局部抽水試驗在止水帷幕止水效果評價中的應用

宋 兵, 徐明江

(1.廣州市建筑科學研究院有限公司,廣東 廣州 510440; 2.廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司,廣東 廣州 510440)

止水帷幕止水效果不好會直接影響到基坑內的施工,還可能引發基坑外路面或建筑物的沉降,嚴重時會引發大的質量事故,因此有必要在基坑開挖前進行現場試驗,以評價其止水效果。目前行業內對止水帷幕的檢測方法通常是進行完整性和材料強度的檢測[1],這類檢測方法均屬間接檢測方法,尤其是對水泥土攪拌樁的止水帷幕,不能檢測到樁體間是否存在間隙,也不能確定樁身的缺陷部位是否透水,因此有必要采用更直接的檢測方法。

抽水試驗是對止水帷幕止水效果最直接的檢測方法。最佳的抽水試驗方法是在基坑內布置多個抽水孔,使基坑內水位整體下降,通過觀察沿基坑邊布置的內、外觀測孔的水位變化情況判斷止水帷幕的止水效果[2],但這樣做需要設置大量的抽水孔和觀測孔,抽水量大,試驗周期長,成本高,不便于推廣應用。基坑周邊的水文地質情況往往變化較大,有些區域透水性強,有些區域透水性差,根據實際情況選取有滲透隱患的區域進行局部抽水試驗,可對基坑止水帷幕的質量起到重點抽查的作用,這與當前建筑工程檢測行業普遍采用的抽樣檢測的理念是一致的,是一種比較可行的檢測方法。目前針對止水帷幕止水效果的局部抽水試驗還沒有形成標準的方法,限制了該方法的應用。本文依據經典滲流理論及相關規范,分析總結出一套相對完整的試驗及判斷方法。

1 理論分析

局部抽水試驗需解決的問題主要有:

(1) 怎樣使抽水孔對止水帷幕的影響范圍最大、影響程度最強?水在土體中發生滲流是因為存在水頭差,當全基坑降水的時候,整個止水帷幕內外會存在水頭差。但在局部抽水的情況下,試驗時間不長,基坑內的平均水位下降很小,此時僅在抽水孔附近形成降落漏斗,在降落漏斗范圍內存在較明顯的水頭差[3-5]。故為使止水帷幕受抽水影響的范圍最大、影響程度最強,應使抽水孔緊靠止水帷幕布置。在土質均勻的情況下,當抽水孔緊靠止水帷幕時,此降落漏斗大致呈半圓錐體[6],本文稱之為180°降落漏斗。

(2) 怎樣評判止水帷幕的滲透性?除定性判斷外,還應定量地對止水帷幕進行評判,主要評判指標是其滲透系數。滲透系數可按達西定律進行推算。依據達西定律,滲透系數:

(1)

圖3 抽水孔和觀測孔的布孔方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of pumping hole and observation hole layout

式中:V是滲流速度;J是水力坡度。滲流速度V是通過單位面積的滲流量。如圖1-(a)所示,為便于分析,把抽水孔形成的水位降落漏斗近似看作一個圓錐體,止水帷幕與該圓錐體相交,交線為一雙曲線(圖1-(b)曲線aeb);當止水帷幕位于圓錐體中心時,交線近似看作一個等腰三角形(圖1-(c)等腰三角形aeb,實際上ae及be為冪函數曲線,為簡化分析,將其近似為直線)。假定影響區域在局部單孔抽水的情況下,試驗時間不長,基坑內的平均水位下降很小,此時以影響半徑為半徑的圓柱面與止水帷幕平面相交的交線圍成一個矩形區域abcd(見圖2),它與透水層相交的范圍即為止水帷幕承受抽水所產生的水壓差最大的區域,可把這一區域認為是止水帷幕的主要透水區域(見圖2陰影部分)。設其面積為A,則:

(2)

圖1 止水帷幕與降落漏斗相交的幾何關系示意圖Fig.1 Geometric relation diagram of the intersection of curtain for cutting off water and landing funnel

式中:Q是影響區域的滲流量,可由坑外觀測孔的降深來估算,具體估算方法見本文2.4;A是抽水孔影響區域的面積。

(3)

圖2 止水帷幕主要透水區域Fig.2 Main permeable area of curtain for cutting off water

將公式(2)、(3)代入公式(1)得:

(4)

2 試驗設計

根據上述理論分析,本文設計試驗方案如下。

2.1 抽水孔、觀測孔的數量及布置方式

在基坑內整體水位不明顯降低的情況下,對止水帷幕檢測最佳的布孔方式是將抽水孔靠近止水帷幕布置。基坑外需布置觀測孔,從經濟的角度考慮,基坑外觀測孔可只布置一個,其位置宜靠近止水帷幕,見圖3-(a)。基坑內需布置一個觀測孔用以與坑外觀測孔進行定性對比,同時可用來計算試驗點附近土層的滲透系數。抽水孔與坑內觀測孔的距離宜為透水層厚度[7-8],抽水孔及坑外觀測孔的孔邊距止水帷幕的距離宜為50 cm左右。當發現基坑外觀測孔降深較大時,則應增加2個觀測孔。布孔的間距宜為1 m,見圖3-(b)。比較多個觀測孔的水位下降情況可初步判斷滲透位置。

2.2 抽水孔的降深及觀測時間

穩定流的抽水試驗一般采用3次降深法,這樣做的好處是:

① 可以獲得孔的抽水試驗特性曲線,以便正確選擇計算水文地質參數的公式。

② 有可能推算孔的出水量。

③ 有可能驗證水文地質參數的計算是否準確”[7]。

對于評判止水帷幕止水效果的抽水試驗,最大降深宜選擇基坑設計深度以下0.5 m,這種降深與工程實際降深要求相符(降水后基坑內的水位應低于坑底0.5 m)。根據這一降深,抽水孔的孔深至少需要在基坑設計深度以下1.5 m(1 m用于放置抽水泵)。 試驗可實施三次降深,第一、第二次降深分別為最大降深的1/3和2/3。

2.3抽水試驗的孔徑要求、設備選擇、觀測儀器選擇、抽水時間及觀測時間間隔等技術要求可參照相關規范執行,本文不一一闡述。

2.4 數據分析方法

2.4.1 定性分析

根據坑外觀測孔水位變化情況,可定性判斷止水帷幕的止水效果。若基坑外觀測孔水位無變化或變化極小,可直接判斷止水帷幕止水效果好。

2.4.2 定量分析

若基坑外觀測孔水位有較明顯變化,則需要對其進行定量分析。分析過程可分兩步。

(1) 根據抽水孔及坑內觀測孔的水位下降值可計算透水層的滲透系數、抽水孔的影響半徑,并計算止水帷幕的主要透水面積。

以承壓水完整井為例,其一個抽水孔、一個觀測孔時的滲透系數計算公式如下:

(5)

(6)

式中:K為滲透系數(m/d);Q為流量(m3/d),由抽水試驗得出;r為抽水井半徑(m);r1為觀測孔—抽水孔的距離(m);H為含水層厚度(m);S為抽水孔降深(m);S1為觀測孔降深(m);R為影響半徑(m)。

(2) 根據基坑外觀測孔的水位下降情況估算止水帷幕在抽水影響范圍內的滲透系數,方法如下。

① 計算止水帷幕的透水量。方法是把基坑外的觀測孔看作假想的抽水孔,基坑內抽水孔影響范圍內的止水帷幕發生漏水,滲漏處相當于一個假想抽水點,其水位降深近似等于坑外觀測孔的水位降深,此時可按單孔抽水試驗來推測抽水量,此抽水量即基坑內抽水孔影響范圍內的止水帷幕涌水量。

以承壓水完整井為例,單孔抽水試驗無觀測孔時抽水量計算公式如下:

(7)

② 估算止水帷幕滲透系數。止水帷幕的滲透系數可根據公式(4)進行估算,即:

(8)

式中:B為止水帷幕寬度;Q′為由公式(7)計算得出的透水量,因為是180°降落漏斗,故實際水量是計算水量Q′的1/2;S為基坑內觀測孔的降深;A為受抽水孔影響的止水帷幕主要透水面積(圖2陰影部分面積),由公式A=R×H計算得出,其中R為坑內抽水孔的影響半徑,H為含水層厚度。

2.5 評判標準

國家標準《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)[9]9.9.4規定“采用地下連續墻或隔水帷幕隔離地下水,隔離帷幕滲透系數宜<1.0×10-4m/d”。對照《水利水電工程鉆孔抽水試驗規程》(SL 320—2005)的巖土體滲透性分級標準[10](見表1),此滲透系數對應于極微透水的滲透性等級。對于攪拌樁止水帷幕,即使材料的滲透系數<1.0×10-4m/d,也可能存在因攪拌樁搭接不好或局部質量缺陷而滲水的情況。在基坑做好止水和排水措施的情況下,大多數工程的施工工況是允許存在少量滲漏的,故對于抽水試驗不宜直接以1.0×10-4m/d為判別標準。根據工程經驗,建議止水帷幕的止水效果評判標準如下:經試驗結果推算的止水帷幕滲透性等級屬于微透水或極微透水的,可判滿足要求;屬于弱透水的應根據工程的環境、地質、施工等情況綜合分析滲透可能造成的危害,以決定是否需要進行加固處理;屬于中等透水、強透水與極強透水的可判為不滿足設計要求,需要進行加固處理,還應加倍進行擴大抽檢。

表1 巖土體滲透性分級Table 1 Permeability classification of rock-soil body

3 工程實例

本文選取廣州市番禺區某工程的一個局部抽水試驗實例對上述方法的應用進行演示。本工程基坑臨近河流,補水充分,河面水位高于透水層(砂層)的埋深,抽水井屬承壓水完整井。

(1) 地質資料。本工地的地質資料見表2。

表2 地層巖土性狀描述Table 2 Description of geotechnical properties of strata

(2) 布孔情況。采用一個抽水孔、2個觀測孔的布孔形式,見圖4。

(3) 抽水試驗成果。實際觀測數據見表3。

(4) 分析計算。根據抽水孔及坑內、坑外觀測孔的數據,按本文的分析方法進行計算,結果見表4。

圖4 抽水試驗布孔形式立面圖Fig.4 Elevation diagram of pumping test hole layout form

降深順序降深/m抽水孔坑內觀測孔坑外觀測孔實測流量Q/(m3·d-1)計算滲透系數的流量2Q/(m3·d-1)透水層厚度/m第一次降深2.000.700.051.893.78第二次降深4.002.320.122.144.28第三次降深6.004.100.212.354.702.3

表4 抽水試驗計算表Table 4 Calculation table of pumping test

(5) 結果評判。該試驗部位的止水帷幕滲透系數推算值在0.036～0.083 m/d之間,屬弱透水性。因本工程其余部位的抽水試驗結果均較理想,經綜合分析,在做好應急預案的情況下,未對該部位進行處理。基坑開挖后此部位基坑壁確有少量滲水,但未形成明顯滲流,因而未影響基坑施工。

4 結論

(1) 局部抽水試驗是對基坑止水帷幕止水效果較為直接的抽樣檢測方法,試驗成本較低,便于推廣應用。

(2) 應在坑內布置抽水孔。在局部、較短時間抽水的情況下,為使止水帷幕受抽水孔的影響范圍最大、強度最高,應使抽水孔緊靠止水帷幕布置。為定性及定量分析試驗結果,需在基坑內及基坑外各布置至少1個觀測孔,坑外觀測孔應僅靠止水帷幕布置,坑內觀測孔與坑內抽水孔的間距宜為透水層厚度。

(3) 宜進行3次降深試驗,最大降深宜選擇基坑設計深度以下0.5 m。

(4) 利用抽水孔及坑內觀測孔的水位變化情況可計算土層滲透系數,利用土層滲透系數、抽水孔及坑外觀測孔的水位變化情況等信息可推算止水帷幕在試驗影響范圍內的滲透系數。

(5) 止水帷幕的評判可依據《水利水電工程鉆孔抽水試驗規程》(SL 320—2005)的巖土體滲透性分級標準進行判斷。經試驗結果推算的止水帷幕滲透性等級屬于微透水或極微透水的可判滿足要求;屬于弱透水的應根據工程的環境、地質、施工等情況綜合分析滲透可能造成的危害,以決定是否需要進行加固處理;屬于中等透水、強透水與極強透水的可判為不滿足設計要求,需要進行加固處理,還應加倍進行擴大抽檢。