武漢永清商務區A1/2/3地塊群井抽水試驗分析與評價

侯國倫

(湖北省城市地質工程院，湖北 武漢　430072)

1　工程概況

武漢永清街綜合商務區A1、A2、A3地塊由三座超高層塔樓及多層裙樓建筑組成,樓高分別為:A1塔樓320 m(75層)、A2塔樓130 m(33層)、A3塔樓160 m(38層),規劃地上總建筑面積403 754 m2。三地塊設置三層連體地下室,基坑周長1 047 m,開挖深度塔樓區為16.1～21.3 m,其他區域為15.4 m,基坑開挖面積39 800 m2,擬采用“兩墻合一”地下連續墻作為基坑圍護體。項目位于武漢市漢口永清商務區,西臨武漢輕軌1號線,南為盧溝橋路,東臨中山大道,北面為長江二橋漢口引橋,周邊環境條件較為復雜,環境保護要求高,基坑工程重要性等級為一級。

基坑底部已進入承壓含水層中,基坑工程實施過程將面臨嚴峻的承壓水突涌和管涌問題,并可能波及周邊建筑及基礎設施,因此,必須采取降水措施。為提高降水設計的可靠性,采用群井(中深井)抽水試驗獲取隔水、降水參數。

2　場區地層結構與水文地質條件*湖北地礦建設勘察有限公司，武漢永清綜合發展項目A1/2/3地塊巖土工程勘察報告，2011。

2.1　地層結構

場區地層為典型的“二元結構”,即上粘下砂,第四系覆蓋層厚度達40余米,地層結構自上而下依次為:

(1) 雜填土(Qml)，雜色,結構松散,性質不均;

(4) 含砂礫巖(K-E),砂礫結構,鈣質膠結,礫石粒徑一般1～5 cm,強風化層中節理裂隙發育,中風化層巖芯較完整。

2.2　水文地質條件

場區地貌屬長江一級階地,西距長江約1 km左右,地面高程在22.22～24.98 m之間,較平坦。各層組地下水條件簡述如下:

(1) 雜填土層地下水類型主要為上層滯水,接受大氣降水補給,水量少,無統一自由水位,水量與周邊排泄條件關系密切。由于結構松散、局部厚度大,其地下水疏干易導致地面沉降的產生。

(2) 粘性土層根據室內滲透試驗測試,粘性土水平向滲透系數一般在1.44×10-7～7.85×10-7cm/s之間,為極微透水,屬相對隔水層。但(2-1)及(2-3)層夾粉土、粉砂等,其水平滲透系數大于垂直滲透系數,在滲透水流作用下易產生流土、流砂。

承壓水賦存于(3-1)層以及下砂性地層、卵石層及基巖裂隙中,與長江水系有緊密的水力聯系,并受其調節和控制,形成上下連通的大含水層。

根據區域水文資料表明,武漢地區長江一級階地砂土層中的承壓水水頭高度年變化幅度在3.0～5.0 m之間,孔隙承壓水歷史最高水位為22.0 m。試驗期間為長江平水期。通過對抽水井與水位觀測孔的水位觀測,承壓水水位埋深在地面以下10.80～11.40 m,相當于標高12.60～12.80 m 左右,低于正常承壓水位5.60～5.80 m。這是因為與本場地相隔的中山大道的A5地塊深基坑群井抽水,使場地承壓水位下降(A5區共有18口井進行群井降水,單井流量960～1 540 t/d)。

3　試驗方案

3.1　基本思路

抽水試驗場地按以下原則選擇：①試驗場地水文地質特征具有代表性；②具備施工條件，不影響未來施工場地布置；③試驗場地內抽水試驗不會對周邊建筑產生不良影響;④試驗場地布置于排水便利地段。

抽水試驗主要以承壓含水層(3)粉砂、粉細砂層為降水目標層,試驗包括三個方面:①單井抽水試驗;②群井抽水試驗;③在抽水試驗全過程中進行地面沉降觀測,根據降水可能的影響范圍布設沉降觀測點,以試驗區為中心,按由密而疏的原則布設。試驗方案布設見圖1。

3.2　抽水井與觀測井

本次抽水試驗共設抽水井4口,水位觀測井4口,抽水試驗井編號為C1、C2、C3、C4,觀測井G1、G2、G3、G4。抽水井井距為15 m,G1觀測井設于抽水井點正方形中心,與抽水井同深度,其余三個觀測井以G1為圓心,按3 m半徑等距離分布,以確定同等降水條件下,不同觀測層位地下水變化情況(圖1)。

圖1　試驗井點及沉降觀測布置圖Fig.1　Layout drawing of points of test well and settlement observation

抽水井、觀測孔孔徑均為Φ600 mm,井管直徑分別為Φ325 mm、Φ220 mm,鋼質井管,壁厚≥3.0 mm,濾管管眼直徑18 mm,呈梅花型排列,孔隙率≥15%,上部隔水層采用3～5 cm粘土球止水,下部含水層濾料為2～5 mm砂礫石。各試驗井(孔)參數見表1。

4　群井抽水試驗

4.1　單井試驗

4.1.1試驗情況

C1作為抽水井,井深40 m,抽取粉砂、粉細砂地層中承壓水,C2、C3、C4、G1、G2、G3、G4觀測地下水位變化。C1與C2、C3、C4、G1、G2、G3、G4距離分別為15 m、20 m、15 m、12.0 m、10.0 m、14.0 m、8.0 m。抽水情況見表2。

4.1.2主要水文參數計算

根據場地含水巖組的水文地質特征及抽水主井過濾器的下置深度及長度,選用帶二個觀測孔(G2和C3)的穩定流承壓非完整井條件下的對應計算公式計算水文地質參數滲透系數(K),即[1-2]:

(1)

影響半徑(R)計算公式選用經驗公式,即：

(2)

根據公式(1)、(2),水文地質參數計算結果如下:

K1=20.24 m/dR1=80 m

K2=18.02 m/dR2=100 m

K3=19.1 m/dR3=230 m

綜合分析,Kcp=19.12 m /d,R=230 m。

4.2　群井試驗

4.2.1試驗情況

群井抽水試驗于2010年5月15日7:30開始,至5月28日12:30結束。群井抽水試驗以C1、C2、C3、C4同時抽水,G1、G2、G3、G4進行水位觀測,4口井啟動抽水后出水基本正常。C1平均總出水量81.0 m3/h,C2平均總出水量80.0 m3/h,C3平均總出水量75 m3/h,C4平均總出水量80 m3/h(表3)。

4.2.2水文參數計算

表2　三次降深抽水試驗成果統計表Table 2　Statistical table of results of three pumping tests of drawdown

表3　群井抽水試驗數據表Table 3　Data table of test of multiple wells pumping

試驗表明上述單井出水量條件下水位均大于基坑最大深度18.00 m要求。

水位觀測孔降深由于孔深不同和含水介質的各相異性,故水位降深各不相同,上部為相對隔水層粘土和粉質粘土,其補給是同一含水層的側向補給,不存在越流補給。單井出水量80 m3/h,可保證水位迅速降低達到降深要求。采用大井法計算滲透系數,計算公式如下:

假定K、M、R、r不隨Q、Sw的變化,則Q、Sw成正比關系。本次試驗Q=7 584 m3/d、Sw取G1觀測孔降深4.46 m,半徑r為10.6 m,含水層厚度M為35.5 m。計算K=23.43 m/d,R=216 m。

4.3　地面沉降

為分析降水對周邊地面沉降的影響，分別進行了地表及建筑物沉降觀測，監測時間從2010年4月30日—2010年6月15日，并于2010年7月15日進行了最后一次監測。

從實際的地表監測情況來看,隨著降水井開始降水,離降水井近的監測點的沉降增加較明顯。尤其以降水井中心半徑60 m范圍內的監測點的變化為主(圖2)。其中DB63,DB64,DB65點離降水井較遠,其所在的地段靠近在建的A5地塊,A5地塊的基坑正在實施24 h不間斷降水,距基坑邊最近約6 m(DB65),最遠約10 m(DB63),因此DB63-DB65點的沉降變化并不能真實地反映A1A2A3降水井所產生的影響,其主要反映的是A5地塊在基坑開挖及基坑降水期間對周邊地表所產生的影響,且影響較明顯,而與之對應的DB66、DB67、DB68點的沉降卻一直很小,基本沒有什么變化。監測點的變化情況如下:累計沉降<5 mm的占61%,>20 mm的僅占3%。總體來說,此次降水并未對周邊地表產生特別明顯的影響。地表最大沉降量為32.44 mm(DB65),最小沉降量為0.16 mm(DB58)。

圖2　地表沉降變化與時間關系曲線Fig.2　Relation curve of sedimentation changes of surface and time

降水開始前的最大累計沉降變化為1.41 mm(DB32)，最小沉降變化為-0.05 mm(DB5)。

降水期間的最大累計沉降變化為13.85 mm(DB28)，最小沉降變化為-0.05 mm(DB51)。

降水停止，最大累計沉降變化為2.22 mm(DB10)，最小沉降變化0.00 m。

降水開始，沉降增加相對較快，降水停止，水位可得以很快恢復，沉降則趨于穩定或停止。

降水試驗并未對周邊建筑物產生太大的影響,建筑物的累計沉降全部都<3 mm,在0.22～2.82 mm之間,均遠遠小于警戒值,建筑物處于穩定狀態(圖3)。

圖3　建筑物沉降變化與時間關系曲線Fig.3　Relation curve of sedimentation changes of building and time

根據群井試驗及沉降檢測成果,與抽水試驗井距離較遠的DB63、DB64和DB65三個測點沉降最大,達到32.44 mm。出現此異常現象的原因是該三個測點與A5地塊基坑距離近,受A5地塊基坑降水影響所致。筆者收集了A5地塊降水資料,結合本次降水情況進行了共同作用的數值模擬。分析結果得出，降水后可能導致周邊沉降最大區域為共同作用區，模擬最大沉降值為46 mm，與監測情況基本吻合。

根據數值模擬結果，水位降深范圍與地表產生沉降范圍基本一致，約為中心井向外約60 m半徑區域，而產生明顯沉降范圍一般≤30 m，這與非共同作用區監測情況也是基本對應的。

總體來說，此次降水并未對周邊地表和建筑產生特別明顯的影響。因此，根據本次群井試驗條件進行工程降水達到降深時，基坑周邊一般不會產生明顯的沉降破壞。

5　基坑降水方案分析評價

根據單井試驗及群井試驗,含水層滲透系數(K)19.1 m/d,影響半徑選用230 m,當井深<40 m時,滲透系數及影響半徑將減小。結合模擬的基本條件,按以下兩種方案對基坑降水進行評價:

方案一周邊井深30 m,中部深40 m,滲透系數K值選K=19.0 m/d,降水井所抽取的地下水主要為粉細砂層中的地下水,影響半徑為150,200 m。

周邊共需要42口抽水泵量50 t/h 降水井,井深30 m。中部6口抽水泵量75 t/h 降水井,井深40 m，總抽水量2 550 t/h。

基坑范圍內水位降深7～10.5 m，最大沉降28 mm，外圍沉降一般<10 mm。

方案二周邊井深25 m,中部井深40 m,滲透系數K值選K=15.0 m/d,降水井所抽取的地下水主要為粉細砂層中的地下水,影響半徑為120,200 m。

周邊共需要44口抽水泵量40 t/h 降水井,井深25 m。中部12口抽水泵量75 t/h 降水井,井深40 m，總抽水量2 660 t/h。

基坑范圍內水位降深7～10.5 m，最大沉降36 mm，外圍沉降一般<10 mm。

根據數值模擬，兩種方案降水效果及外圍沉降情況基本相似，相比而言，方案二水位降幅較為均衡，但局部沉降偏大。二者降深及沉降值均小于試驗值，在效果和安全上應可以滿足要求，實際實施時，可根據場地條件選擇不同方案或調整井管布置。

6　結語

(1) 群井抽水試驗模擬基坑實施階段降水施工,在實驗條件下可盡可能接近設計降深,具有較好的試驗效果。

(2) 施工降水時,基坑帷幕已完成,坑外地下水大部被阻隔,降水井在同樣抽水量的條件下,水位降深會更大,降水效果會更好;在群井試驗基礎上,有利于將來實際基坑降水的實施控制,因而對實際基坑降水具有很好的指導作用。

(3) 基坑大面積降水時，由于施工周期長、干擾和不可預見因素較多，應在降水過程中加強基坑變形、地面沉降等監測工作，發現問題及時處理。

(4) 由于其成本費用高且試驗周期長,從經濟上分析，比較適用于周邊環境復雜、保護程度高的基坑項目。

參考文獻：

[1]GB50027—2001，供水水文地質勘察規范[S].

[2]水文地質手冊[M].北京：地質出版社,1978.