许程(镇江市勘察测绘研究院,江苏镇江 212000)

南京某深基坑工程降水试验分析

许程∗
(镇江市勘察测绘研究院,江苏镇江 212000)

摘 要:基坑开挖过程中的地下水降排往往会影响到基坑安全和环境安全等诸多问题。为消除或减弱该类风险,开展了专项水文地质试验。本文列举了基坑环境水文地质评价的主要内容,分析基坑地下水控制引起的环境变化,提出基坑工程地下水控制措施的建议,为类似基坑工程的地下水控制分析提供了借鉴意义。

关键词:基坑;地下水控制;环境变形;降水试验

1 工程概况

某大型深基坑工程位于南京河西中心区,该项目包括2栋100 m高的框架-核心筒结构塔楼和3层框架结构裙房,并设4层框架结构地下室。场地现状地面标高约8．50 m,基坑坑底标高为-14．00 m,开挖深度大于20 m。

场地土层分布及物理参数如表1所示。

土层物理参数 表1

场地地下水场地地下水可分为潜水及弱承压水。潜水由浅部的人工填土层、②-1层、②-2层和②-3层软弱黏性土构成含水层组,弱承压水由深部的②-4层粉砂、②-5层粉细砂构成含水层组。

本文以此基坑工程为例,通过一系列降水试验措施,了解承压水水头埋深分布,取得承压含水层的详细水文地质参数,掌握承压水土层与相邻土层的水力联系情况,从而为制定经济、合理的承压水设计处理方案以及分析与预测降压降水施工过程中对基坑周边邻近地铁隧道、建筑、道路及市政管线的影响提供依据。

2 降水试验安排

2．1降水井布置

为减少试验过程对周边环境造成的负面影响,选择在基坑中部进行。

本次抽水试验抽水层位为②-5层,抽水井(井号S1～S8)均布置在该层,为获取准确的水文地质参数和研究上部含水层与②-5层的水力联系,观测井分别布置在②-2层(井号G2)、②-3层(井号G3)、②-5 层(井号G1、G4～G6)。

根据试验目的和计算要求,抽水井及观测井的布置符合以下要求:

(1)抽水井S1～S6呈正六边形布置,孔距约20．0 m,孔深为44 m～48 m,滤水管长度分别为6 m～10 m;抽水井S7、S8位于六边形中部,孔深为50 m,滤水管长度为10 m。

(2)观测孔G1、G2、G3均位于正六边形中心地带;观测孔G4、G5、G6间隔布置在群井外侧。

2．2地面沉降监测点、深层土体沉降标和孔隙水压力

监测点布置

为观测地面沉降量,选择8×8沉降监测网络,以降水井六边形中心为中心,向外围分别延伸35 m,每10 m布置一个沉降监测点,共计64个沉降监测点[1]。

为观测抽水试验过程中特定区域内的深层土体沉降,在降水试验区域范围内布置2组监测点,区域范围外按外围观测井附近布置,共布置4组监测点[2],每组监测点需对②-2层、②-3层、②-5层土体进行分层沉降观测。

为观测各层土的孔隙水压力,在G2、G3观测孔旁各施工1个孔隙水压力孔,孔号分别为K1、K2,每个孔内埋设3个孔隙水压力计。

降水试验总平面图如图1所示,观测井、孔隙水压力及分层沉降点剖面图如图2所示。

图1 降水试验总平面图

图2观测井、孔隙水压力及分层沉降点剖面图

2．3降水试验过程

(1)单井试验:实测观测井水位降深,通过观测井的水位降深-时间曲线及单井出水量等,确定含水层的水文地质参数。

(2)群井试验:开启6口井(S1～S6)抽水时,观测水位降深情况;补增2口井(S7、S8),8口井群井降水时,观测水位降深情况。整个降水过程中,对地面沉降、孔隙水压力及分层沉降进行监测,绘制降水引起的周边沉降等值线等。

3 降水试验成果分析

3．1单井降水试验

成井结束后允许地下水位恢复,抽单井S2,观测观测井(G1～G6)水位变化情况。

单井试验过程中,抽取承压水,上部潜水观测井水位基本未发生变化,承压含水层观测井水位降深随着远离抽水井,水位降深幅度减小。

根据相关理论,在含水层厚度和径向距离的比值r/ M<1．5～2．0的区段内,流线有明显的弯曲,而且离不完整井愈近,弯曲的愈厉害,形成三维流区。但在r/ M＞1．5～2．0的地方,流线区域平行层面,垂直分速度很小,由三维流逐渐过渡为平面径向流[3]。本工程含水层厚度为29 m,1．5～2．0倍的范围为43．5 m～ 58 m以为可以认为为平面径向流,采用直线法计算含水层的影响半径,符合条件的观测井为G5和G6,如图3所示。

图3　影响半径计算简图

影响半径:R=(s5r6-s6r5) / (s5-s6)= 130m

利用Theis公式的近似表达式Jacob公式,近似计算含水层水力参数,并对所得结果进行工程分析[4]。

上式表明s与lgt呈线性关系,利用直线斜率可求出导水系数T,利用直线截距和斜率可以求出贮水系数μ∗,如图4所示。

图4　观测井G1水位降深-时间曲线图

图5　观测井G1的s-lgt直线图

从图5直线斜率i=0．468 1,直线在降深s轴上的截距为0．004 4 m;试验中观测井G1距抽水井S2距离r=20 m;试验中抽水井流量Q为1 171 m3/ d,降以上数值代入式得到:×

根据详细勘察报告,场区含水层的平均厚度M= 29 m,渗透系数K=T/ M=418．98/29=14．4 m/ d。

3．2群井降水试验

成井结束后分别对各抽水试验井进行试抽水,8口降水井(S1～S8)单井出水量大约保持在38 m3/ h ～46 m3/ h(912 m3/ d～1 104 m3/ d)范围内,由此可知场地区域承压含水层水量丰富,渗透性好,需采取一定的措施(如增加渗流途径,减小水力坡度等)以降低降排承压水的难度和风险。

群井降水开始时,先开启降水井S1～S6,观测井G1最终水位稳定在地面以下13．87 m,之后增开降水井S7、S8,观测井G1最终水位降至地面以下16．92 m。群井试验期间各观测井水位埋深随时间的变化如图6所示。

图6　各观测井水位埋深-时间曲线图

降水过程中,根据外围设置的观测井G4、G5、G6可绘制降水漏斗曲线估算群井试验的降水影响范围,见表2。

降水影响范围估算参数表 表2

观测井G1、G4～G6主要针对②-5层,群井试验过程中,观测水位均有比较明显的变化;观测井G2、G3分别针对②-2层、②-3层,群井抽水过程中,观测水位变化幅度均很小,且水位下降明显滞后于②-5层,由此可判断承压含水层与上部土层性质差别较大,水力联系很弱。

3．3地面沉降监测

群井降水试验期间,监测区域最大地面沉降量约13 mm,降水区域内的监测点沉降量为8 mm ～13 mm,停止抽水后沉降量有回升趋势。部分地面沉降随时间变化情况如图7～图9所示,试验区域地面沉降观测点累计沉降情况如图10所示。

图7　D1断面地面沉降-时间曲线图

图8　D5断面地面沉降-时间曲线图

图9　D8断面地面沉降-时间曲线图

图10　沉降观测点累计沉降三维立体图

群井试验过程中,地面沉降点有共同的变化趋势,可知降水导致的水位变化会对环境造成一定影响[5]。

最外围监测点D1、D1-7、D8及D8-7距离降水中心49．5 m,其沉降变化幅度均不超过3 mm。就本次群井降水而言,在无止水帷幕绕流作用的情况下,降水对周边环境的影响范围约50 m,而对于有止水帷幕的基坑工程而言,控制承压含水层水头变化幅度可有效减小降水对坑外环境的不利影响。

3．4深层土体沉降监测

从F1～F4孔内垂直分布的测点沉降量分析,土层的上部沉降量最大,下部的沉降量最小,由下至上沉降量逐渐增大,分析为各土层沉降累加的结果。

F1、F2位于降水中心区域的对称位置上,变化规律一致,且土层沉降发生时间相对降水滞后一段时间。

F3、F4位于降水中心区域之外,沉降变化量较小,结合F3、F4处承压水观测井G4、G5水位降深约3 m,分析得出在基坑降水过程中通过止水帷幕的绕流效应控制坑外水位变化在3 m左右可有效降低降水引起的环境问题。若坑外水位变化幅度较大,可采用适当措施(如增加回灌井)减小不利影响。

3．5孔隙水压力监测

试验过程中,浅部土层中孔隙水压力有随着承压水变化的趋势,但变化幅度很小,上部潜水与承压水水力联系较弱;此外,与观测井相比,孔隙水压力灵敏度稍逊一筹。孔隙水压力随时间变化情况如图11、图12所示。

图11　K1孔隙水压力变化曲线图

图12　K2孔隙水压力变化曲线图

4 结 论

本次试验有针对性地进行单井及群井降水试验,获取场区的基本水文地质参数,为后续结合地下水渗流规律及基坑工程的实际情况,利用有限元耦合含水层的水文地质参数,优化基坑降水设计与施工细节提供了依据,进而使“围护-降水”一体化设计[6]的基坑设计思路逐步得到认可和推广。

通过本基坑工程降水试验,可知使用管井降水可以有效降低承压水水头;通过各观测井与孔隙水压力的监测,可判断上部土层与承压含水层水力联系较弱,且水位下降相对于承压含水层滞后;通过地面沉降及深层土体沉降监测,分析得出水位下降引起土体应力变化[7],进而引发各深度土体的压缩变形,最终表现为区域地面沉降。因此,对于需要进行降水的基坑工程,可通过设置止水帷幕等措施减小坑内降水引起的坑外水位降深,从而弱化对周边环境产生的不利影响。

参考文献

[1] JGJ 8-2007．建筑变形测量规范[S]．

[2] GB 50497-2009．建筑基坑工程监测技术规范[S]．

[3] 薛禹群．地下水动力学原理[M]．北京:地质出版社,1989．

[4] 姚天强,石振华．基坑降水手册[M]．北京:中国建筑工业出版社,2006．

[5] 陆建生,崔永高,缪俊发．基坑工程环境水文地质评价[J]．地下空间与工程学报,2011．

[6] 陆建生．悬挂式帷幕基坑地下水控制中的尺度效应[J]．工程勘察,2015．

[7] 张莲花,李荣强,刘德坊．基坑降水总应力变化时有效应力增量和沉降量计算[J]．中国地质灾害与防治学报,2001．

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

文章编号:1672-8262(2015)06-154-05中图分类号:TU46+3

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—08—26

作者简介:许程(1987—),男,助理工程师,从事岩土工程勘察设计等技术工作。