軟土地層中基于沉降控制的地下水回灌研究★

曾超峰 薛秀麗 羅 鵬

(湖南科技大學 巖土工程穩定控制與健康監測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

·巖土工程·地基基礎·

軟土地層中基于沉降控制的地下水回灌研究★

曾超峰 薛秀麗 羅 鵬

(湖南科技大學 巖土工程穩定控制與健康監測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

結合軟土地區深基坑工程地下水回灌案例，發現回灌期間坑外被保護建筑持續沉降，為控制這部分沉降，對提出的雙回灌井回灌策略進行了數值分析，研究了副回灌井的回灌量對雙井回灌控沉效果的影響，并得到不同條件下使得受保護建筑不發生沉降時的副回灌井回灌量的取值規律。

深基坑，地面沉降，回灌，有限元計算

0 引言

近年來，我國對地下空間的開發力度越來越大，在城市擁擠地區涌現大批基坑工程，基坑變形需要嚴格控制，在高水位地區，由于承壓含水層的存在，常需要對基坑進行承壓水降水以防止發生基坑突涌。然而，對于大量采用懸掛式止水帷幕的工程來說，坑內承壓水降水必然引起坑外承壓層水位下降，并進一步引起地面沉降，目前，常采用地下水回灌來控制這部分沉降[1-3]。不過，回灌井回灌過程中需要進行周期性的回揚抽水，該過程會引起承壓層水位短暫下降，由于承壓層的變形對水位十分敏感，因此，即使短暫的回揚抽水也可能引起地面沉降[4,5]，這顯然違背了采用地下水回灌來控制沉降的初衷。

本文針對上述問題開展了工程實測與數值模擬研究，首先報道了軟土地區深基坑工程地下水回灌的案例，發現回灌期間坑外被保護建筑持續沉降，為控制這部分沉降，對提出的雙回灌井回灌策略進行了數值分析，研究了副回灌井的回灌量對雙井回灌控沉效果的影響，并得到不同條件下使得受保護建筑不發生沉降時的副回灌井回灌量的取值規律。

1 工程背景

天津某大面積建筑基坑，如圖1所示，最大開挖深度為24 m，場區第一承壓含水層埋深21.5 m～34.5 m，第二承壓含水層埋深40.5 m～53.5 m。由于基坑開挖深度進入了第一承壓層，故降水井采用了潛水層—承壓層混合疏干井(無砂混凝土管)，井底埋深28 m～31.5 m。場區抽水試驗表明第一、二承壓層間有一定水力聯系，由于基坑止水帷幕最深約37 m，未截斷第二承壓層，故坑外承壓層水位會受到坑內降水井疏干過程的影響。

為防止基坑內降水引起坑外緊鄰建筑(稱為被保護建筑)處發生承壓層水位下降進而引發沉降，在被保護建筑四周設置了5口承壓層回灌井(H1,H3,H4,H7,H11)，回灌井過濾管范圍為埋深24 m～46 m，即，對第一、二承壓層進行回灌。回灌井平面布置見圖1。同時，在基坑與被保護建筑間設置了4口承壓層水位觀測井(A3,A4,A11,A12)以動態觀測被保護建筑處第一、二承壓層水位。JZ1～JZ14為被保護建筑沉降監測點。

圖2為回灌前后被保護建筑沉降發展曲線，可以看出，回灌前，基坑開挖降水引起建筑物持續沉降，回灌開始后，由于建筑物處承壓層水位下降被限制住，因而建筑物未繼續發生沉降，而回灌結束后，由于被抬升的水位又發生下降，因而又引起建筑物發生沉降。值得注意的是，回灌過程中，建筑物仍發生了一定幅度沉降，只是相對于回灌前和回灌結束后而言相對較小，因而從圖2不能明顯看出來。事實上，回灌過程中建筑物的沉降是由于回灌井周期性回揚抽水引起的。為防止這部分沉降，鄭剛提出了一種基于雙井組合式回灌的沉降控制方法[6]，該方法指出在基坑與受保護建筑之間設置主回灌井，再在主回灌井與受保護建筑之間設置副回灌井，讓副回灌井在主回灌井回揚抽水時進行回灌，以彌補因主回灌井回揚抽水而引起的地下水位的下降和地面沉降。下文將針對這一方法開展數值分析，研究在不同雙回灌井井點布置條件下，副回灌井的回灌量對主、副回灌井組合回灌引起地面沉降的影響。

2 數值模型建立

2.1模型介紹

本文選用有限元軟件ABAQUS建立數值模型，進行二維的流固耦合的數值模擬，主回灌井到受保護建筑之間的距離為D、副回灌到受保護之間的距離為d，雙回灌井與被保護建筑間位置關系見圖3。顯然，在主回灌井回揚抽水過程中，若副回灌井回灌量合適的話，可以防止主回灌井回揚抽水引起的受保護建筑位置處發生水位下降，從而防止受保護建筑發生沉降。

采用天津某地鐵車站基坑場地條件[7]建立本文數值模型(工程地質詳細背景在此不贅述)，土體采用修正劍橋模型模擬，土體參數見文獻[7]。主、副回灌井的深度均為24 m，過濾管位于埋深19 m～24 m位置處，即，向第④層土砂質粉土揚水、灌水，模型中通過在主、副回灌井埋深19 m～24 m位置處施加流量來模擬揚水和灌水過程。模型的邊界條件設置參見文獻[8]。

2.2計算工況

本文分析了d/D=0.25,0.5,0.75以及D=10 m,12 m,14 m的九種工況下使得受保護建筑不發生沉降時的副回灌井回灌量的取值規律，主、副回灌井同揚同灌21 d。

3 計算結果與分析

工況1:d/D=0.25,D=10 m,d=2.5 m。

圖4為不同副回灌井回灌量的條件下主、副回灌井同揚同灌過程中距副回灌井3 m處地面沉降時程曲線(變形量正值代表隆起，負值代表沉降，下同)，可以看出，在同揚同灌之初，所有工況中受保護建筑物處地面都發生了隆起，這主要是因為副回灌井到受保護建筑之間的距離比主回灌井到受保護建筑之間的距離小，因此，模擬初期受保護建筑主要受副回灌井回灌的影響，發生隆起，而主回灌井對受保護建筑的影響還很小。隨著同揚同灌時間延長，受保護建筑處地面出現沉降增量，而且副回灌井回灌量越小，沉降越大，當副回灌井流量q=0.87 m3/h時，距離副回灌井3 m處地面變形穩定后既無沉降也無隆起，而當副回灌井流量大于(小于)該臨界值時，將出現地面隆起(沉降)。

工況2：d/D=0.5,D=10 m,d=5 m。

圖5為不同副回灌井回灌量的條件下主、副回灌井同揚同灌過程中距副回灌井6 m處(即，被保護建筑處)地面沉降時程曲線，各曲線變化規律同圖2中所示，只是使得被保護建筑處既不發生沉降也不發生隆起的副回灌井臨界流量變為q=0.89 m3/h，同樣地，當副回灌井流量大于(小于)該臨界值時，將出現地面隆起(沉降)。

工況3：d/D=0.75,D=10 m,d=7.5 m。

圖6為不同副回灌井回灌量的條件下主、副回灌井同揚同灌過程中距副回灌井8 m處地面沉降時程曲線，各曲線變化規律同圖4,圖5中所示，當副回灌井流量q=0.91 m3/h時，距離副回灌井8 m處地面既無沉降也無隆起，而當副回灌井流量大于(小于)該臨界值時，將出現地面隆起(沉降)。

對比分析如下：

以上分析表明，當主回灌井與被保護建筑距離不變時，隨著副回灌井與被保護建筑距離的增大，使得受保護建筑不發生隆沉時的副回灌井臨界回灌量越大。對于D=12 m,14 m的各工況也呈現出類似的規律，在此不做贅述。

對于所有工況，將副回灌井臨界回灌量的變化規律繪制于圖7中，得到q/Q與d/D的關系。由圖7可以看出，當d/D確定時，D越大，q/Q越小，這主要是因為主回灌井距離受保護建筑越遠，主回灌井揚水對受保護建筑地面沉降的影響越小，因此當D越大時，要保障受保護建筑地面不沉降，所需的副回灌井回灌量就越小；當D確定時，d/D越大，q/Q越大，這主要是因為副回灌井到受保護建筑的距離削弱了副回灌井回灌的作用，因此當d越大時，要保障受保護建筑地面不沉降，所需的副回灌井回灌量就越大。

4 結論與建議

本文報道了軟土地區深基坑工程地下水回灌的案例，發現回灌期間坑外被保護建筑持續沉降，為控制這部分沉降，對提出的雙回灌井回灌策略進行了數值分析，研究了副回灌井的回灌量對雙井回灌控沉效果的影響，并得到不同條件下使得受保護建筑不發生沉降時的副回灌井回灌量的取值規律。本文主要結論如下：

1)本文對d/D=0.25,0.5,0.75以及D=10 m,12 m,14 m九種工況進行數值模擬，對每種工況施加了多種副回灌井回灌流量，通過對比在每種副回灌井回灌流量受保護建筑物地面的沉降，得到了每種工況下的副回灌井最優回灌流量，當d/D確定時，副回灌井最優回灌流量隨著D的增大而減小；當D確定時，副回灌井的最優回灌流量隨著d/D的增大而增大。

2)通過對d/D=0.25,0.5,0.75以及D=10 m,12 m,14 m九種工況進行數值模擬，得到了不同工況下，受保護建筑物地面不沉降時的副回灌井回灌流量，在以后基坑工程回灌施工中，可以根據實際情況，直接選取最優回灌流量。

[1] PHIEN-WEJ N,GIAO P H,NUTALAYA P.Field experiment of artificial recharge through a well with reference to land subsidence control[J].Engineering Geology,1998,50(1-2):187-201.

[2] POWRIE W,ROBERTS T O L.Case history of a dewatering and recharge system in chalk[J].Géotechnique,1995,45(4):599-609.

[3] 鄭 剛,曾超峰,劉 暢,等.天津首例基坑工程承壓含水層回灌實測研究[J].巖土工程學報,2013,35(S2):491-495.

[4] 鄭 剛,曾超峰,薛秀麗.承壓含水層局部降壓引起土體沉降機理及參數分析[J].巖土工程學報,2014,36(5):802-817.

[5] 曾超峰,鄭 剛,薛秀麗.大面積基坑開挖前預降水對支護墻變形的影響研究[J].巖土工程學報,2017,39(6):1012-1021.

[6] 鄭 剛,曾超峰,薛秀麗.一種基于雙井組合式回灌的沉降控制方法:中國專利,201410027014.2[P].2014.

[7] 鄭 剛,曾超峰.基坑開挖前潛水降水引起的地下連續墻側移研究[J].巖土工程學報,2013,35(12):2153-2163.

[8] 曾超峰,薛秀麗,聞 婷,等.基坑工程地下水回灌控沉數值模擬[J].山西建筑,2017,43(28):60-61.

Studyofartificialrechargeforsettlementcontrolinsoftground★

ZengChaofengXueXiuliLuoPeng

(HunanProvincialKeyLaboratoryofGeotechnicalEngineeringforStabilityControlandHealthMonitoring,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China)

In this study, a case study of artificial recharge for settlement control in deep excavation is reported. The surrounding protected building settles continuously during artificial recharge. In order to control the building settlement, numerical simulation is conducted to investigate the effect of coupled recharge proposed. The influence of recharge rate of auxiliary recharge well on the control effect of coupled recharge is studied by a series of numerical analyses. The critical recharge rates of auxiliary recharge well under which the surrounding protected building will not settle during the artificial recharge are obtained.

deep excavation, surface settlement, recharge, FEM analysis

1009-6825(2017)30-0058-03

2017-08-13 ★:國家自然科學基金資助(編號：51708206，11602083)；湖南省自然科學基金項目(編號：2016JJ6044)；湖南省教育廳資助項目(編號：15C0557)

曾超峰(1987- )，男，博士后，碩士生導師，講師

TU463

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