上海地区的承压含水层降水设计方法

上海地区的承压含水层降水设计方法
第6卷第1期
2010年2月
地下空问与工程ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering
V o1.6
Feb.2010
上海地区的承压含水层降水设计方法
缪俊发,娄荣祥,方兆昌
(上海广联建设发展有限公司,上海200438)
摘要:简要论述了上海地区的地下水对地下工程建设的主要不利影响.提出了承压含
水层降水概念设计新方法,包括安全承压水位埋深的修正计算公式,承压含水层降水方案的选
用原则等.归纳,总结了针对不同水文地质条件与降水工程特征的承压含水层降水设计计算
方法.工程实例表明,合理,可行的降水方案能够保证承压含水层降水效果与有效控制降水引
起的周边环境变形.
关键词:地下水的工程特性;基坑降水;地下水控制;承压含水层降水概念设计
中图分类号:TU473文献标识码:A文章编号:1673—0836(2010)O1—0167—07 DesignMethodsofDewateringofConfinedAquifersinShanghaiArea
MiaoJunfa,I_ouRongxiang,FangZhaochang (ShanghaiGuanglianComtructionDevelopmentCo..Ltd..Shanghai200438,China) Abstract:Inthispaper,themainadverseinfluenceofgroundwateronconstructionofundergr oundengineering
inShanghaiindiscussed.Thenewmethodofconceptdesignofdewateringinconfinedaquifer
sisproposed-whichin—chidesthemodifiedformtLlastodeterminethesafedepthofconfinedwaterlevelfromthegro und—Surfaceandrulesof
selectionofdewateringplans.Thesuitablemethodsofdewateringdesignofconfinedaquifer aregeneralizedandsum- marizedfordifferenthydrogeologyconditionsandfeaturesofdewateringengineering.Apra cticalcaseshowsthata reasonableandpractieableschemecanensuretheeffectsofdewateringofconfinedaquifersa ndcontroleffectivelythe
surroundingdeformationduetowaterpumping.
Keywords:engineeringcharacteristicsofgroundwater;dewate6ngfordeepexcavation;gro undwatercontrol;
conceptdesignofdewateringofconfinedaquifers
1引言
在上海市大规模地下空间开发与建设中,超
深,超大型基坑不断涌现,涉及承压含水层地下水
控制的问题日益增多.研究及工程实践经验表
明¨-3],承压水对地下工程施工安全性具有重要影
响,且承压水位变化对相邻环境的安全性亦具有重
要的影响,属地下空间开发与建设中的重大危险源
之一.
目前,上海地区基坑的最大开挖深度已超过
40.0m,基坑底板已进入深层承压含水层中.对
于深度较大的基坑工程,为防止深层承压水水头的
顶托作用而可能发生的坑底土层突涌,基坑倒塌,
通常采用降水措施降低深层承压水位,达到保护基
坑安全与施工安全的目的.
虽然承压水对地下工程建设的不利影响已得
到高度重视,但建设者们在承压水的工程特性,承
压水降水设计理念与方法等方面存在认识上的差
异,引发诸多争论与困惑.有鉴于此,本文对承压
水降水的若干问题予以讨论.
收稿日期:2009?10-08(修改稿)
作者简介:缪俊发(1964一),男,教授,工学博士,主要研究方向为地下水渗流与控制.E—mail:Miaojunfa@126.eom
168地下空间与工程第6卷
2地下水的工程特性
由于人为改变了水土应力平衡以及地下水贮
藏条件,地下水必然对地下工程建设产生不利的影
响,其中,承压水的工程特性尤其突出.当地下水
控制不当或失效,工程建设以及周边环境将受到严
重影响,甚至引发重大工程事故,人民的生命与财
产遭受巨大损失.
2.1基坑突涌破坏
随着基坑开挖深度的逐步增大,当承压含水层
顶板上覆土层重量不足以抵抗承压含水层顶板处
的承压水头压力时,开挖面以下的土层将发生突涌
破坏,承压水和砂土大量涌入基坑,导致坑外地面
严重塌陷,围护结构严重下沉,支撑体系严重破坏,
相邻建(构)筑物发生破坏等(如图1所示).
基坑突涌破坏往往是突然发生的,来不及采取
工程抢险措施,易引发灾难性的工程事故.
2.2环境损伤与破坏
进行承压水减压降水后,建筑场地下伏承压含
水层中形成了承压水降落漏斗,必然在基坑周围引
起或多或少的地面变形,对相邻环境造成不利影
响.地面变形如果被控制在某一范围内,其对相邻
环境的影响较小;反之,地面变形如果超出某一范
围,其对相邻建(构)筑物将产生具有危害性的影响.承压水位下降引起的地面沉降的分布形态与承压水降落漏斗的分布形态基本上是相似的(如图2所示).
一
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遗檑隧透媚(半
孺柬层)(半隔水层)
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图1基坑突涌破坏示意图
Fig.1Schematicdiagramofinrushingof soilandgroundwaterinexcavation
2.3围护结构缺陷引起的基坑侧壁流砂
在砂,粉砂,粉土等透水性较好的地层或夹层
中,止水帷幕或围护墙有可能产生开裂,空洞等不良现象,导致围护结构隔水效果不佳或隔水帷幕失效,地下水夹带砂粒涌人基坑,坑外产生水土流失. 严重的水土流失可能导致支护结构失稳以及在基地面沉降漏装斗～,一地面沉降漏蓑斗
一
一
承压水降落捕斗,,,一承压水降落瓣斗一
一
,1I一一一一一
L,一
.
一
承压水位,_/,
一一,一
一—～
一,
弱透水层一…～弱透水层
(半隔水层)(半隔水层)
承压含水层
图2降水引起的地面沉降分布示意图
Fig.2Schematicdiagramofdistributionofland subsidenceduetodewatednginexcava~on
坑外侧发生严重的地面沉陷,还可能在围护墙后形
成洞穴后突然发生地面塌陷(如图3,4所示).
2.4坑底土层的抗渗破坏
在砂,粉砂,或砂质粉土等土层中开挖基坑,如
不采取降水措施或降水未达到预定效果,在坑内外
的水头差作用下,基坑底部可能产生冒水翻砂现象(即坑底抗渗破坏),严重时可导致基坑失稳或影
响施工进程(如图5所示).
周护墙体向地面塌陷—椭群动
图3坑内流砂破坏
Fig.3Quicksandbreakinginsidetheexcavation
图4底侧突涌与坑侧渗漏
Fig.4Inrushingofsoilandgroundwaterthro.ghunderground wallsatand/01"belowexcavationbottom
2.5地下结构抗浮失稳
降水工程结束后,地下结构的重量以及基础底
面至承压含水层顶板之间的残留土层的重量不足
2010年第1期缪俊发,等:上海地区的承压含水层降水设计方法169 图5坑底土层的抗渗失稳破坏
Fig.5Impermeabilit~instabilitybreakage ofsoilatexcavationbottom
以抵抗承压水头的顶托力或潜水含水层的浮力时,
地下结构将会发生上浮.一旦发生了上浮现象,地
下结构的复位将十分艰难.因此,应在验算地下结
构抗浮稳定性满足要求的前提下,选择停止降水的
最佳时机.
3承压水降水概念设计
在综合考虑工程场区的地质条件,基坑围护特
征,周围环境保护要求或变形限制条件等因素的基
础上,通过承压水降水概:念设计,提出合理,可行的
宏观工程降水设计理念,便于后续的工程降水设
计,施工与运行等工作,其主要内容包括安全承压
水位埋深的确定以及降水方案的合理选择等.
3.1坑内安全承压水位埋深的确定
关于承压水对基坑的稳定性验算,虽然现行规
范采用的公式在表达方式上有所差异,但核心
内容是一致的,简述如下:
一
Pcz
≥(1)P
.y
——J'/
式中:p为坑底至承压含水层顶板间覆盖土层的自
重压力(kPa);p为承压水压力(kPa);为承压
水作用分项系数,一般为1.05～1.1.
由式(1)可得到下式:
D一:.(2)
,w
式中:D为坑内安全承压水位埋深(m);/4o为承压含水层顶板埋深最小值(m);h为开挖面深度(m);为坑底至承压含水层顶板间覆土天然重
度的层厚加权平均值(kN/m.);为地下水重度
(kN/m);D,Hh均从拟建场地自然地面起算,其
余符号意义同前.
式(1),(2)考虑了基坑开挖面以下的水土压
力平衡,能够满足基坑底面抗突涌稳定性验算需求,在大多数工程情形下是成立的.但是,它们没
有考虑基坑底面的抗渗稳定性要求,特定工程条件下,式(1),(2)的计算结果不能保证基坑工程安
全.
一一一一一～～'…一
l…_～一■一
…一-'一～一
潜水台水层,
l潜水含水层
相对隔水屡l雯篓亘'相对隔水层
(弱透水层)瀛蘸(弱遗水层)
承压古水层I承压台木层承压音水层
图6坑底相对隔水层极薄的基坑工程条件
Fig.6Excavationconditionwiththinaquitard beneaththepitbottom
工程实践经验表明,当开挖面以下的相对隔水
层厚度小于1.5～2.0m(如图6所示),或坑底以
下缺失有效的相对隔水层(粉土,粉砂夹层或透镜体较多)时,必须将承压水头降至开挖面或基坑底面以下,以防止坑底发生冒水,翻砂等不良现象.
综上所述,基坑内安全承压水位埋深的合理计算,必须同时满足基坑底部抗渗稳定与抗突涌稳定性要求.考虑可能出现的各种基坑工程条件,可对前述式(2)加以修正,可得到下述公式,用于合理
计算坑内安全承压水位埋深,即:
D一.,当f^(3)一?卫,当{.(3)
,"w【一h>1.5m
及Dh+1.0,当一hs1.5m(4)
式中:为基坑开挖深度设计值(m),从拟建场地
自然地面起算;其余符号意义同前.
3.2坑外安全承压水位降深的确定
采取承压水降水措施后,坑内承压水位可达到
安全埋深以下,为基坑工程安全与顺利施工提供了基本前提条件.与此同时,坑外承压水位也发生了不同程度的下降,对周边环境产生了不利影响.
承压水位下降引起的周边环境变形主要表现
为地面沉降与水平位移.坑外承压水位降深的上限值(安全承压水位降幅或降深)取决于周边环境的保护要求或变形限制条件,可按下式确定:
6[8max,(P,P2,……,P)][6](5)
式中:8[,]为承压水位下降引起的周边环境变形
函数;s一为坑外安全承压水位降深或坑外承压水位降深最大值;(P,P,…,P)为基坑周边地层变
形计算参数群;为周边环境变形容许值.
目前,关于周边环境变形函数的计算,尚未形
成定论,一般可依据工程经验公式进行,或根据线一
一一一一一一
170地下空问与工程第6卷
性或非线性的三维有限元耦合模型进行计
算.7J,主要分歧在于对地层变形参数(P,P,
…
,P)的使用经验以及对土层变形模型选用上的
差异.
3.3承压水降水方案的选用原则
在承压水降水设计中,减压降水井布置在坑内
或坑外往往成为争论的问题.一般情况下,减压井布置在坑内或坑外都可以达到降低承压水头的目的,需根据降水目的含水层位置,厚度,隔水帷幕的深度,周围环境对工程降水的限制条件,施工方法, 围护结构的特点,基坑面积与开挖深度,场地施工条件等一系列因素综合考虑J.
基坑周边隔水帷幕和降水井过滤器伸人到承
压含水层中的位置对降水目的含水层及相邻含水层,隔水层中的渗流场形态具有重要影响,由此引起基坑外侧水位变化和环境变形也是不同的. 3.3.I基坑内侧减压降水方案
当隔水帷幕对基坑内外的承压水渗流具有明
显的阻隔效应,从保证降水效果及保护周边环境的角度考虑,应优先选用坑内降水方案.
为了提供坑内减压降水井过滤器设置条件,确
保单井出水量满足设计要求以及坑内降水效果,依据上海地区的降水工程设计,施工与降水运行经验,隔水帷幕尚应满足下述条件:
(1)当承压水含水层厚度较小,其顶板以下的
隔水帷幕长度L不宜小于承压含水层厚度的1/2
(如图7所示);
(2)当承压含水层厚度较大,其顶板以下的隔
水帷幕长度L不宜小于9.OOm(如图8所示).
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…
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图7坑内减压降水结构图解一
Fig.7Sketchoneofpit—insidedewaterlng ofconfinedaquifer
图8坑内减压降水结构图解二
Fig.8Sketchtwoofpit—insidedewatering ofconfinedaquifer
当隔水帷幕已延伸进人承压含水层底板以下
的半隔水层或弱透水层中,已完全阻断了基坑内外承压含水层之间的水力联系时(如图9所示),必
须采用坑内减压降水方案.
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坑底面～鬻,/,.z,.,/r,
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弱透水层(半隔才
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图9坑内减压降水结构图解三
Fig.9Sketchthreeofpit—Insidedewatering ofconfinedaquifer
3.3.2基坑外侧减压降水方案
当隔水帷幕未在需降水的承压含水层中形成
有效的隔水边界,例如,隔水帷幕未进入承压含水
层顶板下方(如图lO所示),或承压含水层顶板以
下的隔水帷幕长度很小(如图11所示),从便于施
工的角度考虑,应优先选用坑外降水方案.
3.3.3基坑内外联合减压降水
当现场客观条件不能完全满足前述关于坑内,
坑外减压降水的选用条件之一,或由于施工条件以
及环境条件限制不能采用单一的坑外获坑内降水
2010年第1期缪俊发,等:上海地区的承压含水层降水设计方法l7l 潜层_-_采薹篓撒'
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图1O坑外减压降水结构图解一
Fig.10Sketchoneofpit—outsidedewatefing ofconfined[aquifer
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图11坑外减压降水结构图解二
Fig.11SketchtwoofpJit—outsidedewatefing ofconfinedaquifer
方案,可综合考虑现场施工条件,水文地质条件,隔水帷幕特征以及基坑周围环境特征与保护要求等, 选用合理的坑内一坑外联合减压方案.
4承压水降水设计计算方法
4.1承压水渗流解析解计算
对于大多数基坑外侧减压降水而言,隔水帷幕
底端未进入需要降水的承压含水层顶板以下或进入含水层中的长度有限,未在承压含水层中形成人为的有效隔水边界.换言之,隔水帷幕对降水引起的承压水渗流,渗流场形态与分布影响极小,可以忽略不计.因此,当降水影响范围内的承压含水层
(组)基本呈水平向延伸,厚度变化不大时,可采用
承压水非稳定井流理论的解析解公式,近似计算, 预测承压水渗流场内任意点的水位降深,但其适用条件应与现场水文地质实际条件基本一致.
常用的承压水非稳定井流解析解包括Theis
公式,Hantush—Jacob公式,Hantush公式等',
简述如下:
承压完整井:
=.
(M),":无越流(6)
s=(u,),有越流(7)
承压非完整井:
s{(u)+(M,1,)},无越流(8)
s={(u,/-)+(u,1,,
古)},有越流
(9)
式中:s为承压水位降深;Q为抽水井流量;T为导
水系数;W(u)为Theis井函数;(11,,r/B)为越流
井函数;r为计算点至抽水井的水平距离;为承压
含水层的贮水系数;t为自开始时刻起的抽水延续时间;为越流系数;M为承压含水层厚度;Z为过
滤器长度;为非完整井阻力系数.
4.2承压水渗流数值解计算
当隔水帷幕进入承压含水层顶板以下的垂向
长度相对较大,在承压含水层形成了一个人为的有效隔水边界.由于承压含水层顶板以下隔水帷幕
长度的差异以及降水井结构的差异性,在群井抽水影响下形成的地下水渗流场形态也具有较大差别. 地下水运动不再是平面流或以平面流为主的运动,
而是形成为三维地下水非稳定渗流场,渗流计算时应考虑含水层的各向异性,无法应用解析法求解, 必须借助三维地下水渗流数值方法求解.
依据目前的研究和认识水平,三维地下水渗流
数值计算依赖于下述地下水渗流数学模型: (蓑)+()+去()一=等,
(,y,z,t)I:0=ho(,Y,),
h(x,Y,z,t)I,=h1(,),,z,t),
OhI,2=(,),,z,),
Ⅲl
(,Y,z)∈Q
(,Y,z)∈Q
(,y,z)EJr1
(,Y,z)∈
(x,y,)∈
式中:
E—fS承压含水层T—fM承压含水层一
一
【S潜水含水层'一IB潜水含水层M
S为储水系数;S为给水度;M为承压含水层厚度(m);B为潜水含水层的地下水饱和厚度(m);kn, k",k分别为各向异性主方向渗透系数;h为点(x, Y,z)处t时刻的水位值(In);W为源汇项(1/d);h. 172地下空间与工程第6卷
为计算域初始水位值(In);h为第一类边界的水
位值(m);S.为储水率(1/m);t为抽水累计时间(d);为已知函数;Q为计算域;r,r,r,分别为第
一
,第二,第三类渗流边界.
地下水渗流数值计算与分析一般包括以下几
个步骤:
第一步,借助于上述三维非稳定地下水渗流数
学模型,采用有限差分法或有限元法建立渗流数值
计算模型,以此为依据,编制计算程序(形成计算
软件),计算,预测降水引起的地下水位时空分布.
该步骤通常可省略,直接利用商业计算软件.
目前使用与操作方便,功能强大,计算精度最高的
地下水渗流计算与分析软件,首推加拿大Waterloo Hydrogeologic公司研制的(<VisualMODFLOW>>商用软件.
第二步,对整个渗流区进行离散,即建立降水
影响区域的物理模型.
第三步,应用渗流数值分析计算程序或软件,
输入相关计算参数,对所建立的研究区域的物理模
型进行渗流计算,分析,预测.
5承压水降水工程实例
5.1工程概况
上海市地铁四号线董家渡隧道修复工程,南侧
紧临22层临江花苑大厦,北侧为董家渡路,西部为
中山南路,东侧为黄浦江J.
本工程深基坑总长约263m,宽为21.0～22.
5m,开挖深度为38.0～40.9m,采用地下连续墙作
围护结构兼止水帷幕,地下连续墙深65.OOm,厚度
1.20m.整个基坑由深度为65.Om的内隔墙分割
成东,中,西三个基坑,如图l2所示.
图12基坑平面位置图
Fig.12Layoutofthedeepexcavation
为了防止和避免坑底产生突涌与流砂破坏,保
证基坑施工的顺利进行,采用坑内减压降水方法, 将坑内承压含水层地下水位降至安全埋深以下.
5.2场区地质条件
工程场地的地基土分布如表l及图l3所示.
本工程场地下伏⑦,⑨,层分别为上海地区
的第1,II,III承压含水层.由于缺失第⑨,⑩层粘
性土,在本场地内及其周围的第1,II,III承压含水层相互连通,形成1个总厚度达118.2m的复合承压含水层组,其渗透陛及地下水贮量极为丰富.
表1地基土特征表
Table1Characteristicsofgroundsoil
5.3承压水减压降水设计
5.3.1修复工程对降水的要求
由于本工程的基坑开挖面已进人承压含水层,
因此,要求降低基坑内承压水位至基坑开挖面以下1.00—2.00m,确保基坑底部不发生坑底突水,涌
砂等不良现象.
尽量减小和控制承压水位降低引起的地面沉
降,确保基坑周边环境设施,尤其是临江花苑大厦, 不会由于降水造成安全问题.
5.3.2承压水降水设计
根据基坑工程特点和场区地质条件,以及周边
环境对降水的严格要求,经过三维地下水非稳定渗流与地面沉降的计算与预测分析后,确定采用坑内减压降水方案,具体内容如下:
(1)基坑内布置56口井(东坑内28口,中坑
内6口,西坑内12口).其中46口为抽水井,lO
口为备用井兼坑内承压水位观测井.
(2)降水井深度为60.0m,过滤器长度为l5.
0m,其顶端埋深为44.0m,底端埋深为59.0m,过
滤器底端埋深小于地下连续墙脚埋深6.0m,降水
2010年第1期缪俊发,等:上海地区的承压含水层降水设计方法173 层序层底埋深(m)
①,3.3O
②
l6.1O
④//Z/)///V/~/1R.90
⑤"////24.2O
⑥///////27.70
⑦1
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⑨1f;j:每
蠢t一'妻:84.oo
⑨2x
1oo.00
图13地质柱状剖面图
Fig.13Geologiccolumnofthesite
井结构如图14所示.
(3)坑内井群以较小抽水量抽水,预测坑内承
压水位降低到设计要求的42.Om深度处,水位降
深达到33.Om;预测坑外承压水位降深约为5.Om,
预测基坑外侧降水引起的最大地面沉降量小于
20mm.
5.4承压水降水与周边环境变形控制效果
上海地铁4#董家渡隧道修复工程始于2005
年01月,至2007年l2月结束.基坑降水始于2006年3月,至2007年7月结束,承压水降水与地面沉降效果如下:
(1)基坑内承压水位一直控制在基坑开挖面
以下,保证了基坑施工安全.当基坑开挖深度达到38.0—40.9m,坑内最大承压水位埋深达到44. Om,水位降深达到35.Om.
(2)根据承压水位监测资料,当基坑内承压水
位降深达到35.Om时,基:吭外观测井内的最大承压水位降深约为4.Om.设计阶段预测坑外最大承压水位降深约为5.Om,计算结果与实际水位降深基本一致.
(3)根据地面沉降监测资料,基坑外侧相邻地
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|坑外观测井
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,滤管埋深44—59m
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59.J3地下连续墙
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__':深度:65m.
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图14基坑降水结构剖面图
Fig.14Profilechartofdewatefingfortheexcavation 面沉降量较小.部分监测点处的地面沉降监测值如表2所示.基坑周围地面沉降的预测计算值与监测值较为接近.
表2周边环境的地面沉降监测值
Table2Monitoredlandsubsidencenearhefoundaion 监测点
平面位置
地沉量监测时间
(mm)一...
中山南路12.112006.7.18
董家渡路10.252006.7.28
14.22
临江花苑大厦(已扣除工程修复前沉降)2006?6?22 6结论与建议
上海地区的地下水对深基坑工程具有重要影
响.如果不能有效控制地下水位,尤其是控制承压
水位,将可能导致基坑倒塌,引发严重的工程事故. 上海地区的地下水位变化对区域性地面沉降
具有重要的影响.为地下工程建设中,应严格控制
建筑场地周围的地下水位降幅,以达到保护周边环境的目的.
上海地区基坑降水的合理性是保证建筑场地
周边环境安全的重要前提.如果(下转第218页) 218地下空间与工程第6卷
(上接第173页)基坑降水不合理,导致坑外地下
水位下降幅度过大,将导致范围较大,绝对值较大
的地面沉降,严重威胁周边环境的安全.
基坑降水设计应综合考虑建设场地的水文地质
条件,基坑围护结构特征,周边环境的保护要求等多种因素,以保证基坑降水方案的有效性与合理性.
参考文献:
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