濟南地區粉質黏土層豎向滲透系數反演分析

【摘 " "要】：為了研究濟南地區粉質黏土層豎向滲透系數，以濟南軌道交通3號線某基坑降水工程為例，通過際降水試驗運行參數反演模擬地層滲透性參數，得出開挖范圍內的主要土層粉質黏土層的滲透性參數，根據模擬反演計算得出，該區域的粉質黏土層的滲透性遠大于勘察報告提供的參數。

【關鍵詞】：粉質黏土；滲透系數；降水模擬；反演計算

【中圖分類號】：U231.3 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）05-60-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.016

Inversion Analysis of Vertical Permeability Coefficient of Silty Clay Layer

in Jinan Area

WANG Jing，NIU Lei，PAN Hu，LIU Yudong

（Shanghai ChangKai Geotechnical Engineering Co.， Ltd， Shanghai 200093， China）

【Abstract】： In order to study the vertical permeability coefficient of the powdery clay layer in Jinan area， this paper relies on a foundation pit dewatering project of Jinan Rail Transit Line 3，uses precipitation test operation parameters to invert and simulate the permeability parameters of the geological strata， and obtains the permeability parameters of the main soil layer， the silty clay layer， within the excavation range. According to the simulation inversion calculation， the permeability of the silty clay layer in this area is much higher than the parameters provided in the survey report.

【Key words】： powdery clay；permeability coefficient；precipitation simulation；inversion calculation

黏性土在常規水文地質分析中，一般作為弱透水層或者隔水層，能夠有效隔斷上下含水層的水力聯系，該層的透水性較差，富水性貧乏；而從大量基坑的降水施工經驗看，在濟南地區獨特發育孔隙的黏性土地層透水性和富水性都有別于常規黏性土。目前，對濟南地區滲透性研究較少，往往根據經驗認為黏性土地層富水性差，滲透系數小[1]。從宏觀上看，濟南地區的粉質黏土層透水性好，富水性強[2]，與勘察中給出的室內試驗滲透性結果又較大的差異。

本文以濟南軌道交通3號線某基坑為例，借助該基坑前期的降水設計（依據勘察報告給出的參數為基礎進行的設計），通過針對性的生產性降水試驗數據采集和反復驗證，選用數值模擬的手段，模擬反演地層參數，獲取較為真實的反應試驗區域黏性土層滲透性參數，為類似施工項目提供后續施工借鑒和參考。

1 工程概況

濟南軌道交通3號線某車站風井為雙層三跨結構，全長為82.0 m（包括端墻）、總寬21.6 m，底板埋深約18.86 m、開挖深度為19.06 m，頂板覆土厚度約3.9 m，明挖法施工，主體圍護結構采用地下連續墻+內支撐方式。地下連續墻厚800 mm、長33 m，墻底進入14-1粉質黏土層中；內支撐系統采用鋼筋混凝土支撐+鋼支撐形式，沿基坑深度方向設置3道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，截面 800 mm×800 mm；第二道為?800 mm×20 mm鋼管支撐，第三道為?800 mm×20mm鋼管支撐。

地面整平標高22.00 m，基坑面積約1 839.4 m2。

2 工程地質與水文地質條件

鉆探深度范圍內揭露第四系地層有1-1素填土、1-2雜填土、2-1粉質黏土、2-3粉土、6-1粉質黏土、7-1粉質黏土、9-1粉質黏土、10-1粉質黏土、13粉質黏土含姜石、14-1粉質黏土、16-1粉質黏土、17-5粉質黏土。 風井坑底位于9-1粉質黏土層、10-1粉質黏土層，地下連續墻墻底位于14-1粉質黏土層。

擬建場地屬于濟陽水文地質單元。根據現場地質鉆探孔及搜集附近水文地質資料，本水文地質分區地下水主要為第四系松散孔隙潛水。 該分區位于黃河向小清河的徑流區，地下水主要賦存于含碎石粉質黏土、粉土、粉砂及黏性土中，地下水類型主要為孔隙潛水。地下水主要補給來源為黃河的側向補給、大氣降水補給，以蒸發、地下水徑流以及人工取水為主要排泄方式。擬建場地勘察期間地下水埋深2.60～7.00 m，地下水穩定水位14.99～17.49 m，抗浮設防水標高為21.70 "m。

根據室內試驗結果分析，2-1～16-1層黏性土及粉土滲透系數存在差異，均質黏性土滲透系數一般在10-6 cm/s級別，均質粉土滲透系數一般在10-5 cm/s級別。

根據多孔綜合抽水試驗結果，30 m范圍內地層的綜合滲透系數為1.18×10-3～2.23×10-3 cm/s，滲透性強。

3 降水試驗

3.1 設計思路

結合勘察提供的水文地質參數及相關經驗，計算基坑總涌水量，通過計算單井出水能力，獲取整個基坑抽水井的數量，基坑內共設置12口降水井。見圖1和表1。

在基坑開挖之前，預留S6作為觀測井，對其他降水井進行3 d抽水試驗，驗證坑內水位是否能降至開挖面以下。

3.2 降水試驗發現的問題及采取措施

根據試驗，采用功率10 t/h的水泵，動水位20 m左右趨于穩定，靜水位11 m趨于穩定。見圖2。

開挖范圍內黏性土層出水量較大，原設計的降水設備型號無法滿足要求，必須采取措。

1）更換大功率抽水設備。更改為功率30 t/h的抽水泵，動水位緩慢降至井底，靜水位在17 m左右趨于穩定，距離基底以下1 m，還有3 m的水頭差，無法滿足開挖要求。見圖3。

2）增加降水井數量。增加4口降水井后進行試驗驗證，水位緩慢降至21 m趨于穩定。從補井后總的坑內降水井數據，反推面積法計算井數量，單井控制面積按照120 m2計算，坑內降水井的數量能夠滿足基坑開挖要求。見圖4和圖5。

4 模擬反演分析

從降水試驗驗證來看，開挖范圍內的粉質黏土層的滲透性要遠大于勘察報告提供的參數值且單井影響面積較小，降水井影響半徑較小，出水量較大。主要由于粉質黏土層含豎向不規則裂隙發育，其滲透性通過常規的勘察手段無法有效獲取，因此擬采用數值模擬反演方法，獲取地層有效的參數考。

結合工程實例，考慮存在圍護結構擋水作用、群井抽水作用及地層分布等因素，真實模擬抽水試驗場景，帶入實際抽水參數。

4.1 模擬參數賦值

依據場地工程地質條件，結合基坑結構、設計要求及抽水井、止水帷幕的深度等條件，豎向上從上向下土層總共分成3層，地表埋深取0 m，底部取16-1粉質黏土層底埋深約41 m。見表2。

整個剖分區域呈長方形，根據場地實際水文地質結構特征，遵循邊緣單元稀、基坑中心單元密的原則，對研究區進行三維剖分。將整個計算區域在平面上剖分成358×420的矩形網格單元，分3層。見圖6。

4.2 模擬反演結果

試驗初期，未增加井數量和未更換水泵的情況下，試驗數據無法滿足基坑開挖要求的實際情況下，模擬反演擬合完成的曲線，計算的靜水位降至約11 m，與實際試驗采集數據基本吻合。見圖7。

按照實際情況，增加4口降水井后，進行模擬預測與實際參數的對比，模擬計算結果與實測數值擬合度較高，說明通過模擬反演出來的數據能夠較為真實的反應地層數據情況。見圖8。

擬合曲線反推粉質黏土層水平滲透系數為3.2 m/d，豎向滲透系數為10.8 m/d，水平向滲透系數的模擬計算結構同勘察報告給出的滲透系數數值相近，豎向滲透系數按照以往經驗一般取值為水平向的0.1～0.2倍，該經驗取值不適應濟南區域裂隙發育明顯的粉質黏土層。

5 結論

1）由于粉質黏土層中發育有裂隙通道，導致該層土豎向滲透性較大，根據模擬反演分析，粉質黏土層水平滲透系數3.2 m/d，與勘察報告給出的滲透系數取值基本相符，而豎向滲透系數遠大于水平向滲透系數。由于特殊性裂隙發育的原因，粉質黏土層垂向滲透系數反演求得為10.8 m/d，并且該數值經過進一步與實際試驗數據驗證對比，保證了其可靠性。

2）針對濟南區域粉質黏土層為主要地層的基坑，單井有效控制面積設置為120 m2，能夠滿足基坑開挖要求，降水井深度位于基底以下10 m，能有效的起到降水作用。

3）本文針對粉質黏土層，其他含土層基坑降水設計需要結合不同地層的情況進行有針對性的設計。

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