“人為天窗”對承壓含水層降水工程的影響研究

張國偉

【摘 要】本文重點分析上、下承壓含水層之間存在有效隔水層的水文地質模型，如果出現“人為天窗”，其對含水層抽水試驗的影響。通過建立數學模型，采用Visual MODFLOW軟件進行模擬分析，結果表明，“人為天窗”雖然在鉆孔處連通了上、下承壓含水層，但對單層承壓含水層進行的抽水試驗造成的另一含水層的水位變化很小，兩者之間相差近3個數量級，“人為天窗”通道對水頭的衰減作用非常明顯。

【關鍵詞】“人為天窗”;Visual MODFLOW;承壓含水層

中圖分類號： TU432文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）01-0243-003

0 引言

隨著城市建設的發展，深基坑工程不斷涌現（王軍等，2006;黃宏偉，2005），地下水尤其是深層含水層的承壓水對基坑安全的影響越發嚴重。工程降水可以有效的保證基坑施工過程中不受地下水的威脅，為了防止過早的抽降地下水引發周邊環境問題，在工程降水設計及實施過程中要嚴格遵循“按需降水”的原則（吳林高等，2009;吳林高等，2016）。地層中的有效隔水層在基坑抗突涌計算及降水設計中都是對工程有利的地層，可以有效的阻止下伏含水層與上覆含水層發生水力聯系。

當這層有效隔水層存在“自然天窗”（姚淑榮等，2011;石中平，2012），則上下兩層含水層之間就存在一定的水力聯系，在基坑降水設計時需要將兩層含水層作為一個含水層組來考慮。而在工程實際中，即使沒有“自然天窗”，也有可能出現“人為天窗”——人為貫穿上下兩層含水層之間的有效隔水層。出現“人為天窗”后，就會造成原本不需要降水的含水層被降水，或是原本需要降水的含水層被提前降水，這兩個結果都會增加地下水的抽取，進而引起附加的地面沉降，由于前期設計分析中并沒有考慮這種情況，缺少認知，很可能對周邊環境造成一定的影響，這是工程中需要避免的。

作為基坑設計前期工作的工程水文地質勘察，在試驗井的施工中，如果不能很好把控施工質量，就很有可能發生鉆孔穿透隔水層，尤其是該隔水層本身層厚較薄時。工程中一旦出現“人為天窗”，其對工程的影響程度將是被關注的重點，主要體現在抽取上部含水層中的地下水時，由“人為天窗”造成的下部含水層中的地下水位變化特征。

目前國內外對于地層中天窗的研究較少，焦赳赳（1984）將“天窗”概化為圓形的源（匯）面，探討了“天窗”補給條件下無限含水層地下水非穩定流計算方法;部分學者研究了海底泉對海濱承壓含水層地下水潮汐效應的作用（Li et al，2007;楊穎等，2008）。

本文即是從“人為天窗”入手，借助Visual MODFLOW來分析存在“人為天窗”后，抽取上部含水層地下水時對下部含水層水位的影響，進而評價其對工程的影響。

1 “人為天窗”水文地質概念模型

本文討論的“人為天窗”主要是由于施工成井造成的，天窗從平面上可以被看作是一個圓形，對于上下含水層而言，“人為天窗”可以概化為圓形的匯（源）面，見圖1。

焦赳赳（1984）推導了“天窗”補給條件下無限含水層地下水非穩定流計算公式：

其中

式中各個參數解釋如下：

Qz——“天窗”流量，m3/d;

Qw——抽水井流量（抽取下部含水層），m3/d;

Kz——“天窗”垂向滲透系數，m/d;

Mz——“天窗”處兩含水層之間的垂直滲透長度，m;

w——“天窗”平面面積，m2;

r0——“天窗”中心距抽水井的距離，m;

R0——“天窗”概化為圓形源、匯面的半徑，m;

W（u）——泰斯井函數;

s1和s2——上、下兩層含水層的降深，m;

a1和a2——上、下兩層含水層的導壓系數，m2/d;

T1和T2——上、下兩層含水層的導水系數，m2/d;

從公式（1）-（3）中可以看出，當上、下兩層含水層之間的隔水層存在“天窗”時，上、下含水層之間在“天窗”位置處有水量的匯（源）發生，各層相應的降深除了受含水層自身的水文地質特性影響外，還受到“天窗”本身的水文地質特性（包括“天窗”的垂向滲透系數、面積、厚度以及位置等）的影響。

本文的研究重點是從工程角度出發，研究“人為天窗”對上、下含水層水位變化的影響。故此，為了便于分析，本文基于上海某實際地層情況（其中各參數詳見表1）建立相應的水文地質概念模型。

含水層I（下文簡稱Aq-1）的上覆土層以及含水層II（下文簡稱Aq-2）的下伏土層均為隔水層，Aq-1為上部承壓含水層，Aq-2為下部承壓含水層，研究范圍為12000m×12000m，邊界條件為定水頭邊界條件，單個的“人為天窗”平面范圍為1m×1m（常規試驗井成孔孔徑為0.6m～1m，本文選最不利值進行分析）。

基于此水文地質概念模型，在Aq-1含水層中布設了一口完整井，根據Aq-1含水層特性，設計單井出水量為480m3/d。在距離抽水井不同位置（5m、15m、35m）處，針對上、下含水層分別布設不同的觀測井，并且每個井都可以同時觀測Aq-1含水層和Aq-2含水層的水位。

2 工況設計

根據上文分析，“人為天窗”的水文地質特性（垂向滲透系數、厚度、位置以及面積等）會影響到上、下含水層的水位變化，本文以某實際地層情況為研究基礎（“人為天窗”的厚度是確定的），“人為天窗”面積也按照不利因素考慮（面積為1m×1m），因此本文只討論“人為天窗”的垂向滲透系數以及“人為天窗”的位置對上、下含水層的水位影響情況，研究工況設計如下：

表2中的工況1主要考慮到上下含水層滲透系數的差異，故此將“人為天窗”的位置設定在抽水井PW1處的1m2的位置，并且在實際工程中，“人為天窗”中主要是人為回填的濾料，滲透性較大，“人為天窗”的影響主要是垂向上的滲透系數的影響，為了排除干擾，在工況設計時將Kh的值設定為與Kv相同的值;工況2主要考慮的是“人為天窗”的位置距抽水井的距離變化，故此，將“人為天窗”的滲透系數設定為Kh=Kv=60m/d，“人為天窗”的位置分別布設在各個觀測井所在的位置，只是工況設計中只考慮單一的“人為天窗”，即只有一個井存在“人為天窗”。

3 結果分析

3.1 “人為天窗”垂向滲透系數的影響分析

根據公式2和公式3，“人為天窗”的垂向滲透系數的變化會直接影響到兩層含水層的水位變化。通過模型模擬，分析Aq-2含水層的水位變化情況（見圖2）。

從圖2可以看出，“人為天窗”對下部含水層（Aq-2）有一定的影響，抽取上部含水層（Aq-1）的地下水時，Aq-2含水層的水位明顯下降，此時“人為天窗”相對于Aq-2含水層屬于“不完整抽水井”，只在底部進水。當改變“人為天窗”的垂向滲透系數時，Aq-2含水層水位下降幅度隨著“人為天窗”的垂向滲透系數的增大而增大，但當“人為天窗”的垂向滲透系數大到一定值后，Aq-2含水層水位降深的增大幅度隨著“人為天窗”垂向滲透系數的增大逐漸減緩（見圖3）。

圖3可以反映出，盡管“人為天窗”垂向滲透系數的增大造成了Aq-2含水層水位下降幅度的增大，但影響程度在逐漸下降，可以看出，當“人為天窗”的垂向滲透系數增大到30m/d后，Aq-2含水層的水位對其的敏感度下降。除此之外，從圖2和圖3也都可以看出，Aq-1含水層抽水期間，Aq-2含水層的水位下降值很小，在設計的工況1中，當“人為天窗”的Kv=60m/d時，PW1處（水位降深最大處）的Aq-2含水層水位最大降深值僅為0.11m，通過比較PW1處的Aq-1含水層與該處Aq-2含水層在模擬期間的水位降深情況（圖4），可以看出，在整個模擬期間，Aq-2含水層水位降深與Aq-1含水層水位降深的比值在0.004～0.006之間，兩者相差近3個數量級。

3.2 “人為天窗”位置的影響分析

根據公式2和公式3，“人為天窗”距抽水井的距離大小也是影響上、下含水層水位變化的因素之一，本文只討論單一“人為天窗”的影響，根據工況2的設計，將“人為天窗”的位置分別設定在OB1、OB2和OB3這3個不同的位置，其距抽水井PW1的距離分別為5m、15m、35m，通過模型模擬，三種“人為天窗”位置處的Aq-2水位降深情況分析見圖7。

根據圖5中的“人為天窗”在不同位置處的水位降深曲線，可以看出，“人為天窗”的位置變化后，Aq-2含水層的水位降深也會有所變化，但通過上文的分析，當“人為天窗”在抽水井位置處時，其對Aq-2含水層的影響已經非常小了，所以當“人為天窗”與抽水井之間有一定距離后，影響更小，從圖5中可以看出，“人為天窗”在這3個位置處時，Aq-2含水層的水位降深只有約0.04m～0.064m。

進一步分析“人為天窗”距抽水井的距離與相應的Aq-2含水層水位降深之前的關系（見圖6），可以看出，“人為天窗”距抽水井距離越遠，其對Aq-2含水層的水位影響越小。

因此，綜合分析“人為天窗”的垂向滲透系數以及位置后，這兩個影響因素對下部含水層造成的影響都非常小，其敏感程度也就失去了研究意義。但從對工程的影響角度考慮的話，“人為天窗”的影響是需要被正確認識的，而不是簡單的放大，從本文的分析中，可以看到，這種影響還是非常小的，盡管本文只是在設定的地質條件及一些假定的條件的前提下進行的，但研究以及分析結果還是有一定意義的。

4 結論

施工中“人為天窗”的出現會對工程本身的安全性和施工程序有所影響，通過上文的分析，可以得出：

（1）“人為天窗”使得兩層含水層之間的有效隔水層本身的隔水性能消失，“人為天窗”使得上下兩層含水層之間發生直接的水力聯系。

（2）“人為天窗”對于上下含水層之間的水力聯系貢獻度并不是很大，通過分析，抽取上部含水層的地下水時，下部含水層的水位變化并不大，兩者相差近3個數量級，這在實際工程中，可以認為影響很小。

（3）對于“人為天窗”，目前在工程界還沒有得到很好的認識和分析，本文應用數值方法對其進行了初步的分析研究，分析中僅考慮了“人為天窗”的垂向滲透系數以及距抽水井的距離的影響，除此之外，“人為天窗”的幾何特征（包括面積，厚度等）以及個數都是影響因素，這些內容有待于進一步的分析研究。

【參考文獻】

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