沉降點有共同的變化趨勢,可知降水導致的水位變化會對環(huán)境造成一定影響[5]。

最外圍監(jiān)測點D1、D1-7、D8及D8-7距離降水中心49．5 m,其沉降變化幅度均不超過3 mm。就本次群井降水而言,在無止水帷幕繞流作用的情況下,降水對周邊環(huán)境的影響范圍約50 m,而對于有止水帷幕的基坑工程而言,控制承壓含水層水頭變化幅度可有效減小降水對坑外環(huán)境的不利影響。

3．4深層土體沉降監(jiān)測

從F1～F4孔內(nèi)垂直分布的測點沉降量分析,土層的上部沉降量最大,下部的沉降量最小,由下至上沉降量逐漸增大,分析為各土層沉降累加的結(jié)果。

F1、F2位于降水中心區(qū)域的對稱位置上,變化規(guī)律一致,且土層沉降發(fā)生時間相對降水滯后一段時間。

F3、F4位于降水中心區(qū)域之外,沉降變化量較小,結(jié)合F3、F4處承壓水觀測井G4、G5水位降深約3 m,分析得出在基坑降水過程中通過止水帷幕的繞流效應控制坑外水位變化在3 m左右可有效降低降水引起的環(huán)境問題。若坑外水位變化幅度較大,可采用適當措施(如增加回灌井)減小不利影響。

3．5孔隙水壓力監(jiān)測

試驗過程中,淺部土層中孔隙水壓力有隨著承壓水變化的趨勢,但變化幅度很小,上部潛水與承壓水水力聯(lián)系較弱;此外,與觀測井相比,孔隙水壓力靈敏度稍遜一籌?？紫端畨毫﹄S時間變化情況如圖11、圖12所示。

圖11　K1孔隙水壓力變化曲線圖

圖12　K2孔隙水壓力變化曲線圖

4 結(jié) 論

本次試驗有針對性地進行單井及群井降水試驗,獲取場區(qū)的基本水文地質(zhì)參數(shù),為后續(xù)結(jié)合地下水滲流規(guī)律及基坑工程的實際情況,利用有限元耦合含水層的水文地質(zhì)參數(shù),優(yōu)化基坑降水設計與施工細節(jié)提供了依據(jù),進而使“圍護-降水”一體化設計[6]的基坑設計思路逐步得到認可和推廣。

通過本基坑工程降水試驗,可知使用管井降水可以有效降低承壓水水頭;通過各觀測井與孔隙水壓力的監(jiān)測,可判斷上部土層與承壓含水層水力聯(lián)系較弱,且水位下降相對于承壓含水層滯后;通過地面沉降及深層土體沉降監(jiān)測,分析得出水位下降引起土體應力變化[7],進而引發(fā)各深度土體的壓縮變形,最終表現(xiàn)為區(qū)域地面沉降。因此,對于需要進行降水的基坑工程,可通過設置止水帷幕等措施減小坑內(nèi)降水引起的坑外水位降深,從而弱化對周邊環(huán)境產(chǎn)生的不利影響。

參考文獻

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Pumping Test Analysis of a Deep Foundation Pit in Nanjing

Xu Cheng
(Zhenjiang Urban Investigation and Surveying Institute,Zhenjiang 212000,China)

Abstract:The groundwater pumping in the foundation excavation tend to affect many problems including the excavation safety and environmental safety．In order to eliminate or reduce the risks,a special hydrogeological test is carried out．In this paper,the main contents of the environmental hydrogeological evaluation of foundation pit are listed,the environmental changes caused by the groundwater control of foundation pit are analyzed,and the suggestion of the groundwater control measures for foundation pit engineering is put forward,which provides a reference for groundwater control analysis of similar foundation pit engineering．

Key words:foundation excavation;groundwater;environmental deformation;pumping test

文章編號:1672-8262(2015)06-154-05中圖分類號:TU46+3

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—08—26

作者簡介:許程(1987—),男,助理工程師,從事巖土工程勘察設計等技術(shù)工作。