砂卵石潛水層回灌對臨近同層降水工程影響研究

肖雙全，趙 剛，李凌宜，闞生雷，李大寧

土建技術

砂卵石潛水層回灌對臨近同層降水工程影響研究

肖雙全1，趙 剛2, 3，李凌宜1，闞生雷2, 3，李大寧1

（1. 北京市政路橋股份有限公司，北京 100045；2. 北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101； 3. 城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點實驗室，北京 100101）

回灌工程與降水工程結合是兼顧工程安全建設和地下水資源保護的有效措施。中心城區受到回灌場地和輸水管線布設的限制，回灌區與降水區相距較近，回灌影響范圍和降水影響范圍有重疊，此時回灌和降水難免產生相互影響。以北京某地鐵工程區間風井砂卵石潛水層降水回灌工程為例，結合現場試驗、理論推導及數值分析，得出臨近同層回灌使降水工程的基坑涌水量增加約40%，該研究對砂卵石等滲透性強潛水層回灌工程有一定工程指導意義。

地鐵；砂卵石潛水層；回灌；降水；涌水量；數值模擬

地下水控制是城市軌道交通深基坑工程安全施工的關鍵，工程降水是地下水控制的常用措施，但大量抽排地下水會導致巨大的水資源浪費。回灌工程與降水工程相結合是解決降水工程水資源浪費問題的有效手段。但在實際工程中，由于場地限制，回灌工程多臨近降水工程，回灌和降水的耦合作用勢必影響工程降水的效果。

鄭剛等[1]通過開展一系列抽水及回灌試驗，對基坑內外的水力聯系、不同含水層間的水力聯系和隔層回灌的效果進行了研究；楊坤[2]通過地鐵車站降水回灌工程研究，對高富水砂卵石地層可灌性進行了評價，但缺乏降水與回灌的相互影響研究；姚輝[3]提出了基坑降水回灌量及回灌井間距的設計方法；王國富等[4]通過矩陣評價法對深基坑降水工程回灌適用性進行分級；原華等[5]根據鏡像與疊加原理推導出承壓完整降灌井群耦合作用下的水位線方程，并基于此提出了降水回灌系統最優化設計方法；曾慶軍等[6]從地下水系統理論出發，闡述了深基坑工程降排水-注水系統優化抽(注)水量設計的建模過程及求解方法；賀亞魏等[7]開展了有回灌和無回灌條件下的不同井深的降水數值試驗，但缺乏實際工程試驗研究對比。

目前針對回灌對既有降水工程影響的研究較少，尤其是缺乏針對實際工程案例的監測和分析的系統性研究。依托北京某地鐵區間風井降水回灌工程，潛水層滲透系數大，回灌區離降水區較近，兩者之間的耦合作用顯著。利用現場實測數據、理論分析及數值分析等方法，開展了同層回灌對臨近降水工程的影響研究，并重點分析回灌對臨近降水工程涌水量的影響。

1 工程概況

1.1 工程和水文地質概況

北京某地鐵工程終點區間設置有正線及折返線共4條線，折返線段設有風井1座，區間風井兼做區間暗挖工作井。場地位于永定河沖洪積扇中部，為永定河沖洪積平原地貌。第4系地層厚度40 m左右，地面標高為40.2～44.97 m。場地各土層土性特征如下：①雜填土、素填土，層厚3.0～7.40 m；③細中砂，層厚0～2.10 m；④圓礫，層厚5.70～5.80 m；⑤卵石，層厚5.50～7.40 m；⑥卵石，層厚16.70～18.10 m，⑦-2強風化泥巖，層厚3.70～3.80 m，場地典型地層剖面見圖1。區域內共一層地下水，類型為潛水，水位埋深約24 m，主要賦存于卵石⑥層。該含水層滲透性能好，滲透系數大。地下水位在風井結構底板以上6～7 m，對施工影響較大，工程采用降水措施。

1.2 降水方案及涌水量估算

在不考慮臨近區域進行回灌的影響下，根據主體結構底板標高和地下水分布情況，利用規范大井法計算終點區間正線及折返線隧道和區間風井涌水量，計算結果見表1。

圖1 場地典型地質剖面

Figure 1 Typical geological section of the site

共布置160眼降水井(含區間風井)，井徑600 mm，井深40 m，平均井間距為7 m，降水井布置如圖2。先開展區間風井降水，區間風井施工完畢后，再進行暗挖區間及折返線降水施工。

圖2 降水井平面布置圖

Figure 2 Floor plan of precipitation well

1.3 回灌降水方案

由于工程含水層為卵石地層，含水層厚，滲透系數大，水位降深大，抽取地下水量大，直排將會造成巨大的水資源浪費。為節約地下水資源，并保證工程的安全施工，本工程選用降水與回灌相結合的措施控制地下水。結合場地條件選定區間風井東北方向，相距約640 m區域作為回灌場地。該場地東西長350 m，南北長14 m，北側緊鄰豐草河，但整個施工期內河內無水。該場區空曠，周邊建筑物少，具備輸水管線鋪設條件，是回灌場地的理想選擇。

根據現有場地條件，經單井回灌量設計及布置形式優化后，回灌井共布設南北兩排，間距10 m，每排42眼井，共計84眼。采用Φ529 mm的鋼管井，孔隙率為18%～20%。回灌井布置如圖3所示。降水區抽取的地下水經過沉淀池沉淀后，經由直徑1.6 m的主輸水管道排至回灌區，再由直徑200 mm的支管排至回灌井中，全部回灌至地下，回灌現場實際布置情況如圖4所示。

圖3 回灌井平面布置示意

Figure 3 Recharge well layout

圖4 回灌井實際布置

Figure 4 Recharge well actual layout

2 現場試驗研究

2.1 地下水位監測

為研究回灌對地下水位的影響，降水回灌施工現場布設若干水位觀測井，用于監測施工過程中的水位變化，水位觀測井布置如圖5所示。選取3個現場水位較為穩定時的監測數值，繪制水位剖面如圖6所示。

圖6中水位最低處為區間風井基坑降水中心，水位最高處為回灌區域中心。由圖可知，回灌中心與降水中心水位高差達12 m，形成較大的水力梯度，回灌后地下水勢必會回流至基坑內，增加基坑涌水量，從而影響降水工程。根據現場地下水位達到穩態情況下的數據，剔除異常數據后，利用surfer軟件生成地下水水位等值線圖如圖7所示。

圖5 水位觀測井平面布置

Figure 5 Water level observation well layout

圖6 水位監測剖面

Figure 6 Water level monitoring profile

圖7 實測數據生成地下水位線圖

Figure 7 Measured data generated groundwater level map

2.2 涌水量監測

為研究回灌對基坑涌水量的影響，現場安裝了外貼式超聲波流量計來實測基坑涌水量，如圖8所示。當地下水位降至基坑底以下且達到水位穩定時，基坑實測涌水量約為76 354 m3/d。

3 降水和回灌數值分析

3.1 地下水模型建立

數值模擬是反映地下水滲流情況的有效手段之一[8]，本次模擬采用有限差分軟件建立地下水數值模型。根據本場地水文地質條件，將模擬區域水文地質滲流系統概化、單元剖分，建立與之相適應的地下水非穩定滲流數學模型[9]。

Figure 8 Externally attached ultrasonic flowmeter

構建單層地下水非穩定滲流模型，并根據現場實際降水與回灌水量情況，將模擬期劃分為9個應力期，第1個應力期為5 d，第2個應力期為25 d，后8個應力期為一個自然月，共計9個月。通過數值模型計算生成地下水達到穩定時的水位等值線圖如圖9所示。

圖9 水位等值線模型

Figure 9 Water level contour model

3.2 數值模擬和水位實測結果對比分析

將現場實測數據生成水位線圖與數值分析結果進行對比，如圖10所示。結果顯示，數值模型計算地下水位等值線與實測值分布規律及水位值基本吻合，模型合理性與準確性得到驗證，可用于預測分析。

圖10 實測水位線圖與模型水位線圖擬合

Figure 10 Measured water level line and model water level line

模型校準后計算可得，當基坑水位降至結構底板以下并穩定時，無回灌影響情況下風井涌水量為56 248 m3/d，有回灌影響下的風井涌水量為78 690 m3/d。

4 回灌影響下的潛水完整井涌水量理論求解

4.1 求解公式理論推導

目前實際工程中，計算降水工程涌水量多采用等效大井法。等效大井法是將降水區域假設為一個具有等效面積的大井，利用裘布依穩定流基本方程來近似計算大井涌水量。毛根海等[10]利用完整井勢函數，通過勢流疊加原理得出了潛水完整井浸潤線的解析解計算公式：

該公式假設各降水井影響半徑相同均為1，各回灌井影響半徑相同均為2，則可通過含水層滲透系數，潛水含水層初始高度0，以及各降水井抽水量q和各回灌井回灌水量j′等，求解附近任意一點的潛水含水層高度。其中r，r′分別為該點距離第口降水井和第口回灌井的距離，分別為降水井和回灌井數量。

基于上述潛水浸潤線解析公式，假設各降水井抽水量相等，為1；回灌井流量相等，為2，同時引入等效半徑[11]。公式(1)變形可得回灌影響下的潛水完整井涌水量解析解計算公式：

其中，1=1，2=2，1取降水中心處含水層厚度。

根據公式(2)可知，已知初始含水層厚度0，降水區中心降深0–1，降水井及回灌井位置，回灌水量2，降水和回灌影響半徑1和2，即可得出回灌影響下的降水工程涌水量理論計算值。該公式可適用于驗算回灌影響下的涌水量。

4.2 理論計算結果分析

區間風井距回灌區約640 m，小于區間風井基坑降水影響半徑1.1 km，即回灌區位于區間風井降水影響范圍內。采用公式(2)對風井基坑涌水量進行計算。計算可得回灌影響下風井基坑涌水量為79 489.3 m3/d，計算參數如表2所示。

表2 回灌影響下區間風井涌水量計算參數

若無回灌，則2=0，根據公式(2)計算可得無回灌影響下涌水量為55 854.7 m3/d，最終，回灌導致風井基坑涌水量增加約42.3%。

5 結果分析

綜合以上理論計算、數值模型和現場監測結果，匯總如表3所示。

由表3可知，利用理論計算、數值模型分析及現場監測所得回灌影響下的風井基坑涌水量結果接近。對于無回灌影響情況下，風井基坑涌水理論計算與規范大井法計算值相差約3.3%，與數值模型預測值相差約0.6%。對于有回灌影響情況下，風井基坑涌水理論計算與現場監測數據相差約4.1%，與數值模型預測值相差約1%。驗證了公式(2)準確性。

表3 風井基坑涌水量對比

同時，根據理論計算和數值分析結果可知，回灌影響下風井基坑涌水量增加約40%，回灌對臨近降水工程有顯著影響。

6 結論

1) 以北京某地鐵工程區間風井降水回灌工程為例，通過現場實測數據及數值模擬方法，研究回灌對臨近降水工程的影響。水位實測結果表明，回灌與降水中心之間形成了連續且較大的水力梯度，回灌對降水工程的影響十分顯著。

2) 根據已有抽水-回灌潛水完整井浸潤線方程推導得到回灌影響下的降水涌水量驗證公式，計算出該工程回灌導致基坑涌水量增加約42.3%，并且與現場監測數據和數值分析結果較為接近。

3) 在北京某地鐵工程區間風井降水回灌工程中，回灌導致基坑涌水量增加約40%，對風井基坑降水效果影響較大。故在降水與回灌相結合的工程中，需開展綜合設計，充分考慮回灌對降水效果的影響，保證降水工程設計的合理性。

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[11] 薛禹群. 地下水動力學[M]. 北京: 地質出版社, 1987.

Influence of Recharge of Sandy Pebble Diving Layer on Precipitation Engineering in the Same Layer

XIAO Shuangquan1, ZHAO Gang2, 3, LI Lingyi1, KAN Shenglei2, 3, LI Daning1

(1. Beijing Municipal Road& Bridge Group Co., Ltd, Beijing 100045; 2.Beijing Urban Construction Survey Design & Research Institute Co., Ltd., Beijing 100101; 3. Beijing Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Deep Excavation of Urban Rail Transit, Beijing 100101)

The combination of recharge project and precipitation project is an effective measure that takes into account the safety of the project and the protection of groundwater resources. The central urban area is restricted by the layout of recharge sites and water pipelines. The recharge area is close to the precipitation area, and the scope of recharge and precipitation affect overlap. At this time, recharge and precipitation will inevitably have mutual effects. Taking the precipitation recharge project of a wind well sand and pebble diving layer in a subway project in Beijing as an example, combined with field tests, theoretical derivation, and numerical analysis, it is concluded that the recharge near the same layer will increase the flooding of the foundation pit by about 40%. The research has certain engineering guiding significance for the recharge project of sandy pebbles and other highly permeable submerged aquifers.

metro; Sand pebble diving layer; recharge; precipitation; water inflow; numerical simulation

TU413

A

1672-6073(2021)02-0111-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.018

2020-01-16

2020-02-02

肖雙全，男，高級工程師，主要從事巖土工程、地下水方面的研究工作，xshqtch@126.com

趙剛，男，碩士，主要從事巖土工程方面、地下水方面的研究工作，279673802@qq.com

肖雙全，趙剛，李凌宜，等. 砂卵石潛水層回灌對臨近同層降水工程影響研究[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：111-116.

Xiao Shuangquan, Zhao Gang, Li Lingyi, et al. Study on the influence of recharge of sandy pebble diving layer on precipitation engineering in the same layer[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 111-116.

（編輯：郝京紅）