某地鐵車站抽水試驗及降水方案數值模擬*

李雄威 史貴才 朱建群 王 勇

(1.常州工學院土木建筑工程學院，213002,常州； 2.中國科學院武漢巖土力學研究所，430071，武漢∥第一作者,副教授)

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某地鐵車站抽水試驗及降水方案數值模擬*

李雄威1史貴才1朱建群1王 勇2

(1.常州工學院土木建筑工程學院，213002,常州； 2.中國科學院武漢巖土力學研究所，430071，武漢∥第一作者,副教授)

以常州某地鐵車站項目為對象,針對地鐵車站降水施工,先進行抽水試驗,然后針對抽水試驗開展數值仿真分析；并在獲得有效結果的基礎上,展開整個降水施工的數值仿真模擬,依據可靠的仿真分析結果,優化了降水設計。地鐵車站的施工過程中,地下水位和水頭均在設計控制范圍內,降水方案確保了施工安全,使后續施工按期完成。

地鐵車站; 抽水試驗; 降水壓; 數值模擬

Author′s address School of Civil Engineering & Architecture,Changzhou Institute of Technology,213002,Changzhou，China

降水是確保地鐵車站、重大基坑項目和其它地下工程施工安全的重要一環[1-3]。而降水方案又要依據不同地區的工程地質和水文地質條件進行針對性的設計[4-6]。在缺乏相關降水經驗的時候,往往會進行抽水試驗,對單井或群井的出水能力及相應地質環境補水狀態進行評價,為降水方案設計提供依據。但抽水試驗僅能對局部地質環境的降水狀態進行評估,缺乏對整個工程項目降水效率和降水影響的客觀分析,所以,有時會結合數值仿真模擬,對降水方案進行深入和全面分析。

本文針對某地鐵車站降水施工,先進行抽水試驗,然后針對抽水試驗開展數值模擬計算分析,在獲得有效成果基礎上,展開整個降水施工的數真模擬,模擬分析結果,優化降水設計方案。

1 工程概況

本地鐵車站為滬寧城際鐵路常州站北廣場工程中的預留項目。該北廣場項目集火車站、長途客運站、地鐵車站、公交樞紐站、社會停車場及出租車停靠站等多種交通設施于一體,還包含商業和商務辦公等功能設施。工程項目于2009年3月開工,于2010年4月竣工。地下工程中預留的地鐵車站長度為181.6 m,標準段寬度為22.9 m,埋深為19.77 m;南北端頭井寬27.2 m,埋深分別為21.5 m和21.15 m。基坑圍護結構采用樁徑為800 mm的鉆孔灌注樁。基坑圍護結構外側的止水帷幕采用三軸深層水泥土攪拌樁(樁徑為850 mm)。

本工程周邊環境復雜,承壓水抽水對環境影響較大,施工時對減壓降水工程提出了很高的要求。為充分觀測和掌握承壓水抽水引起含水層地下水位變化的特征,并為降壓井的運行制定詳細準確的方案,進行了必要的抽水試驗。

2 場地地質及水文地質條件

2.1 場地地質條件

根據勘察報告,由地層成因、土性不同和物理學差異,擬建場地在一定深度范圍內可劃分成不同的層次,各土層的土性特征見表1。

表1 土層分布

2.2 水文地質條件

場地淺部土層中的地下水屬于潛水類型,其動水位變化主要受控于大氣降水和地面蒸發,地下水位豐水期較高,枯水期較低。水位埋深一般為0.5～2.0 m。

根據地質勘察資料。第Ⅰa層承壓水主要埋藏于⑥～⑦層粉土、粉砂中;第Ⅰb層承壓水主要埋藏于層粉土夾粉質黏土及層粉砂中,與長江水、運河水呈補、逕、排關系。

對于⑥～⑦層粉土、粉砂層已經由圍護全部隔斷,且在土方開挖時也將其全部挖除。對本場地有影響的承壓水主要賦存于第層承壓含水層,水量較大,含水層的補給以側向徑流補給為主,補給速度相對較快,排泄主要是人工開采和側向徑流流出。故而本次抽水試驗主要針對層粉砂層。據本區域水文地質資料,第層承壓含水層頂板最淺埋深約27.7 m,承壓水頭埋深為黃海高程-2.85 m。即承壓水位埋深為地面以下6.78 m。

3 抽水試驗

2009年7月在基坑內進行群井試驗。根據該地區水文地質條件以及現場條件,進行了非穩定流的群井抽水試驗試驗,共選擇了北端頭井的3口降壓井為本次抽水試驗井。其中包括2口抽水井和1口觀測井。

一般根據基坑面積按單井有效抽水面積A(井的經驗值為一般為20～300 m2)來確定,而經驗值是根據場地潛水含水層的特性及基坑的平面形狀來確定。根據以往的布井經驗,結合基坑的形狀,按每300 m2布一口井來計算;采用多級濾水管,加真空的措施,以確保每口井的出水量[7-10]。抽水井分布和構造如圖1。

抽水試驗主要目的包括3方面:①提供本場地不需要降承壓水的臨界開挖深度;②獲得水位降深與抽水時間、水位恢復與停抽時間之間的規律,為確定合理的降壓井抽水時間提供依據;③為建立基坑降水數值模擬模型提供依據。

圖1 抽水井布置

群井抽水試驗從2009年07月09日開始。05月09日05:00啟動Y10、Y12抽水,并對Y11進行觀測。2口試驗抽水井啟動后出水正常,到2009年7月11日01:00停止抽水,7月11日至7月12日進行水位恢復觀測。

3.1 群孔抽水試驗井流動態特征

Y10井出水量平均為7.8 m3/h,Y12井出水量平均為8.2 m3/h,群孔抽水試驗抽水近2 d,井的出水能力并無衰減。2口井的平均日出水量約為384 m3。具體出水量如圖2所示:

圖2 Y12、Y10井出水量曲線

3.2 群孔抽水試驗觀測井水位動態特征

觀測井Y11位于2口抽水井的中間區域,基本能夠反映群井抽水過程中,群井降深最大區域的水位特征。根據觀測井的水位動態變化曲線可以得到水位變化規律(如圖3所示)。在抽水24 h后,水位基本穩定,觀測井水位可降至22 m。在停抽后15 h時,水位可以恢復77%,即水位上升至16m。由此看來,基坑內的降壓井都能夠在抽水后及時發生水位變化(見表2),而且變化趨勢明顯(抽水后24 h水位基本穩定,停抽后15 h基本恢復)。說明含水層的導水能力較好,對于水位變化的響應較快。

圖3 群井抽水試驗觀測井水位變化曲線

4 群井抽水試驗數值模擬

布設觀測井的目的是為了了解抽水井在抽水時,承壓水頭變化的過程。針對試驗場地,在抽水試驗中布設觀測井的原則是“既具有代表性,又能有效反映出場地內外水位變化特征”。本節通過含水層水文地質參數和群井試驗取得的井流和水位觀測數據,通過數值模擬的方法反演分析,取得整個場地以及周圍區域的承壓水頭變化規律。

4.1 地下水數學模型的原理

表2 群孔抽水試驗觀測孔地下水位變化值

地下水流和土體是由固體、液體、氣體三相體組成的空間三維系統,土體可模型化為多孔介質，因此求解地下水問題就可以簡化為求解地下水在多孔介質中流動的問題。這可用地下水流連續性方程及其定解條件式來描述。

式中：

Q——第二類邊界條件下，承壓含水層邊界S2上單位面積的流量;

H(x,y,z,t)——承壓含水層承壓水頭函數;

h(x,y,z,t)——潛水含水層的水頭函數;

Kx、Ky、Kz——分別為x、y、z方向的滲透系數;

Ω——滲流區域；

Kn——邊界面法向方向的滲透系數;

n——邊界面的法線方向向量;

μs——承壓含水層的釋水系數;

μ——潛水含水層的重力給水度;

W——大氣降水入滲補給或由潛水蒸發構成的垂向水量交換;

Ψ(x,y,z,t)——第一類邊界條件下，承壓含水層在邊界S1上各點在每一時刻的已知水頭函數表達式;

φ1(x,y,t)——第一類邊界條件下，潛水含水層在邊界Γ1上各點在每一時刻的已知水頭函數表達式;

h0——潛水含水層的初始水位分布;

H0——承壓含水層的初始水位分布;

Γi——第i類邊界單位寬度的側向補給量。Γ0對應邊界為滲流區域的上邊界,即地下水的自由表面。Γ1對應邊界為第一類邊界，即水頭邊界;

Si——第i類邊界單位面積的補給量。

4.2 抽水試驗數值模型

4.2.1 計算模型

本次數值模擬區域承壓水上部不透水層合為第一層,厚度起伏不大。三維地層從上到下依次為:弱透水層、第⑦層含水層、弱透水層。根據土層特點,土體參數設定成非均質水平方向各向同性。采用三維結構、非穩定地下水流系統建立地下水系統的數值模擬模型。

本次計算的模擬期定為2 d,整個模擬期劃分為2個計算周期,每個計算周期計算的時間步長為1 d。在每個計算周期中,所有外部源匯項的強度保持不變。根據研究區的含水層結構、邊界條件和地下水流場特征,將模擬區每層剖分為500行、400列規則網格。其中,活動網格共200 000個。

4.2.2 源匯項處理方式

在Visual modflow中,降壓井可以設置埋深過濾器長度、出水量等參數,與實際數據具有很強對比性。根據已有抽水試驗觀測成果,抽水井出水量不變。主要參數設置如圖4。

在本次基坑降水模擬中,模型邊界在降水井影響邊界以外。故可將模型邊界定義為定水頭邊界,水位不變。

4.3 場地及周圍環境承壓水頭分布模擬分析

將水文地質參數代入到建立的抽水試驗數值模型中,并對觀測井的實測數據與數值模擬取得的數據進行對比分析,通過水頭隨時間的動態變化可以看出,模擬的曲線與實測的曲線擬和的很好。這說明水文地質參數真實的反映了含水層的水文地質特性。

將實測與數值模擬的最終穩定降深進行對比見表3?？梢钥吹絻烧叩恼`差很小,在工程允許的誤差之內。通過對數值模型的識別與驗證,數值模擬的結果與實測的觀測井數據基本一致,因此,通過該模型計算得到的群井抽水穩定后場地及周圍環境的承壓水頭埋深的模擬結果見圖5。

圖4 井模型示意

表3 數值模擬數據與實測數據的Y11觀測井穩定水頭對比

圖5 抽水穩定后的水頭等值線

4.4 基坑降水數值模擬預測

根據《基坑工程設計規程》(DGJ 08-61—1997),基坑底板的穩定條件為基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應大于承壓水的頂托力,即:

∑γsi·h1≥γw·H1·Fs

式中:

h1—— 坑底以下隔水層的覆土厚度;

γs,i——基坑底至承壓含水層頂板間的各層土的重度，取平均重度19.4 kN/m3;

H1——承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離;

γw——水的重度,取10 kN/m3;

Fs——抗承壓水頭穩定性安全系數,取1.05。

根據γw×H1×Fs=∑γs,i×h1，計算出臨界開挖深度h1=15.9 m。

即當基坑開挖到大于15.9 m時,需降低承壓水水位；反之,不需要降低承壓水水位。

因此,對基坑開挖深度大于15.9m區域具體需降水頭，如表4所示:

表4 基坑開挖需降水頭對比

通過初步模擬估算,在端頭井和標準段部分布設12口降壓井。根據模擬結果,布設的降壓井能夠滿足基坑開挖的要求。降壓井的分布見圖6。

圖6 降壓井布置

通過數值模擬預測,降水20 d后水位已經穩定。水位穩定后的承壓水降深預測等值線圖見圖7。基坑各區域承壓水完全實現預期降水目標,可保證工期的順利進行。

圖7 基坑承壓水降深預測等值線圖

5 結語

某地鐵車站降水施工中,先進行抽水試驗,然后,在獲得有效降水成果基礎上針對抽水試驗展開整個降水施工的數值仿真模擬,并依據可靠的仿真分析結果,優化了降水設計方案。在優化后降水方案的指導下,完成了地鐵車站施工的降水任務。車站施工過程中,其地下水位和水頭均在設計控制范圍內。確保了地鐵車站施工的安全,使后續施工按期完成。

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[10] 中國土木工程學會.建筑基坑支護技術規程：JGJ 120—2012[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

Numerical Modeling of A Subway Station Pumping Test and the Precipitation Pressure

LI Xiongwei, SHI Guicai, ZHU Jianqun, WANG Yong

subway station in Changzhou City is taken as the research object, the whole dewatering construction process is simulated, first is the precipitation for pumping test, then the numerical modeling of the pumping test and the effective access to the results. According to reliable numerical simulation analysis, the precipitation design is optimized. In the construction process of subway station, the underground water level and water head are within the designed control scope, the precipitation scheme has ensured the construction safety and the follow-up construction.

subway station; pumping test; precipitation pressure; numerical simulation

*國家自然科學基金項目(41302226;51579237)；江蘇省科學技術基礎研究計劃(自然科學基金)面上研究項目(BK20131141);

住房和城鄉建設部科學技術項目(2012-K3-23)；江蘇省地質礦產局科研項目(2015-ky-3)

TU 46+3

10.16037/j.1007-869x.2016.09.022

2014-11-28)