利用水位擬合法確定復雜繞流邊界下海上圓筒內的含水層參數

謝錦波，吳心怡，邱松，徐立新

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

規范及傳統理論提供的由抽水試驗分析水文地質參數的計算方法都基于均質、水平含水層以及較簡單邊界條件的假定[1-2]。近年來，越來越多的抽水試驗涉及到越流、繞流等復雜的水文邊界[3-4]。隨著計算機技術的發展，迭代法、配線法等開始應用于抽水試驗的結果分析[5-6]，肖長來等在求解含水層參數時采用了全程曲線擬合的方法[7]。

Plaxis巖土工程有限元分析軟件近年來較多應用于巖土工程的變形、穩定性等問題[8]，而其自帶的滲流模塊也同時具備解決地下水滲流問題的功能。鄭穎人等采用Plaxis滲流模塊對涉水岸坡的水位變化進行了模擬計算，并與解析解、經驗概化解進行了對比分析，驗證了本軟件用于滲流計算的準確性[9]。本文結合某人工島工程海上格形鋼板樁圓筒內的抽水試驗資料，采用Plaxis軟件建立模型對含水層參數進行了擬合計算，取得了理想的效果。

1 場地邊界及試驗概況

1.1 工程概況與試驗邊界

某人工島工程島壁部分采用格形鋼板樁圓筒作為擋土結構，圓筒由主、副格相互連接形成整體，主格直徑約31 m。按照施工方案，先水上施打碎石樁形成復合地基，然后打設格形鋼板樁圓筒，筒內回填砂。圓筒完成后在筒外側拋石護坡、分層填筑海堤，筒內側回填砂、施打塑料排水板，繼續堆載預壓加固地基。

在圓筒內開展抽水試驗時，圓筒內外預先施打了碎石樁，筒內已完成回填砂，但圓筒外部還未填筑。試驗場地原泥面標高約-7.5 m，海床面以下主要有兩種土層，一是海相沉積淤泥，二是沖積土，試驗場地處的沖積土層為黏土與砂層。圓筒內部及臨近圓筒位置施打1 m直徑、3 m間距的碎石樁，后施打C111圓筒并回填滲透性良好的回填砂。試驗場地典型斷面見圖1。

圖1 抽水試驗場地斷面圖Fig.1 Section of pumping test condition

格形板樁將筒內與筒外海水隔離，形成止水帷幕，筒內碎石樁與底部沖積土砂層形成滲流通道。由于圓筒邊界條件的限制，抽水試驗主要目的是探明筒內回填砂滲透系數以及海水通過筒外碎石樁、碎石樁底部砂層，經筒內碎石樁進入筒內的繞流滲透能力。

1.2 試驗布置

筒內抽水試驗布置1組抽水試驗孔，共計1個抽水主孔（W1）和6個觀測孔（G1~G6）。試驗布置兩條觀測線，分別垂直與平行于海墻軸線方向。詳細井點平面布置見圖2。

圖2 抽水試驗井點平面布置圖（單位：m）Fig.2 Layout of pumping test wells（m）

開始抽水后，用時8 d使筒內地下水達到穩定流狀態。保持穩定水位4 d后，試驗井停泵，保持抽水井與各觀測井的水位記錄直至水位恢復至正常狀態。

2 數學模型與擬合計算

2.1 模型建立與說明

由于傳統理論提供的水文地質參數計算方法無法用于豎向繞流的數據分析。按照場地邊界及試驗布置，采用Plaxis有限元軟件二維滲流模塊建立軸對稱滲流分析模型。X軸方向范圍50 m，Y軸方向范圍55 m，采用板單元止水邊界模擬格形鋼板樁，抽水線模擬抽水井。根據工程勘察資料，原狀海相淤泥土滲透系數5.6×10-8cm/s，原狀沖積土砂滲透系數1.0×10-2cm/s。碎石樁范圍內海相淤泥、沖積土作為復合土層以考察碎石樁對原狀土滲透系數的加強作用，抽水試驗有限元模型見圖3。

圖3 抽水試驗分析模型Fig.3 Numerical model of pumping test

2.2 擬合計算

按照試驗過程中不同時間下的各個井觀測數據，計算模型調整回填砂、碎石樁與原土層復合滲透系數來擬合實際的試驗數據。抽水井及觀測井G3的計算曲線與試驗數據的擬合情況見圖4、圖5。

圖4 抽水井W1水位擬合曲線Fig.4 Drawdown matching curve for pumping well W1

圖5 觀測井G3水位擬合曲線Fig.5 Drawdown matching curve for observation well G3

最終擬合分析得出回填砂的滲透系數為3.6×10-2cm/s，原淤泥土層與碎石樁形成的復合土層的豎向滲透系數為1.4×10-3cm/s。

3 結語

隨著圍海造地、人工島等向深水區發展，以及降水預壓處理軟土地基的應用，探明圍護結構、復合地基等復雜滲流邊界條件的水文地質參數等日趨重要。本文介紹了一種采用商業有限元軟件Plaxis建立數學模型，來分析海上圓筒中繞流邊界條件下的抽水試驗資料，提供了一種規范與傳統理論公式以外的，更適用的水位地質參數擬合分析方法。同時，在水位擬合過程中采用了抽水期間和水位恢復期間的全部觀測資料，使得所求含水層參數的可靠性大大提高。

值得注意的是，雖然有限元方法擬合分析抽水試驗數據得出的水文地質參數具有較高的合理性及準確性，但海上邊界條件的復雜性，以及模型中使用的原狀土滲透系數等條件的離散性對計算結果均有一定的影響。因此在使用有限元模型擬合所得的水文地質參數時，以及在后續方案的應用中應考慮原始數據的離散性，進行一定的靈敏性分析，并且在制作方案的過程中考慮一定的安全系數。