基坑内外水力联通对降水试验结果影响对比研究

1　研究背景

在基坑工程中，地下水的控制至关重要，除了需要通过疏干降水满足土方开挖的干作业要求外，为了防止突涌，可能还需要对承压水进行减压。但由于地层或挡水结构的原因，对基坑内承压水的减压甚至是对潜水的疏干，都可能会造成基坑外土层的水位变化。造成坑外水位变化主要有以下原因：一是含水层未被止水帷幕完全截断，坑外地下水对坑内进行绕流补给，使坑外的水位降低；二是虽然止水帷幕截断承压水进入下覆隔水层，但由于下覆隔水层厚度不均，或者包含粉土透镜体等原因，导致渗透性较强，引发基坑内外产生较大的水力联系。此外，止水帷幕自身缺陷引发的渗漏也会使基坑内外产生水力 联系。WU等通过数值模拟，研究了基坑降水时由于止水帷幕的渗漏引发基坑外沉降的特点以及影响因素。ZHANG等通过对4个工程的实测结果分析发现，在降水期间坑内降水引发坑外的水位下降时，基坑支护结构产生的变形较小，但基坑外地层的沉降将增大。王硕等依托抽水试验，建立有限元模型，发现基坑内外存在水力联系，会对围挡的变形产生影响。由此可见，基坑内外存在水力联系会使基坑的变形规律变得十分复杂，对有无水力联系的基坑，所采用的支撑方法也不相同，当基坑内外水力联系较大、坑内降水会引发一系列环境问题时，还需考虑采用回灌，以控制坑外的水位，进行降水试验可判断基坑内外是否存在水力联系，以做好变形监测。

本研究介绍了天津市Z2线渤龙湖站—春华站区间的两个基坑工程的降水试验。结合降水试验结果，分析了基坑内外存在水力联系与不存在水力联系条件下水位降深的变化规律，总结分析基坑所在区域不同位置观测井的水位变化曲线特征，为工程中降水试验判断基坑内外是否存在水力联系提供了参考依据。

2　基坑内外无水力联系降水试验

2.1　工程概况

该试验基坑所在位置的周边环境相对简单，距周边建筑物较远。场地内地质条件较为复杂，揭示的承压含水层自上而下可分为3个含水层。基坑宽度为18.7~25.1m，开挖深度为1.67~15.6m，明挖段长度为226.589m，地下连续墙厚0.8m，隔断第一承压含水层，未隔断第二承压含水层。

根据地质勘探资料，场地内揭示的承压含水层自上而下可分为3个含水层，2为第一层承压水，以1粉质粘土层为主要隔水层。第一层承压水主要接受上层潜水的渗透补给，与上层潜水水力联系紧密，以地下径流方式排泄，同时以渗透的方式补给下部承压水。第一承压水水头标高为±0.000m左右。场地内2–4、4为第二层承压水，以1粉质粘土层、1–1粘土、1粉质粘土为主要隔水层。第二承压水主要接受第一承压水和潜水的渗透补给。第二承压水水头标高为–3.000?m左右。场地内1–4及以下土层为第三层承压水，以5粉质粘土、1粉质粘土为主要隔水层。第三承压水主要接受第二承压水的渗透补给。第三承压水水头标高为–6.000m左右。

本次基坑开挖的长度共计226.589m，基坑宽度为18.7~25.1m，开挖深度为1.67~15.6m，地下连续墙厚度为0.8m，区间地下连续墙段墙长28~38m，插入比为1.06，根据地勘报告，本段范围内地下连续墙隔断第2层承压水层，未隔断第2–4承压水层。

2.2　降水试验过程

本次试验采用的抽水试验井为坑内疏干井、其他观测井，如将各层承压水备用观测井及坑外各层水位观测井作为观测井记录水位变化。试验井参数见表1。

表1　降水井及观测井参数统计

   

在抽水过程中同步观测坑外的地下水水位动态变化，如果基坑外水位随基坑内部抽水过程同步降低，则说明该观测井附近基坑内外存在水力联系。

抽水观测时间按开泵后规定的时间间隔进行，各类水位观测井时间间隔如下：坑内疏干观测井每隔30min观测1次，1200min后每隔2h观测1次，直至抽水停止；坑内承压水备用观测井每隔2h观测1次，直至抽水停止；坑外水位观测井每隔2h观测1次，直至抽水停止。

本次降水试验分为单井试验和群井试验。疏干井内下泵深度为井底以上1~2m。本次抽水试验工况安排见表2。

表2　抽水试验过程

   

2.3　单井试验降水结果分析

选取S40进行单井试验，S41、S42、S38、S39为坑内观测井，Q21~Q22为坑外水位观测井。试验区域布置如图1所示。

   

图1　抽水试验布置示意

单井抽水试验期间，S40降水井前期出水量约1.35m ³ /h，后期出水量逐渐减小，出水量约0.30m ³ /h，动水位埋深稳定在7.61m左右。试验过程中观测井内水位降深变化如图2所示。根据单井试验观测井水位变化曲线可知，单井抽水期间，坑内疏干井出水量正常，疏干效果良好。坑外观浅层观测井水位降深0.03~0.06m，水位变化稳定，无明显下降趋势，满足控制要求。降水期间，坑内观测井的水位变化很小，说明开挖范围内土体渗透性较差。由图2中Q21和Q22水位变化曲线可知，两口观测井的水位变化较小，说明基坑内外的水力联通较弱，或基本不存在水力联通。

   

图2　单井试验期间基坑内外观测井水位变化特征曲线

2.4　群井试验降水结果分析

群井试验共持续96h，本试验疏干井内下泵深度为井底以上1~2m。选取坑内S41及坑外全部观测井作为水位观测井，坑内其余疏干井全部为抽水井。群井抽水试验共进行72h，停泵后进行24h的水位恢复观测。

群井抽水期间，对抽水井进行动水位观测，试验基坑内疏干井动水位埋深稳定在5.35~9.42m。疏干井前期出水量为0.3~0.5m3/h，后期出水量逐渐减小，出水量为0.1~0.2m ³ /h（图3）。

   

图3　群井试验期间基坑内外观测井水位变化特征曲线

群井抽水期间，坑内疏干井出水量正常，疏干效果良好。群井抽水期间，随着抽水时间的增加，S41中的水位降深不断增加，并逐渐稳定，抽水井停止抽水后，S41中的水位逐渐恢复，并最终达到稳定。坑内观测井S41最终水位埋深为5.46m，满足基坑大面积开挖埋深4.542m（已现土面为基准面，已开挖2m左右）的水位需求，满足土方开挖条件。群井抽水期间坑外观浅层观测井水位降深为–0.11~0.10m，水位变化平缓，无明显下降趋势，说明基坑内外的水力联系较弱，满足控制要求。

3　基坑内外有水力联系降水试验

3.1　工程概况

本试验与上述试验同属Z2线渤龙湖站—春华站区间，工程水文地质条件与上述试验所在场地较相似。基坑长度共计177.7m，宽为21.01~12.64m，深18.4~11.1m，一期工程基坑共设置疏干井16口，观测井20口。降水井及观测井参数统计见表3。地下连续墙材料采用C35P8，厚0.8m，深28~36m，为锁口管接头。墙趾位于1层粉质粘土，隔断第一层承压水层，未隔断第二层承压水层。

表3　降井及观测井参数统计

   

3.2　降水试验过程

本工程共进行二次降水试验，其中包括单井试验和群井试验。各个试验井的开启情况见表4。抽水试验布置如图4所示。

表4　抽水试验过程

   

   

图4　抽水试验布置示意

3.3　单井试验降水结果分析

选取S2进行单井试验，S1、S3为坑内观测井，C2、Q2为坑外水位观测井。抽水共进行了24h，随后进行了24h的水位恢复观测。单井抽水期间，S2降水井前期出水量约1.25m ³ /h，后期出水量逐渐减小，出水量约0.60m ³ /h，动水位埋深稳定在10.32m左右。

由图5可以看出，S3、S1、S2这3口坑内井的水位随着S2抽水的开始，水位逐渐降低，且在抽水开始时，水位降低幅度较大，随着时间的增加，水位降低的幅度放缓，并保持一定的幅度不变。本次降水试验期间，坑内观测井的水位降深一直增加，与上述试验相比，没有水位降深保持不变的阶段，结合降水井C2、Q2的降深曲线变化，其原因可能是基坑中的含水量较大，本次降水试验只进行了24h，并不能疏干基坑中的水，并且降水井附近的土层渗透性较好，水力补给较强。S3、S1、S2的水位埋深变化的斜率十分相似，进一步验证了上述说法。单井抽水期间，坑内疏干井出水量正常，疏干效果良好，并且该基坑出水量较大，基坑下部土体渗透性较好。整个单井抽水期间，坑外浅层观测井水位降深0.02~0.22m，水位变化稳定，无明显下降趋势，满足控制要求。

   

图5　单井试验期间基坑内外观测井水位变化特征曲线

3.4　群井试验降水结果分析

群井试验共持续96h，本试验疏干井内下泵深度为井底以上1~2m。选取坑内S3、S10及坑外全部观测井作为水位观测井，坑内其余疏干井全部为抽水井。群井抽水试验共持续72h，停止抽水后停泵水位恢复观测24h。

群井抽水期间对抽水井进行动水位观测，试验期间基坑内疏干井动水位埋深稳定在13.81~20.81m。疏干井前期的出水量为1.25~1.91m3/h，后期出水量逐渐减小，出水量为0.3~0.5m3/h。

如图6所示，坑内观测井S3、S10最终水位埋深为17.65m、14.12m，满足基坑开挖埋深9.94~16.46m（已现土面为基准面，已开挖2m左右）的水位需求，满足土方开挖条件。降水期间，坑内疏干井出水量正常，疏干效果良好。

   

图6　群井试验期间基坑内观测井水位变化特征曲线

如图7所示，群井抽水期间，随着抽水井的开启，坑外承压水观测井水位降深逐渐增加，最大观测井的水位降深达到1.06m；随着抽水的停止，下降的水位开始恢复，原因考虑为第一层承压水与基坑有一定的水力联系，由此导致坑外承压水水位降低。若这种水力联系是由止水帷幕的缺陷所致，那么只有靠近地下连续墙渗漏部分处的观测井才能观测到水位下降。但结果显示，大部分坑外承压层观测井都产生了较大的水位下降，因此从观测井的水位变化推测可得出，因基坑止水帷幕墙趾处的土层渗透系数较大，使承压水产生绕流，从而导致基坑内外产生较大的水力联系。

   

图7　群井试验期间基坑外承压层观测井水位变化特征曲线

如图8所示，在群井抽水期间，坑外观浅层测井水位降深为0.04~0.76m，其中Q5降深较大，为0.76m，经排查是由于初始水位不稳定造成的，其余浅层观测井水位变化平缓，下降趋势较不明显。进一步说明基坑内外产生较大水力联系的原因是墙趾土层渗透系数较大，使承压水产生绕流，而不是止水帷幕的缺陷。

   

图8　群井试验期间基坑外浅层观测井水位变化 特征曲线

从上述试验结果看，基坑内外有无水力联系情况下进行的降水试验结果区别很大。对于基坑内外无水力联系或水力联系较小的工程，在降水期间，基坑内的观测井随着降水时间的增加，观测井的水位先下降，随后进入稳定的状态，停止抽水后，水位开始恢复，并最终达到稳定。坑外的观测井水位变化平缓，无明显下降趋势。对于基坑内外存在水力联系的工程，降水期间基坑内的观测井水位不断下降，但水位下降速率逐渐减缓，本试验中的水位最终未能达到稳定的状态，可能是由于抽水时间较短并且水力补给较强。抽水期间，基坑外的承压观测井水位产生下降，根据不同位置观测井的水位变化，可以判断基坑内外产生水力联系的原因。

4　结论

本研究介绍了天津市Z2线渤龙湖站—春华站区间的两个基坑工程的降水试验，并对降水试验的结果进行了对比分析。两个降水试验的距离相距较近，水文地质条件类似，但依据降水试验结果可知，两处基坑与基坑外的水力联系区别较大。对比两种情况下进行降水试验不同位置观测井的水位降深曲线，总结并归纳了不同的产生基坑内外水力联系的原因，主要结论如下。

（1）根据不同平面位置的观测井的水位降深曲线可以推测产生水力联系的不同原因。如果是个别位置的观测井产生水位下降，则可能是止水帷幕的渗漏所致；若大部分不同位置的观测井都产生了水位变化，那么可能是未完全截断承压水或隔水层渗透系数较大所致。

（2）根据不同观测深度观测井的水位降深曲线可以进一步确定产生水力联系的原因。如果不同观测深度的观测井都有水位的下降，其原因可能是止水帷幕渗漏；若只有观测承压层水位的观测井产生水位变化，很有可能是含水层渗透系数较大或透镜体较多产生的承压水绕流所致。

（3）抽水试验较短时，水位变化较大，建议加强坑外观测井的监测频率。土方开挖期间，除了坑外水位观测井日常监控测量水位，还应加强对坑内围护结构的巡视，查看围护结构处有无渗水现象，发现问题及时采取补救措施。后期持续观测所有坑外观测井的水位动态，分析有无异常水位，对地下围护结构的渗漏实现早发现、早分析、早处理 。