汪旭瑋，楊天亮，許燁霜,，袁垚

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200240；2.國(guó)土資源部地面沉降監(jiān)測(cè)與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海，200072；3.上海交通大學(xué)土木工程系，上海，200240)

沿海地區(qū)大多為軟土地層，且地下水位較高，為保證深基坑開挖的安全穩(wěn)定，常常需要對(duì)承壓含水層進(jìn)行減壓降水。承壓含水層的減壓降水是深基坑工程施工中坑外地表沉降及鄰近建筑物變形的重要原因之一[1]。基坑降水引起的環(huán)境效應(yīng)與止水帷幕的施工、降水井或回灌井的布置、基坑開挖等因素密切相關(guān)[2]?；咏邓^程中，止水帷幕會(huì)阻擋地下水滲流，從而影響地下水位、滲流速度和滲流方向等[3?5]。WU 等[6-7]基于現(xiàn)場(chǎng)情況或采用有限元模擬研究了止水帷幕影響下基坑降水引起的地下水滲流。已有研究表明止水帷幕和抽水井的聯(lián)合作用(墻井作用)對(duì)基坑內(nèi)外的水位控制至關(guān)重要[8?10]，因此，需要對(duì)墻井作用下的基坑降水效應(yīng)進(jìn)行研究。室內(nèi)試驗(yàn)由于操作便利被用于地下水滲流研究[11?12]。唐益群等[13]在模擬某地鐵車站基坑降水的室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)黏土作為隔水層，由于黏土固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，未能體現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)快速高效的特點(diǎn)。王建秀等[14]提出在砂土上覆蓋蓋板來實(shí)現(xiàn)承壓性，但該方法難以模擬多層含水層間的越流效應(yīng)。如何模擬含水層的承壓性是承壓含水層中基坑降水室內(nèi)試驗(yàn)需解決的關(guān)鍵問題。特定相似材料常被用于地下工程模型試驗(yàn)，如隧道涌水模型試驗(yàn)、深井底板突水試驗(yàn)以及地質(zhì)力學(xué)模型等，結(jié)果表明隔水層相似材料可兼具黏土性能及良好的隔水性[15?17]。本文通過基坑降水室內(nèi)試驗(yàn)來研究墻井作用下基坑降水引起的地下水位變化，在室內(nèi)試驗(yàn)中應(yīng)用相似材料來模擬承壓含水層上覆隔水層黏土。

1 基坑降水室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematics of laboratory test system

圖1所示為試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖2所示，模型箱周邊設(shè)置2 道槽鋼圍檁限制側(cè)向變形，底部設(shè)排水孔。由圖1(a)可見試驗(yàn)設(shè)備由模型箱、供水系統(tǒng)、止水帷幕、井點(diǎn)系統(tǒng)及抽水泵組成，模型箱是長(zhǎng)×寬×高為3.5 m×3.5 m×1.5 m的長(zhǎng)方形鋼制箱體。供水系統(tǒng)為4組沿模型箱側(cè)壁豎向平行排列的空心PVC 管，管壁開孔作為進(jìn)水孔。止水帷幕采用長(zhǎng)為0.8 m、寬為0.4 m的無蓋無底鋼板箱。井點(diǎn)系統(tǒng)由抽水井及水位觀測(cè)井構(gòu)成。由圖1(b)可見試驗(yàn)中共布置6 口抽水井，19 口觀測(cè)井。井點(diǎn)均為直徑25 mm的空心PVC 管制作而成。井點(diǎn)豎向位置如圖1(c)所示。抽水泵額定電流為5 A，最大流量為5 L/min。每種工況正式試驗(yàn)前進(jìn)行1次預(yù)先試驗(yàn)以確定各抽水井的抽水速度，保證觀測(cè)井G0的水位能達(dá)到目標(biāo)降深。

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.2 Pictures of laboratory test system

1.2 試驗(yàn)材料

由圖1(c)可見：試驗(yàn)土體為3 層，自下而上分別為0.6 m厚的承壓含水層、0.3 m厚的隔水層以及0.3 m厚的潛水層。

1.2.1 含水層

含水層材料顆粒級(jí)配曲線如圖3所示。根據(jù)文獻(xiàn)[18]判定潛水含水層材料為中砂，承壓含水層材料為粗砂；其余參數(shù)按照文獻(xiàn)[19]測(cè)得，如表1所示。

1.2.2 隔水層

隔水層采用相似材料模擬，其中相似材料由粗骨料、細(xì)骨料及黏結(jié)劑混合而成[20]。粗骨料為粒徑小于1 mm的中砂；膨潤(rùn)土遇水膨脹形成膠體，充填入土顆粒間，可以減小中砂顆粒之間的空隙，提高隔水性，因此，選用其作為相似材料的細(xì)骨料顆粒；黏結(jié)劑選用不易溶于水的硅油和醫(yī)用凡士林。通過凡士林與硅油含量的變化，改變材料的滲透性、黏聚力等基本性能。

實(shí)驗(yàn)原料按照m(中砂):m(膨潤(rùn)土):m(硅油):m(凡士林)=1.00:0.24:0.04:0.14的比例配置(其中，m為質(zhì)量)，中砂的參數(shù)及顆粒級(jí)配見表1和圖3。配置步驟如下：先將中砂與膨潤(rùn)土按比例混合并充分?jǐn)嚢?，再將硅油倒入攪拌并混合均勻，最后將融化的凡士林倒入攪拌至無明顯塊狀固體，得到最終的相似材料。按土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得相似材料參數(shù)如表2所示，可用于模擬隔水層黏土。各工況抽水速度見表3。

1.3 試驗(yàn)工況及步驟

通過改變過濾段長(zhǎng)度及止水帷幕插入承壓含水層深度來研究墻井作用對(duì)基坑降水的影響，共為3種工況，如表3所示，具體試驗(yàn)步驟如下。

圖3 試驗(yàn)用含水層材料的顆粒級(jí)配曲線Fig.3 Grading curves of the aquifer used in the test

表1 試驗(yàn)砂土參數(shù)Table 1 Parameters of sand soil

表2 相似材料參數(shù)Table 2 Parameters of similar material

表3 各工況抽水速度Table 3 Dewatering velocity of each case mL/s

1)試驗(yàn)準(zhǔn)備。組裝好試驗(yàn)裝置，并在模型箱內(nèi)鋪設(shè)試驗(yàn)土體，土體鋪設(shè)過程中按圖1(b)所示平面位置埋置止水帷幕及井點(diǎn)系統(tǒng)，其中觀測(cè)井濾管長(zhǎng)度固定為200 mm，濾管底部距模型箱底部100 mm，止水帷幕及抽水井的埋設(shè)深度根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)整。

2)飽和固結(jié)。開啟供水系統(tǒng)向模型箱內(nèi)部供水，至水滲出潛水含水層表面停止供水；模型箱內(nèi)土體飽和固結(jié)24 h 后，人工觀測(cè)并記錄各觀測(cè)井內(nèi)水位高度，并將其作為初始水位，本試驗(yàn)承壓含水層初始水位為+0.015 m(地表以上為正)。

3)標(biāo)準(zhǔn)工況(I)。此工況止水帷幕插入承壓含水層300 mm，抽水井濾管上端位于承壓含水層頂板處，濾管長(zhǎng)度為200 mm。打開供水系統(tǒng)，并從抽水井內(nèi)抽水進(jìn)行基坑降水試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中使模型箱四周水位保持初始水位不變，記錄各個(gè)觀測(cè)井內(nèi)水位隨時(shí)間變化，至水位穩(wěn)定結(jié)束。

4)變過濾段工況(II)。保持止水帷幕插入深度300 mm不變，改變抽水井過濾段長(zhǎng)度分別為300，400，500和600 mm，重復(fù)基坑降水試驗(yàn)。

5)變止水帷幕工況(III)。抽水井過濾段長(zhǎng)度設(shè)為200 mm，保持過濾段長(zhǎng)度及埋深不變，改變止水帷幕插入深度分別為0，360，450和500 mm，重復(fù)基坑降水試驗(yàn)。

對(duì)上述每種工況進(jìn)行3次平行試驗(yàn)以減少試驗(yàn)過程中的誤差。對(duì)每種工況通過調(diào)整抽水流速，控制基坑中心觀測(cè)井G0的最終穩(wěn)定水位均約為?0.555 m，各工況抽水井抽水速度保持恒定，如表3所示。試驗(yàn)過程中模型箱邊界水位始終保持為初始水位+0.015 m。

2 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證模型的可靠性，采用三維地下水滲流分析軟件Geoflow3D[21]，建立如圖4所示的三維數(shù)值模型。數(shù)值模型與模型箱幾何參數(shù)一致，豎向包含3個(gè)含水層，并被細(xì)分為16 小層，每層包含1 605個(gè)節(jié)點(diǎn)及1 600個(gè)單元。邊界設(shè)為常水頭邊界，潛水層初始水位為0 m，承壓含水層初始承壓水位設(shè)為+0.015 m。

圖5所示為工況I下I-I′剖面的測(cè)壓水位與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比圖。由圖5可見：數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好；在開始降水10 min 內(nèi)水位下降速度較快，20 min 后基本達(dá)到穩(wěn)定；在120 min內(nèi)，邊界觀測(cè)井G17的水位基本保持+0.015 m不變，基坑中心觀測(cè)井G0水位為?0.555 m；距離中心觀測(cè)井G0越近，水位降深越大。

圖4 三維模型示意圖Fig.4 Three-dimensional finite element mesh

圖5 測(cè)壓水位實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖(工況I)Fig.5 Comparison between real and simulated groundwater level(Case I)

圖6所示為抽水井過濾段長(zhǎng)度變化對(duì)水位降深的影響(工況II)。從圖6 可見：當(dāng)過濾段長(zhǎng)度分別為200，300，400，500和600 mm 時(shí)，觀測(cè)井G11水位降深分別為0.431，0.455，0.483，0.540和0.544 m，觀測(cè)井G14水位降深分別為0.131，0.155，0.235，0.254和0.264 m；隨著過濾段長(zhǎng)度增加，除邊界點(diǎn)觀測(cè)井G17水位降深基本不變外，其余觀測(cè)井水位降深隨之呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖6 抽水井過濾段長(zhǎng)度變化對(duì)降深影響(工況II)Fig.6 Influence of filter length on groundwater level(Case II)

圖7 止水帷幕插入深度對(duì)于降深影響(工況III)Fig.7 Influence of the buried depth of the waterproof curtain on groundwater level(Case III)

圖7所示為止水帷幕插入承壓含水層深度變化對(duì)水位降深的影響(工況III)。從圖7可見：止水帷幕插入承壓含水層深度為0，300，360，450和500 mm時(shí)，止水帷幕外G12觀測(cè)井水位降深分別為0.381，0.214，0.166，0.134和0.076 m，觀測(cè)井G15水位降深分別為0.131，0.099，0.068，0.060和0.041 m；隨著止水帷幕插入深度的增加，止水帷幕擋水效果逐漸增強(qiáng)，由外側(cè)進(jìn)入內(nèi)側(cè)的地下水補(bǔ)給減弱。因此，止水帷幕外側(cè)水位降深逐漸減小，距離止水帷幕外側(cè)越近，該現(xiàn)象越明顯。

3 討論

為了進(jìn)一步研究墻井作用對(duì)水位降深的影響，引入止水帷幕兩側(cè)觀測(cè)井G11與G12的水頭差Δh進(jìn)行分析。對(duì)水位穩(wěn)定后的Δh、止水帷幕插入深度與承壓含水層厚度之比(止水帷幕插入深度比)d′以及抽水井過濾段長(zhǎng)度與含水層厚度比(抽水井過濾段長(zhǎng)度比)l′進(jìn)行擬合分析。

3.1 止水帷幕插入深度比變化分析

以抽水井過濾段長(zhǎng)度保持為200 mm(工況III)，即l′為33.3%為例，對(duì)Δh與d′的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。從圖8 可見Δh隨著d′的增加而增加，符合Boltzmann 擬合關(guān)系，可以劃分為3個(gè)區(qū)域：初期，Δh增長(zhǎng)緩慢，止水帷幕擋水效果不明顯；中期，Δh增長(zhǎng)迅速，止水帷幕擋水效果隨插入深度增加而顯著增強(qiáng)；當(dāng)d′超過某值后，止水帷幕擋水效果增長(zhǎng)不明顯，擋水效果緩慢變化。

圖8 Δh與d′關(guān)系圖(l′=33.3%)Fig.8 Relationship between Δh and d′(l′=33.3%)

對(duì)Boltzmann擬合方程進(jìn)行一階求導(dǎo)，其極值點(diǎn)即為擬合曲線的反彎點(diǎn)，此時(shí)，止水帷幕兩側(cè)水頭差變化程度最為劇烈，定義該點(diǎn)橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)值為止水帷幕插入比有效值，止水帷幕能夠起到良好的隔水作用，具有經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，d′有效值為72.5%，對(duì)應(yīng)止水帷幕插入含水層有效深度434 mm；當(dāng)d′小于有效值時(shí)，止水帷幕無法充分發(fā)揮其擋水作用；當(dāng)d′大于有效值時(shí)，止水帷幕兩側(cè)水頭差較大，能夠充分發(fā)揮其擋水作用。以Δh為控制指標(biāo)，為較好地發(fā)揮止水帷幕的擋水效果，d′應(yīng)大于等于73.0%。

3.2 抽水井過濾段長(zhǎng)度比變化分析

以止水帷幕插入承壓含水層深度保持為300 mm 即d′為50%為例，分析Δh與l′的關(guān)系，結(jié)果如圖9所示。從圖9 可見：Δh隨著l′的增加而減小，Δh與l′同樣符合Boltzmann 擬合關(guān)系：初期，Δh平緩變化，止水帷幕擋水效果顯著，且隨l′增長(zhǎng)變化不明顯；中期，Δh劇烈變化，止水帷幕擋水效果隨之減弱；當(dāng)后期l′超過一定數(shù)值后，Δh緩慢變化，止水帷幕擋水效果不明顯。

圖9 Δh與l′關(guān)系圖(d′=50%)Fig.9 Relationship between Δh and l′(d′=50%)

同樣定義Boltzmann擬合曲線反彎點(diǎn)為過濾段長(zhǎng)度比有效值，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，過濾段長(zhǎng)度比有效值為62.6%，即過濾段長(zhǎng)度為376 mm。若止水帷幕插入比固定為50%，則當(dāng)l′小于62.6%時(shí)，坑內(nèi)外繞流現(xiàn)象明顯，止水帷幕兩側(cè)水頭差大，擋水效果明顯；當(dāng)l′大于62.6%時(shí)，坑內(nèi)外繞流現(xiàn)象逐漸變緩，止水帷幕擋水效果開始變?nèi)酰Ч伙@著。從圖9可見：當(dāng)l′大于73%時(shí)，即抽水井過濾段長(zhǎng)度大于438 mm，此時(shí)止水帷幕擋水效果基本喪失，Δh變化又趨于平緩。以Δh為控制指標(biāo)，為較好地發(fā)揮止水帷幕的擋水效果，抽水井過濾段長(zhǎng)度比應(yīng)小于63.0%。

4 結(jié)論

1)試驗(yàn)中相似材料的組分原料為中砂、膨潤(rùn)土、硅油和凡士林。相似材料能夠模擬承壓含水層上覆的隔水層黏土，用于承壓含水層中的基坑降水室內(nèi)試驗(yàn)。

2)止水帷幕兩側(cè)觀測(cè)井的水頭差與止水帷幕插入含水層深度比、止水帷幕兩側(cè)觀測(cè)井的水頭差與抽水井過濾段長(zhǎng)度比均滿足Boltzmann擬合關(guān)系，即具有初期緩變、中期劇變、末尾平緩的特征。

3)止水帷幕兩側(cè)觀測(cè)井的水頭差隨著止水帷幕插入含水層深度的增加而增加。以水頭差為控制指標(biāo)，當(dāng)抽水井過濾段長(zhǎng)度比保持約33%時(shí)，為使得止水帷幕擋水效果顯著，止水帷幕插入深度比應(yīng)大于等于73.0%。

4)止水帷幕兩側(cè)觀測(cè)井的頭差隨著過濾段長(zhǎng)度的增加而減小。當(dāng)止水帷幕插入深度比保持為50%時(shí)，為較好地發(fā)揮止水帷幕的擋水效果，過濾段長(zhǎng)度比應(yīng)小于63.0%。