上海深層承壓水抽水試驗流固耦合三維數值模擬

徐 丹, 瞿成松, 雷 丹

(1.上海長凱巖土工程股份有限公司,上海 200093; 2.上海勘察設計研究院(集團)有限公司,上海 200093)

上海地區工程降水導致沉降研究較早[1],尤其第一承壓含水層研究較多,工程經驗較豐富[2-3],深部含水層在上海研究較少,基坑降水涉及第二承壓含水層較少,本文針對上海第二(第⑨層)承壓含水層實施現場抽水試驗,結合三維滲流及比奧固結理論,對抽水時段的水位、地表沉降及深層沉降進行詳細的模擬計算,分析深層承壓水抽水過程中的地層垂向變形與地下水水位變化之間的關系。

1 場區地質概況

本場地內地下水類型主要為松散巖類孔隙水,按其形成時代、成因和埋藏條件可劃分為潛水含水層及承壓含水層。本工程勘探深度范圍內地下水主要為賦存于淺部土層中的潛水、第⑨層中的第二承壓水,該區域分布有第⑧及⑩層粘土(表1)。

表1 試驗區地層及含水層劃分概況Table 1 Stratigraphic and aquifer division of test area

2 試驗成果分析

2.1 試驗設計

場區內共布置3口試驗井,如圖1所示,井間距10～30 m,第⑨層3口(2抽1觀)。

場地內觀測中心5 m范圍內布設有2個分層沉降標,埋設深度為36 m(⑤3層)、60 m(⑧2層),埋設3個月后進入沉降基本穩定期。另在離試驗中心5、10、20、30、40和60 m距離布置6個地面沉降監測點C3-1～C3-6。

圖1 試驗井平面位置圖Fig.1 Plane layout diagram of test well

整個抽水期間采用智能數據采集器對觀測井水位進行實時采集,采集頻率為1次/min。地表沉降及分層沉降人工監測頻率為每天監測1次。

2.2 試驗結果分析

(1) 第⑨層單井抽水試驗結果及分析。第⑨層單井試驗于2017年12月10日13:30開始,抽水井為K9-2,井深89.00 m,過濾器長7.00 m;在K9-2內(下泵深度約60 m)投入額定流量300.00 m3/h的水泵進行抽水,整個試驗的實際平均流量為456.00 m3/h。流量曲線如圖2。井內穩定水位-15.07 m。同時對其它觀測井進行地下水位動態觀測,經過約30 h,水位基本趨于穩定。水位與時間變化關系曲線如圖2所示。

圖2 單井抽水期間觀測井水位變化曲線Fig.2 Variation of water level during single-well pumping tests

選用Hantush-Jacorb方法對數據擬合如下(圖3、圖4)。

圖3 第⑨層觀測井G9-1參數擬合曲線Fig.3 Parameter fitting of well G9-1

圖4 第⑨層觀測井G9-2參數擬合曲線Fig.4 Parameter fitting of well G9-2

承壓水影響半徑R計算公式為:

式中:R為影響半徑(m);S為觀測井水位降深(m);r為觀測井—抽水井的距離(m)。由此可以得出本場區內單井抽水試驗期間第⑨層的單井影響半徑約為550 m。

(2) 第⑨層群井抽水試驗。2018年1月2日15:00同時開啟K9-1、K9-2進行第⑨層群井抽水試驗,至1月9日16:00停止抽水,共歷時7天。K9-1、K9-2穩定流量為146.70 m3/h、452.20 m3/h,流量差異的主要原因是過濾器放置處地層原因,K9-1井中過濾器放置于上部第⑨1層,而K9-2井中過濾器放置于整個第⑨層中,滲透性更高(表2)。

表2 第⑨層水文地質參數統計表Table 2 Hydrogeological parameters of No.9 layer

群井抽水試驗期間,對各層觀測井內水位變化進行同步監測(圖5)。

圖5 群井抽水期間同層觀測井水位變化曲線Fig.5 Variation of water level during group-well pumping tests

(3) 沉降監測及分析。第⑨層群井抽水時,地面沉降顯現迅速,最大沉降量4.1 mm(圖6),停抽后沉降顯現回彈,試驗結束后普遍回彈量約40%～60%。

埋深69～94 m段是本次試驗抽水目的層層位。各組分層標沉降變化曲線總體較為相似,但沉降量大小差異明顯,表明不同深度范圍地層的變形量不同。

第⑨層群井抽水試驗期間,觀測井G9-1地下水水位降深變化與36 m和60 m深分層沉降標的沉降均為0.625 mm。當天沉降測量完畢后才停止抽水,地下水水位下降與土層沉降基本同步(圖7)。

圖6 群井抽水期間C3剖面地面沉降變化曲線Fig.6 Settlement variation of section C3 during group-well pumping tests

圖7 群井抽水試驗期間深層沉降標F36、F60沉降量與降深對比曲線圖Fig.7 Settlement of gauge F36 and F60 comparate with the drawdown during group-well pumping tests

3 試驗區水土流固耦合三維數值模擬

構建合理的降水和地面沉降的耦合模型,對抽水引起的地面沉降的大小和分布進行預測,并在此基礎上尋找地下水位與地面沉降相互之間的定量關系來指導地下水的抽汲行為,可為制定合理的地下水控制方案提供可靠的理論依據,對于防治地面沉降具有十分重要的意義[4-5]。

3.1 流固耦合分析理論

MIDAS/GTS中使用的流動法則為達西定律,固結分析采用的是比奧特固結理論。

3.2 抽水試驗含水層三維數值反演分析

根據單井和群井抽水試驗結果,將抽水試驗井參數代入三維數值模型中,進行數值模擬計算。得到合理的承壓水參數,同時對試驗中土層沉降的計算與實測結果進行對比。

(1) 單井抽水試驗模擬結果及分析。第⑨層單井試驗于2017年12月10日13:30開始,抽水井為K9-2,井深89.00 m,過濾器長7.00 m。整個試驗K9-2的實際平均出水量為456.00 m3/h。模型中承壓含水層邊界水頭為-6.00 m,試驗模擬結果見圖8、圖9。

圖9 第⑨層單井試驗各觀測井實測降深曲線與模擬降深曲線對比圖Fig.9 Comparison of drawdown between actual measurements and simulation during singal-well pumping tests

(2) 群井抽水試驗模擬結果及分析。根據單井試驗所得參數進行群井試驗模型賦值,并通過群井試驗水位觀測結果對水文模型進行校正,最終確定水文地質參數,并以此為基礎確定沉降量。

2018年1月2日15:00開啟第⑨層群井抽水試驗,1月9日16:00停止抽水,共歷時約7天。出水量穩定后,K9-1、K9-2最終穩定出水量為146.70 m3/h、452.20 m3/h。模型中承壓含水層邊界水頭為-6.00 m,試驗模擬結果見圖10-圖12。

在第⑨層群井試驗過程中,試驗場內F36、F60分層沉降標分層沉降的模擬值和實測值對比如圖13所示。

圖10 第⑨層群井停抽時第⑨層水位埋深云圖Fig.10 Groundwater depth of No.9 layer at the ending of group-well pumping tests

圖11 第⑨層觀測井實測降深曲線與模擬降深曲線對比圖Fig.11 Comparison of drawdown between actual measurements and simulation during group -well pumping tests

在第⑨層群井試驗主要沉降影響集中在第⑨層本身及上部第⑧層粘土層中,對比圖14中F36與F60分層沉降數據,顯示36 m與60 m之間的土層基本沒有沉降,未受抽水固結影響。

圖12 群井停抽時場地地面沉降云圖Fig.12 Surface subsidence of test area at the ending of group-well pumping tests

圖13 地面沉降實測值與模擬值對比圖Fig.13 Comparison of surface subsidence between actual measurements and simulation

4 實測結果

本次試驗實測結果,群井抽水開始3天半以后的1月5日已基本達到了動態的穩定狀態,觀測井最大水位降深達6.9 m,抽水中心區域地面沉降最大達3.1 mm(最終沉降4.1 mm)。

圖14 第⑨層群井抽水試驗沉降標F36、F60沉降量實測值和模擬值對比曲線圖Fig.14 Comparison of settlement of gauge F36 and F60 between actual measurements and simulation注:F60為60 m以下土層累計沉降量;F36為36 m以下土層累計沉降量。

地表沉降在停止抽水后隨著承壓水頭的回復會發生回彈,本次試驗的最小回彈量在40%左右。

地下水每米水位降深變化在36 m和60 m深度時,分層沉降標的沉降均為0.625 mm。

5 結論

通過現場的第二承壓水群井抽水試驗,實時監測承壓水抽水過程中承壓水頭與地表沉降、分層沉降的變化規律,并通過數值模擬方法,采用地下水滲流理論和抽水引起的沉降計算理論,還原抽水過程中地下水滲流場和地表沉降的時間空間分布形式,得出如下結論:

(1) 第⑨層抽水引起的沉降主要來源于本層及上部弱透水層的水位下降而導致的土體壓縮。沉降的控制關鍵在于水位降深的控制。

(2) 本試驗無論水位,還是沉降變化都是瞬時發生的,均未出現滯后現象,這與本模型的選擇具有了較好的匹配度。

(3) 根據抽水試驗得到的水文地質參數建立的數值模型能夠很好地反映實際地下水滲流場的變化規律,為評價和分析承壓水降水的環境影響范圍及影響程度提供了現場試驗依據。