基坑降水時長江Ⅰ級階地互層土中地下水運移規律

張紅章 ，李騰龍 ，范衛琴 ，熊宗海 ，程華強

（1.武漢豐達地質工程有限公司，湖北 武漢 430074；2.三明學院 建筑工程學院，福建 三明 365004；3.武漢市橋梁工程有限公司，湖北 武漢430074）

在基坑工程中，如果分布有互層土時，其下部砂層中承壓水常作為地下水控制的主要目標，而互層土層本身賦存的地下水則被忽略。事實上，不少的工程事故表明，大部分的滲透破壞發生于互層土含水層中，嚴重的還會造成圍護結構失效、周邊地面沉降[1-2]。

對于互層土水文地質參數的測定，國際上一般采用Slug試驗[3]。該實驗通過在現場回灌或抽水，導致井內水位發生變化，然后獲取水位的變化規律從而確定相應地層的水文地質參數。在國內主要采用室內試驗研究：胡靜[3]在實驗室展開了模型試驗，對互層土承壓水在降水過程中的“滯后”和“位差”現象進行分析，認為其“滯后”時間值和“位差”水位值大小，取決于兩層間地下水的聯系程度和互層的厚度及滲透性能。王翠英[1]結合武漢地區工程實例對“后滯效應”發生的原因進行闡述，提出“砂井疏導”結合“止水帷幕阻堵”可以降低基坑中互層土承壓水。蔡嬌嬌[4]采用現場群井抽水試驗的方法，通過在抽水試驗期間對不同深度含水層水位的觀測，結合各層土體性質及相關理論，對武漢一級階地基坑降水時地下水位變化規律進行了研究。文獻[5-8]主要對互層土巖土工程特性參數、振動孔壓以及承載力等方面進行了分析。

為揭示武漢長江Ⅰ級階地互層土因基坑降水引起水位變化的規律，開展了現場群井抽水試驗，總結了互層土降水時間與各水文地質參數之間的關系。

1 互層土地下水滲流現場試驗

試驗區為武漢人信匯北區深基坑工程，地貌上屬于長江Ⅰ級階地。試驗場地地下水類型可分為三層，上層為賦存于雜填土中的上層滯水；下層水為賦存于下部互層土及砂層中的承壓水；底層為基巖裂隙水，埋深較大，與承壓水有直接聯系。圖1為試驗區的工程地質剖面圖。

圖1 試驗區工程地質剖面圖

場區共設置5口降水井及5口觀測井，平面布置如圖2所示。砂層中承壓含水層水量大、水頭高，透水性強，是基坑降水的目標含水層，因此降水井（J-1～J-5）的濾管設置于圖3的④-1、④-2及④-3砂層中，觀測井分布于各含水層中，圖3顯示了各實驗井的深度及對應的含水層：G-1淺層觀測井監測上部地層①填土中上層滯水水位；G-2、G-3中層觀測井監測地層③互層土地下水水位；G-4、G-5深層觀測井監測地層砂層中承壓水水位。

圖2 實驗井平面布置圖

圖3 實驗井剖面布置圖

2 試驗結果

抽水實驗共進行10 d，抽水過程中持續對各觀測井水位進行觀測記錄。水位監測采用HOBO U20L自動水位采集儀。該儀器采用壓力傳感技術，使用時只用將儀器探頭提前放入觀測井對應點位即可。當地下水位發生變化時，傳感器將壓力信號傳輸并存儲，待實驗結束后，利用對應的數據采集儀器讀取水位變化數據。

通過10 d的實驗，得到了各實驗井地下水位降深變化數據，見圖4。從水位降深數據來看，在實驗期內，互層土含水層與砂層含水層的水位呈逐漸下降趨勢，但變化幅度不一。在降水過程中隨著抽水時間的增加，地下水位降深也逐漸增加，且在前期水位下降速度較大，后期水位下降緩慢，最后逐漸趨于穩定。

圖4 抽水實驗降深-時間曲線圖

10 d之內，降水井 J1、J2、J3、J4、J5 地下水位降深幅度最大，約為8～9 m；砂層中觀測井G4、G5的降深幅度僅次于降水井，降深達到了4～5 m；互層土地下水對應的觀測井G2、G3在實驗期間內變化相對較小，下降幅度均小于10 cm；填土中水位觀測井G1在實驗期內變化較小且不規律，呈波動穩定狀態。

各層地下水水位變化特征如下：

（1）觀測井G1變化不明顯，地下水位在實驗期間呈波動狀態，沒有明顯的變化規律。究其原因是填土層中的地下水僅受地表水或大氣降水影響，與下部承壓含水層之間間隔黏性土層，水力聯系微弱，其水位不受下部含水層變化的影響。

（2）觀測井G4、G5水位明顯下降，且在降水開始初期地下水位就有大幅的下降，打破了原有的地下水水力平衡，地下水呈漏斗形向降水井處進行補給。抽水初期，提供補給范圍較小，降水井出水速率明顯大于補給速率，此時表現為該層試驗井降深急劇增加，隨著降水時間增加，降水漏斗范圍擴大，補給量及補給速度增加，水位下降速度明顯變慢，并逐漸趨于穩定。

（3）觀測井G2、G3水位為本次實驗觀測重點，實驗結果顯示在實驗期間G2、G3觀測井地下水水位變化較小，呈穩定下降趨勢。該含水層水平方向上滲透性很好，而在垂直方向上滲透性較差，兩個方向的滲透系數相差1～2個數量級，且明顯小于下伏砂土層。實驗期間G2、G3水位雖然持續下降，但下降的速度與幅度均較小，水頭下降平均速度約為2 cm/s，10 d內水位共下降約20 cm。

從抽水實驗結果來看，在降水過程中，互層土地下水水位并未隨砂層承壓水位的降低而同步下降，存在明顯的滯后現象，這通常會導致互層土含水層中承壓水無法得到有效緩減，存在較大基坑滲透破壞的風險。該結果也表明，互層土含水層與下部砂層承壓含水層存在巨大的差別，不能簡單的將兩者看作統一的承壓含水層，而是應針對兩者的特點“分而治之”。

3 互層土地下水水頭變化規律分析

在降水條件下，互層土中地下水運移往往可以看作在下部砂層的承壓水頭降低后向砂層中的補給。

假定互層土由粘性土和砂性土交互重疊而成，假定各土層的厚度為hi，滲透系數為ki，如圖5所示。

由土力學[9]中關于層狀地基的等效滲透系數的計算可知，互層土層垂直方向上的等效滲透系數為：

式中kz為互層土層垂直方向等效滲透系數；H為互層土層厚度；hj為互層土中第j層單元層的厚度；kj為互層土中第j層單元層的滲透系數。

實際工程中，互層土層中各粘性土單元層滲透系數差異不大，各砂性土單元層同樣也區別不大，同時互層土層單元層的厚度雖然由上至下有逐漸變厚的趨勢，但是其粘性土層與砂性土層厚度的比例一般變化不大。據此圖5可以做如下簡化,粘性土單元各層滲透系數均為kn，砂性土各層滲透系數均為ks，粘性土層總厚度占互層土總厚度的比例為a。因此（1）式可以寫成：

圖5 互層土層垂直等效滲透系數計算示意圖

由于粘土層滲透系數kn較小，且與粉砂層滲透系數ks相差兩個數量級，因此互層土等效滲透系數主要受粘土層控制，因此kz可以近似看作

承壓含水層上部為互層土過渡層，下部為砂層承壓含水層?？紤]開挖工況下基坑降水使得基坑承壓水頭下降恒定值。承壓含水層中的水頭下降將誘發互層土地下水發生越流，補給下層砂層。對于基坑中心區域而言，該問題可以簡化為一維滲流問題進行求解。在滲流過程中，互層土含水層具備一致的承壓水頭，且滲透系數保持不變。下部承壓水頭變化可作為邊條件界直接作用于砂層與互層土的接觸面上，如圖6所示。

結合基坑降水經驗可知，降水過程中砂層承壓含水層地下水水頭在短時間內就基本達到平衡，在此期間可忽略互層土地下水水頭的變化。設在時間t=0時刻砂層承壓水水頭下降至穩定狀態，互層土與砂層初始水頭差為，經過一段時間Δt后，互層土層中地下水不斷向下層砂層釋水，在時刻t=t2的水頭差變為H2，示意圖見圖7。

降水開始后任意時刻t互層土與下部砂層的水頭差為ΔH，經過dt時間段后，互層土地下水水頭下降dh，則dt時段內單位橫斷面積互層土釋放的水量微增量為

圖6 深基坑斷面示意圖

式中S為互層土的儲水系數，可表示為[10]

式中SS為互層土單位厚度儲水系數；b為互層土層厚度；α為互層土體積壓縮系數；β為水體彈性壓縮系數；n為孔隙度；γ為地下水的重度。

根據達西定律，dt時段內單位橫斷面積互層土滲流量為

圖7 互層土地下水釋水示意圖

根據水流連續原理，應有dVe=dVo。

從而可得時間Δt與與水頭差H1、H2的關系式

由式（7）可知

（1）基坑降水時降低了砂層中地下水水頭，從而使互層土含水層在水頭差作用下向下補給、互層土層地下水位隨之降低，其所需時間與互層土中粘土層厚度占總厚度的比例、互層土的貯水系數及互層土層厚度成正比，而與粘土層的滲透系數成反比，因此不同互層土，降水難度不同。

（2）降水目標水頭H2與互層土含水層中降水時間Δt呈指數關系，當目標水頭H2越低，所需時間卻呈指數增長。這也表示在降水過程中，互層土水頭下降速度將逐漸減弱?；油林械牡叵滤荒軓氐资韪?，而是逐漸降低然后維持在某一水位，對基坑穩定不利。

（3）實際工程中，降低互層土含水層水頭，可以采取兩種措施：①提前進行砂層預降水，即延長時間Δt。②在一定范圍內增大互層土含水層與砂層含水層初始水頭差H1，即加強對砂層含水層的抽水力度，使得砂層中地下水水頭下降更多。

4 結論

在武漢人信匯基坑進行現場群井抽水試驗，觀測了抽水過程中各含水層水位變化，發現互層土中地下水水位在降水過程中呈穩定下降趨勢，但相對砂層承壓水位的變化，互層土含水層存在明顯的滯后。在此結論的基礎上，將互層土層簡化為兩種滲透系數不同的土層交互構成，并假定其中粘性土單元層滲透系數為kn，砂性土層滲透系數為ks，從理論上推導了降水過程中互層土地下水水頭隨降水時間變化的公式。通過公式可得

（1）互層土含水層水頭下降難度與互層土中粘土層的比例、土體體積壓縮系數、土體孔隙度及互層土厚度的平方成正比，與粘土層的滲透系數成反比。

（2）在實際工程中，當需要將互層土含水層水頭降至一定范圍內時，可以采取兩種措施：①提前預降水；②增大互層土層與砂層水頭差。