三维渗流模拟分析场地水文地质参数

市政工程
建 筑 技 术 开 发
·100·
Municipal Engineering
Building Technology Development
第47卷第11期
2020年6月
中国海运大厦项目拟建场地位于上海市浦东新区黄浦江
沿岸E20单元E-4-1地块，用地范围东至E-4-2地块，西至规划一路，南至E-4-3地块，北至微山路，距离轨道交通四号线约350 m 。

本工程场地内均设置地下室，基坑开挖面积较大，基坑裙房范围开挖深度约17.55 m ，塔楼厚底板区域约18.55 m ，电梯井局部深坑位置的最大开挖深度约21.4 m 。

本工程基坑最大开挖深度21.4 m ，第71层最浅顶板埋深28.3 m ，承压水高水位埋深按本次勘察期间水位埋深7.0 m （7.07 m 取整计算）考虑，场地内计算范围内地基土饱和密度取厚度加权平均密度18.0 kN/m 3，水密度10.0 kN/m 3，基坑开挖深度18.55 m 时，经计算P cz /P wy =0.82<1.05；基坑开挖深度21.4 m 时，计算P cz /P wy = 0.58<1.05。

故在上述条件下，本工程拟开挖18.55 m 和21.4 m 深基坑施工时均可能产生水土突涌问题。

为保证基坑工程的顺利实施，在基坑开挖前需进行承压水抽水试验，以取得场地承压含水层水文地质参数，分析评价降水引起的沉降特征，为基坑工程降水方案的设计和施工提供可靠依据。

1 抽水试验
1.1 单井抽水试验
采用定流量非稳定流单井抽水试验。

71层单井抽水试验以7C1井为抽水井，其余抽水井及观测井均可作为观测使用；72层单井抽水试验以7C4为抽水井，G4和7C3为观测井。

抽水试验分为静水位观测、抽水试验与水位恢复3个阶段。

本次试验对承压水层（7层）进行 2个落程抽水试验，第1个落程降深约为最大降深值的1/2，第2个落程则采用最大降深。

每个落程稳定时间不少于8 h 。

根据Aquifer test 软件中对水位降深曲线的拟合，得出71层及72层承压含水层水文地质参数。

1.2 群井抽水试验
本次试验对71层进行群井抽水试验，试验所需条件和
单井试验一样，但是群井试验是在单井试验恢复水位观测停止以后进行的，试验前先准备好现场排水管道并安装好水表，现场沉降监测点应施工完毕且测量好初值，然后进行群井抽水试验。

71层群井抽水试验以7C1, 7C2, 7C3为抽水井，其余抽水井及观测井均可做观测使用。

抽水前对现场的所有试验井进行静止水位观测，测出实际水头高度值，方法同单井抽水试验。

本次群井抽水试验抽水井分别为7C1, 7C2, 7C3，其余抽水井及观测井做观测 使用。

采用自动采集设备进行观测，每0.5 h 观测一次，直到抽水试验结束。

达到抽水试验设计时间即可停止抽水。

在抽水试验结束后根据观测数据进行资料整理，删除不必要的数据。

由于抽水孔与观测孔水位变化规律存在明显差别，其数据整理格式如下。

抽水孔及观测孔开泵后第30, 60, 90, 120, 150 （min ），为减小数据统计量以后每2 h 统计一次水位记录。

考虑到对今后工程施工的指导作用，群井试验抽水时间不少于6 d 。

恢复水位的观测精度、频率应与抽水开始时的观测精度、频率一致。

本次群井抽水试验具体恢复观测时间根据监测点的沉降恢复数据来定，直到监测恢复数据变化不大时，可停止监测。

水位监测除采用全自动水位仪器现场监测外，还进行人工观测，观测1 h/次。

抽水过程中同时进行抽水井的出水量观测，采用水表进行流量计量。

观测频率为每30 min/次，水量稳定后每2 h 观测一次，观测精度为±0.1 m 3。

地面沉降监测点。

根据现场情况，本次试验分别布设3条100 m 射线地表沉降监测点，点距为10 m ，共计31点。

为监测地面沉降，在降水影响区域内的稳固地点成组设置水准基点，通常每组3点（本项目设置1组），以其为依据来测定设置在变形区内观测点的沉降数据，为检查水准基点本身的稳定性，每次观测前进行连测。

2 三维渗流数值模拟
2.1 水文地质参数
结合项目勘察报告的试验成果及周边水文地质调查情况，确定本次抽水试验模型模拟的相关水文地质参数见表1。

［摘 要］对于高水位区域的深基坑施工而言，场地水文地质参数的确定、降水方法的选择直接关系到基坑降水成功与否。

主要以海运大厦工程为例，在坑外通过抽水试验得到场地水文地质参数，在此基础上通过三维渗流模拟预测基坑施工中水位变化情况，以此为基础采取相应措施确保基坑顺利施工。

［关键词］三维渗流模拟；
深基坑；水文地质［中图分类号］TU 984 ［文献标志码］B ［文章编号］1001–523X （2020）11–0100–02
3D Seepage Simulation Analysis of Site Hydrogeological Parameters
Xu Tian-liang
［Abstract ］For the construction of deep foundation pits in high water level areas ，the determination of site hydrogeological parameters and the selection of precipitation methods are directly related to the success of foundation pit precipitation. Taking the marine building project as an example ，the hydrogeological parameters of the site are obtained through pumping tests outside the pit. Based on this ，3D seepage simulation is used to predict the water level changes in the foundation pit construction. Based on this ，corresponding measures are taken to ensure the smooth construction of the foundation pit.
［Keywords ］3D seepage simulation ；deep foundation pit ；hydrogeology 三维渗流模拟分析场地水文
地质参数
许天亮
（上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072）
收稿日期：2020–02–18作者简介： 许天亮（1992—），男，陕西西安人，助理工程师，主要研究
方向为水文地质。

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第47卷第11期
2020年6月
表1 水文地质参数
层位
水位埋深/
m 渗透系数/（m/s ）沉降影响系数k h k V 弹性系数非弹性系数2–1.5 6.0×10–8 2.0×10–8 1.0×10–4 3.0×10–43–2.08.0×10–8 3.0×10–8 3.0×10–48.0×10–44–2.5 5.0×10–8 2.0×10–8 3.0×10–48.0×10–45–2.7 5.5×10–8 2.0×10–8 2.0×10–4 6.0×10–46–4.0
7.0×10–8 3.0×10–8 5.0×10–5 1.0×10–471–7.0 5.0×10–5 2.0×10–5 3.0×10–48.0×10–47
2
–7.1
7.7×10–5
3.5×10–5
2.0×10–5
5.0×10–5
2.2 数值模拟
根据71、72层承压含水层水文地质参数，采用Processing Modflow 对群井71层进行了609 000 s （近7 d ）的数值模拟计算，计算结果如图1及表2、表3所示。

图1 71层群井试验等水位线（609 000 s ）
表2 
7
1层模拟与实测水位对比结果
监测井号模拟水位值/m
实测水位值/m
时长/s G1–10.40–10.58609 000G2–9.47–10.03609 000G3
–9.98
–10.08
609 000
表3 
7
1层群井抽水典型地面沉降观测点的沉降值对比结果
监测点号
模拟沉降值/mm
实测沉降值/mm
时长/s D5 1.860.63345 600D6 1.740.41345 600D14 1.61 1.69345 600D16 1.75 1.75345 600D18 2.120.07345 600D19 2.480.31345 600D23 1.86 1.15345 600D24 1.93 1.00345 600D29 2.03 1.83345 600D30
1.84
0.99
345 600
模拟结果显示，水位模拟结果与实测结果相近，最大偏
差仅为0.56 m ，且实测值均略大于模拟值，可作为安全储备考虑。

沉降模拟与实测结果也具有较好的拟合度，由于抽水试验时间较短，总体监测值比模拟值偏小。

水位及沉降数值模拟结果表明，本次试验得出的水文地质参数与试验情况具有良好的拟合关系，且具有一定的安全储备，相关水文地质参数可以用于基坑的降水设施及施工。

2.3 基坑降水设计
（1）降水方案。

考虑到项目的抽降地下水必须满足周边环境要求，建议采用减压井与疏干井独立降水方案。

若减压井与疏干井共用，将导致减压井较长时间抽吸地下水，应分析其对周边环境的影响，确保降水方案满足周边环境的保护要求。

（2）减压井布置。

采用减压井与疏干井独立设计方案，不考虑围护墙的渗流影响，降深7.1 m 预抽2 d 时，减压井单井有效抽水面积（α井）可取400 m 2左右。

井的布置应参照地层分布情况及围护墙的深度综合确定。

（3）减压井结构。

本次试验共进行了3种井结构的试验，试验结果见表4。

3种结构降深均满足要求，从降水效果（降深/流量）及经济性（井深及滤水管长度）比较，7C1井结构最佳。

此外，根据上海市地面沉降管理条例中深基坑工程降排水施工的要求，在达到施工要求水位降深时，应尽量减小对地下水的抽取量，以达到地面沉降防治及环境保护的目的。

因此，减压井结构可采用与7C1井相类似的井结构，井结构参数建议如下：开终孔直径550~650 mm ；井管采用钢管，壁厚4~5 mm ，273~325；滤水管：采用钢管，壁厚4~5 mm ， 273~325，长度8 m ；止水滤料段上部5~10 m 用粘土球止水；回填止水段以上部位采用粘土块回填；沉淀管与井管、滤水管同径，长1~2 m 。

表4 试验井结构对比
井号滤水管长度/m 滤水管埋置深度/m 流量/
（m 3/h ）降深/m 降深/流量
7C1830~3810.912.86 1.187C21030~4012.812.97 1.0137C3
12
30~42
13.3
13.27
0.998
（4）应急井。

考虑到本项目施工对周边环境的保护要求，降水方案设计时应考虑在保护范围设计相应数量应急井（兼观测井）。

应急井的结构形式可与减压井一致。

（5）降水方案评价。

根据设计院围护结构初步设计方案，本项目止水墙埋深42.0 m 。

按上述降水井结构，取井深38.0 m （滤水管设置于29.0~37.0 m ），单井面积约450 m 2，共布设 21口减压井，试抽2 d 后得到承压水水位。

该方案表明，主楼区域单井出水量约6 m 3/h ，水位一般在–12.0~–11.5 m ；裙楼区
域单井出水量约4 m 3
/h ，水位一般在–10.5 m 左右，可满足施工要求。

3倍基坑开挖深度（约54 m ）处水位为–8.4~–8.1 m （降深1.1~1.4 m ），符合本项目提出的3倍基坑开挖深度（约54 m ）处水位控制在1.5 m 范围内的要求。

3 结束语
在进行基坑施工前，利用抽水试验能确定该区域的水文地质参数，从而为深基坑降水设计提供相应的参考依据。

同时通过三维渗流模拟对基坑渗流场实施相应计算，计算精度能满足工程的相应要求。

在此基础上根据设计院围护结构设定了相应的降水方案。

通过本文的介绍能为类似场地水文地质情况的深基坑施工提供一定参考和帮助。

参考文献
[1] 杨应义，郭常瑞，刘江.马普托大桥超深基坑地下水三维渗流模拟计算[J].建筑结构，2016（12）：15–17.[2] 李铎，白云，魏爱华.基于三维渗流模拟的坝基渗漏和渗透稳定分析——以哇沿水库为例[J].水文，2016（10）：18–19.[3] 瞿成松，朱悦铭，刘毅.上海某基坑降水三维渗流模拟[J].中国西部科技，2012（12）：88–91.[4] 钱鹏，徐千军.基于单元嵌入技术和弹性比拟的含裂纹混凝土三维渗流模拟方法[J].工程力学，2017（4）：18–19.
–8.5–9.0
–9.5–10.0–9.0
–8.5
–8.5
54 m
54 m
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