DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.11.021

基坑降水效应的室内试验研究

汪旭玮¹,杨天亮²,许烨霜^{1, 3},袁垚³

（1. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，海洋工程国家重点实验室，上海，200240；

2. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室 上海地面沉降控制工程技术研究中心, 上海，200072；

3. 上海交通大学 土木工程系，上海，200240）

摘 要：

用下基坑降水引起的水位变化，采用相似材料模拟弱透水层，并通过改变止水帷幕插入承压含水层深度与抽水井过滤段长度分析基坑降水引起的水位变化。研究结果表明：在基坑降水过程中，抽水井过滤段长度和止水帷幕插入承压含水层的深度都会影响到含水层的水位变化；坑内外观测井的水头差(△h)随着止水帷幕插入含水层深度的增大而增大；抽水井过滤段长度与含水层厚度之比(l')约为33%时，止水帷幕插入深度与含水层厚度之比(d')大于73.0%，止水帷幕的挡水效果较好；△h随着l'的增加而减小，当d'约为50%时，为发挥止水帷幕的挡水效果，△l应小于63.0%。

关键词:相似材料；基坑降水；承压含水层；室内试验；止水帷幕；过滤段

中图分类号:TU46⁺3    文献标志码:A      开放科学(资源服务)标识码(OSID)

文章编号:1672-7207（2019）11-2823-08

Laboratory test on the effect of foundation pit dewatering

WANG　Xuwei¹, YANG　Tianliang², XU　Yeshuang^{1, 3}, YUAN　Yao³

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；

2. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources,Shanghai Engineering Research Center of Land subsidence, Shanghai 200072, China；

3. Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract: To investigate the variation of groundwater level caused by foundation pit dewatering under the interaction between the withdrawal well and retaining wall, the depth of waterproof curtain and the filter length of pumping wells were changed and similar material was used to simulate the aquitard overlying the aquifer in the test. The results show that the difference of the head of water (△h) between monitoring wells outside and inside the waterproof curtain increases with the increase of the buried depth of the waterproof curtain. If the ratio of the filter length of pumping well and the thickness of the confined aquifer(l′) keeps at 33%, and the ratio of the buried depth of waterproof curtain inserting into the confined aquifer and the thickness of the confined aquifer (d′) is larger than 73.0%, the water retaining effect of the waterproof curtain becomes better. △h decreases with the increase of the filter length of pumping well. If d′ is about 50%, l′ should be less than 63.0% to ensure the water retaining effect of the waterproof curtain.

Key words: similar material; foundation pit dewatering; confined aquifer; laboratory test; waterproof curtain; filter length

图1　试验装置示意图

Fig. 1　Schematics of laboratory test system

沿海地区大多为软土地层，且地下水位较高，为保证深基坑开挖的安全稳定，常常需要对承压含水层进行减压降水。承压含水层的减压降水是深基坑工程施工中坑外地表沉降及邻近建筑物变形的重要原因之一^[1]。基坑降水引起的环境效应与止水帷幕的施工、降水井或回灌井的布置、基坑开挖等因素密切相关^[2]。基坑降水过程中，止水帷幕会阻挡地下水渗流，从而影响地下水位、渗流速度和渗流方向等^[3-5]。WU等^[6-7]基于现场情况或采用有限元模拟研究了止水帷幕影响下基坑降水引起的地下水渗流。已有研究表明止水帷幕和抽水井的联合作用(墙井作用)对基坑内外的水位控制至关重要^[8-10]，因此，需要对墙井作用下的基坑降水效应进行研究。室内试验由于操作便利被用于地下水渗流研究^[11-12]。唐益群等^[13]在模拟某地铁车站基坑降水的室内试验时采用现场黏土作为隔水层，由于黏土固结时间长，未能体现室内试验快速高效的特点。王建秀等^[14]提出在砂土上覆盖盖板来实现承压性，但该方法难以模拟多层含水层间的越流效应。如何模拟含水层的承压性是承压含水层中基坑降水室内试验需解决的关键问题。特定相似材料常被用于地下工程模型试验，如隧道涌水模型试验、深井底板突水试验以及地质力学模型等，结果表明隔水层相似材料可兼具黏土性能及良好的隔水性^[15-17]。本文通过基坑降水室内试验来研究墙井作用下基坑降水引起的地下水位变化，在室内试验中应用相似材料来模拟承压含水层上覆隔水层黏土。

1 基坑降水室内试验

1.1　试验装置

图1所示为试验装置。试验装置实物如图2所示，模型箱周边设置2道槽钢围檩限制侧向变形，底部设排水孔。由图1(a)可见试验设备由模型箱、供水系统、止水帷幕、井点系统及抽水泵组成，模型箱是长×宽×高为3.5 m×3.5 m×1.5 m的长方形钢制箱体。供水系统为4组沿模型箱侧壁竖向平行排列的空心PVC管，管壁开孔作为进水孔。止水帷幕采用长为0.8 m、宽为0.4 m的无盖无底钢板箱。井点系统由抽水井及水位观测井构成。由图1(b)可见试验中共布置6口抽水井，19口观测井。井点均为直径25 mm的空心PVC管制作而成。井点竖向位置如图1(c)所示。抽水泵额定电流为5 A，最大流量为5 L/min。每种工况正式试验前进行1次预先试验以确定各抽水井的抽水速度，保证观测井G₀的水位能达到目标降深。

图2　试验装置实物图

Fig. 2　Pictures of laboratory test system

图3　试验用含水层材料的颗粒级配曲线

Fig. 3　Grading curves of the aquifer used in the test

1.2　试验材料

由图1(c)可见：试验土体为3层，自下而上分别为0.6 m厚的承压含水层、0.3 m厚的隔水层以及0.3 m厚的潜水层。

1.2.1　含水层　

含水层材料颗粒级配曲线如图3所示。根据文献[18]判定潜水含水层材料为中砂，承压含水层材料为粗砂；其余参数按照文献[19]测得，如表1所示。

1.2.2　隔水层　

隔水层采用相似材料模拟，其中相似材料由粗骨料、细骨料及黏结剂混合而成^[20]。粗骨料为粒径小于1 mm的中砂；膨润土遇水膨胀形成胶体，充填入土颗粒间，可以减小中砂颗粒之间的空隙，提高隔水性，因此，选用其作为相似材料的细骨料颗粒；黏结剂选用不易溶于水的硅油和医用凡士林。通过凡士林与硅油含量的变化，改变材料的渗透性、黏聚力等基本性能。

实验原料按照m(中砂):m(膨润土):m(硅油):m(凡士林)=1.00:0.24:0.04:0.14的比例配置(其中，m为质量)，中砂的参数及颗粒级配见表1和图3。配置步骤如下：先将中砂与膨润土按比例混合并充分搅拌，再将硅油倒入搅拌并混合均匀，最后将融化的凡士林倒入搅拌至无明显块状固体，得到最终的相似材料。按土工试验方法标准测得相似材料参数如表2所示，可用于模拟隔水层黏土。各工况抽水速度见表3。

表1　试验砂土参数

Table 1　Parameters of sand soil

表2　相似材料参数

Table 2　Parameters of similar material

1.3　试验工况及步骤

通过改变过滤段长度及止水帷幕插入承压含水层深度来研究墙井作用对基坑降水的影响，共为3种工况，如表3所示，具体试验步骤如下。

表3　各工况抽水速度

Table 3　Dewatering velocity of each case mL/s

1) 试验准备。组装好试验装置，并在模型箱内铺设试验土体，土体铺设过程中按图1(b)所示平面位置埋置止水帷幕及井点系统，其中观测井滤管长度固定为200 mm，滤管底部距模型箱底部100 mm，止水帷幕及抽水井的埋设深度根据试验要求进行调整。

2) 饱和固结。开启供水系统向模型箱内部供水，至水渗出潜水含水层表面停止供水；模型箱内土体饱和固结24 h后，人工观测并记录各观测井内水位高度，并将其作为初始水位，本试验承压含水层初始水位为+0.015 m(地表以上为正)。

3) 标准工况(I)。此工况止水帷幕插入承压含水层300 mm，抽水井滤管上端位于承压含水层顶板处，滤管长度为200 mm。打开供水系统，并从抽水井内抽水进行基坑降水试验，试验过程中使模型箱四周水位保持初始水位不变，记录各个观测井内水位随时间变化，至水位稳定结束。

4) 变过滤段工况(II)。保持止水帷幕插入深度300 mm不变，改变抽水井过滤段长度分别为300，400，500和600 mm，重复基坑降水试验。

5) 变止水帷幕工况(III)。抽水井过滤段长度设为200 mm，保持过滤段长度及埋深不变，改变止水帷幕插入深度分别为0，360，450和500 mm，重复基坑降水试验。

对上述每种工况进行3次平行试验以减少试验过程中的误差。对每种工况通过调整抽水流速，控制基坑中心观测井G₀的最终稳定水位均约为-0.555 m，各工况抽水井抽水速度保持恒定，如表3所示。试验过程中模型箱边界水位始终保持为初始水位+0.015 m。

2 试验结果

为验证模型的可靠性，采用三维地下水渗流分析软件Geoflow3D^[21]，建立如图4所示的三维数值模型。数值模型与模型箱几何参数一致，竖向包含3个含水层，并被细分为16小层，每层包含 1 605个节点及1 600个单元。边界设为常水头边界，潜水层初始水位为0 m，承压含水层初始承压水位设为+0.015 m。

图4　三维模型示意图

Fig. 4　Three-dimensional finite element mesh

图5所示为工况I下I-I′剖面的测压水位与数值模拟结果对比图。由图5可见：数值模拟结果与实测结果吻合较好；在开始降水10 min内水位下降速度较快，20 min后基本达到稳定；在120 min内，边界观测井G₁₇的水位基本保持+0.015 m不变，基坑中心观测井G₀水位为-0.555 m；距离中心观测井G₀越近，水位降深越大。

图5　测压水位实测值与模拟值对比图(工况I)

Fig. 5　Comparison between real and simulated groundwater level (Case I)

图6所示为抽水井过滤段长度变化对水位降深的影响(工况II)。从图6可见：当过滤段长度分别为200，300，400，500和600 mm时，观测井G₁₁水位降深分别为0.431，0.455，0.483，0.540和0.544 m，观测井G₁₄水位降深分别为0.131，0.155，0.235，0.254和0.264 m；随着过滤段长度增加，除边界点观测井G₁₇水位降深基本不变外，其余观测井水位降深随之呈增长趋势。

图6　抽水井过滤段长度变化对降深影响(工况II)

Fig. 6　Influence of filter length on groundwater level (Case II)

图7　止水帷幕插入深度对于降深影响(工况III)

Fig. 7　Influence of the buried depth of the waterproof curtain on groundwater level (Case III)

图7所示为止水帷幕插入承压含水层深度变化对水位降深的影响(工况III)。从图7可见：止水帷幕插入承压含水层深度为0，300，360，450和500 mm时，止水帷幕外G₁₂观测井水位降深分别为0.381，0.214，0.166，0.134和0.076 m，观测井G₁₅水位降深分别为0.131，0.099，0.068，0.060和0.041 m；随着止水帷幕插入深度的增加，止水帷幕挡水效果逐渐增强，由外侧进入内侧的地下水补给减弱。因此，止水帷幕外侧水位降深逐渐减小，距离止水帷幕外侧越近，该现象越明显。

3 讨论

为了进一步研究墙井作用对水位降深的影响，引入止水帷幕两侧观测井G₁₁与G₁₂的水头差△h进行分析。对水位稳定后的△h、止水帷幕插入深度与承压含水层厚度之比(止水帷幕插入深度比)d′以及抽水井过滤段长度与含水层厚度比(抽水井过滤段长度比)l′进行拟合分析。

3.1　止水帷幕插入深度比变化分析

以抽水井过滤段长度保持为200 mm(工况III)，即l′为33.3%为例，对△h与d′的关系进行分析，结果如图8所示。从图8可见△h随着d′的增加而增加，符合Boltzmann拟合关系，可以划分为3个区域：初期，△h增长缓慢，止水帷幕挡水效果不明显；中期，△h增长迅速，止水帷幕挡水效果随插入深度增加而显著增强；当d′超过某值后，止水帷幕挡水效果增长不明显，挡水效果缓慢变化。

图8　△h与d′关系图(l′=33.3%)

Fig. 8　Relationship between △h and d′ (l′=33.3%)

对Boltzmann拟合方程进行一阶求导，其极值点即为拟合曲线的反弯点，此时，止水帷幕两侧水头差变化程度最为剧烈，定义该点横坐标对应的数值为止水帷幕插入比有效值，止水帷幕能够起到良好的隔水作用，具有经济、高效的优点。对于本实验，d′有效值为72.5%，对应止水帷幕插入含水层有效深度434 mm；当d′小于有效值时，止水帷幕无法充分发挥其挡水作用；当d′大于有效值时，止水帷幕两侧水头差较大，能够充分发挥其挡水作用。以△h为控制指标，为较好地发挥止水帷幕的挡水效果，d′应大于等于73.0%。

3.2　抽水井过滤段长度比变化分析

以止水帷幕插入承压含水层深度保持为300 mm即d′为50%为例，分析△h与l′的关系，结果如图9所示。从图9可见：△h随着l′的增加而减小，△h与l′同样符合Boltzmann拟合关系：初期，△h平缓变化，止水帷幕挡水效果显著，且随l′增长变化不明显；中期，△h剧烈变化，止水帷幕挡水效果随之减弱；当后期l′超过一定数值后，△h缓慢变化，止水帷幕挡水效果不明显。

图9　△h与l′关系图(d′=50%)

Fig. 9　Relationship between △h and l′ (d′=50%)

同样定义Boltzmann拟合曲线反弯点为过滤段长度比有效值，对于本实验，过滤段长度比有效值为62.6%，即过滤段长度为376 mm。若止水帷幕插入比固定为50%，则当l′小于62.6%时，坑内外绕流现象明显，止水帷幕两侧水头差大，挡水效果明显；当l′大于62.6%时，坑内外绕流现象逐渐变缓，止水帷幕挡水效果开始变弱，效果不显著。从图9可见：当l′大于73%时，即抽水井过滤段长度大于438 mm，此时止水帷幕挡水效果基本丧失，△h变化又趋于平缓。以△h为控制指标，为较好地发挥止水帷幕的挡水效果，抽水井过滤段长度比应小于63.0%。

4 结论

1) 试验中相似材料的组分原料为中砂、膨润土、硅油和凡士林。相似材料能够模拟承压含水层上覆的隔水层黏土，用于承压含水层中的基坑降水室内试验。

2) 止水帷幕两侧观测井的水头差与止水帷幕插入含水层深度比、止水帷幕两侧观测井的水头差与抽水井过滤段长度比均满足Boltzmann拟合关系，即具有初期缓变、中期剧变、末尾平缓的特征。

3) 止水帷幕两侧观测井的水头差随着止水帷幕插入含水层深度的增加而增加。以水头差为控制指标，当抽水井过滤段长度比保持约33%时，为使得止水帷幕挡水效果显著，止水帷幕插入深度比应大于等于73.0%。

4) 止水帷幕两侧观测井的头差随着过滤段长度的增加而减小。当止水帷幕插入深度比保持为50%时，为较好地发挥止水帷幕的挡水效果，过滤段长度比应小于63.0%。

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（编辑 秦明阳）

收稿日期： 2018 -12 -06; 修回日期： 2019 -02 -18

基金项目(Foundation item)：国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室开放基金资助项目(KLLSMP201502) (Project(KLLSMP201502) supported by the Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention)

通信作者：许烨霜，博士，副研究员，从事地面沉降及地下水渗流研究；E-mail: xuyehsuang@sjtu.edu.cn

摘要:为了研究墙井作用下基坑降水引起的水位变化，采用相似材料模拟弱透水层，并通过改变止水帷幕插入承压含水层深度与抽水井过滤段长度分析基坑降水引起的水位变化。研究结果表明：在基坑降水过程中，抽水井过滤段长度和止水帷幕插入承压含水层的深度都会影响到含水层的水位变化；坑内外观测井的水头差(△h)随着止水帷幕插入含水层深度的增大而增大；抽水井过滤段长度与含水层厚度之比(l')约为33%时，止水帷幕插入深度与含水层厚度之比(d')大于73.0%，止水帷幕的挡水效果较好；△h随着l'的增加而减小，当d'约为50%时，为发挥止水帷幕的挡水效果，△l应小于63.0%。