黏土地基深井排水效果试验与渗流场分析

徐力群　江沆　王丽艳　沈振中　李强

摘要：深井降水效果将影响水利工程的排水方案设计。为了分析黏土地基工程深井井点降水措施的有效性，结合无锡市生态休闲岛工程，根据地质勘测资料，通过建立渗流分析有限元模型，采用固定网格有限元非饱和渗流计算分析方法，分析了深井降水的非稳定渗流场，对比分析了试验井的排水量实测数据，研究结果表明深井降水具有较好的排水效果，提出了地基土层渗透性对渗流场有较大的影响，建议了采取合适的井深和井间距以保证深井降水效果，结果可为类似黏土地基排水措施提供设计参考。

关键词：非稳定渗流分析；黏土地基；深井排水效果；现场试验；井点流量

中图分类号：TV223 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0149-07

某生态休闲岛景观工程为开挖湖面取土堆起，为加速人工岛基础沉降、缩短施工工期、加快工程进度以及保证工程的正常进行以及施工和运行安全性，拟建场地拟采用深井井点降水措施，但考虑到工程基础渗透系数较小，地层复杂，常规的计算方法和经验难以判断其效果，因此拟进行深井点降水试验，进而分析井点降水的实际效果，通过现场试验以及有限元理论分析，提出合理的井点降水措施。

国外关于深井排水及非稳定渗流的研究起步较早。有记录的第一个采用深井降水方法的工程是1896年英国柏林的地铁工程；1931年，德国Breme-havell建造二座水闸时采用了58口深井进行减压；日本1953年在名古屋铁道大厦建设中首次采用井点降水法。1931年，Richards将Darey定律推广应用到非饱和渗流中以后，人们才开始了非饱和渗流的研究。基于Richards控制方程的饱和-非饱和渗流后来得到了深入的研究，并成功地应用到许多实际工程中。Neuman最早将有限元方法應用到解饱和-非饱和问题。国内关于降水技术的应用及非稳定渗流的研究相对较晚。首先是在1950年，东北某工业基地的建设中首先使用了轻型井点降水的方法；随后1955年上海在武宁路泵站的基坑工程施工中，成功研制出了真空泵式抽水装置。井点降水法在国内越来越成熟，也更多的应用在各种工程中。最近几年，国内学者也开展了不少非稳定渗流的研究。理论研究方面，王文科提出用有限分析法求解地下水非稳定井流问题并对该方法作了改进；速宝玉等提出了采用截止负压法进行三维非稳定渗流分析；戚蓝等提出了基于逐步积分法研究得到非稳定渗流场分布、渗流损失水量。工程应用方面，毛昶熙等指出了江河堤防必须考虑河水涨落的非稳定渗流来设计最经济可靠的渗控措施；师颖应用Seep3D对基坑降水三维非稳定渗流进行模拟，量化分析了基坑降水；高丹盈分析了排水管间距等对南水北调工程大沙河段渠道排水非稳定渗流场的影响。本工程拟针对黏土地基深井降水方案，采用非稳定饱和-非饱和非稳定渗流有限元法，计算分析深井降水的效果，确定合适的井深和井间距，为设计提供理论参考依据。

1深井降水试验

某生态休闲岛景观工程位于无锡市惠山区职教园区的洋溪河畔，拟建生态休闲岛由景观人工岛、景观人工湖、配套建筑、直驳岸、天桥、龙桥、栈桥、拱桥、西桥等几部分组成。生态休闲岛共有4座人工岛，均为开挖湖面取土推起，其中1号岛工程量最大，其占地面积约5.2万m²，基础地面高程为3.5 m（黄海下同），项高程为14.5 m，最大高度为11 m，显山路贯穿将1号岛，路面高程为5.5～6.5 m，将其分为左右两侧。显山路两侧边坡为1：1，其余部分坡度在1：2～1：5。1号岛堆土方量约为23万m³。根据野外钻孔土层资料及各土层的物理力学性能指标，本工程基础主要为黏土、粉质黏土夹粉土和粉质黏土，土层分层较为明显，含水层间隔分布。地下水位较高，初见水位标高为1.16～4.20m，稳定水位标高为0.76～4.10 m。

1.1试验方案设计、试验过程

根据地质资料，（1）层为表土，（2）层为黏土，（5_-1）、（5_-3）、（6）、（8）层为粉质黏土，（3）、（5_-2）层为粉质黏土夹粉土，此含水层土性以砂性土为主，富水性较好。根据生态岛沉降计算分析得出基础沉降影响深度约为50 m。根据本地区多年来成功的降水经验，常规管井深度约在30～40 m，结合沉降计算分析，初步拟定管井井深到（5_-2）层，降水深度约为30 m。

根据以上分析，本次管井排水试验，管井深度为30～40 m。采用管井直径为200 mm。试验井选取1号岛西侧，现场施工条件较好的地段，试验井点可作为后期施工井使用，本次管井排水试验共布置井点6眼，编号为1号-6号，管井井点间距为15～20 m，试验深井布置见图1。

本次深井排水实验按图钻取6口深井，安装好水表进行计量后采用抽水泵对试验深井内渗水进行抽排，保证井内水及时全部排空。安排2人24小时观察并做好水量记录，安排专人每天至施工现场收集水量记录表，核对记录表每天抽水时间的准确性。整个试验过程抽水出水均正常，末发生异常情况。

1.2试验结果

每个试验井点排水量采用水表计量，每隔24 h记录一次排水量，观测期为1个月。各试验井排水过程线见图2。图中点实线为实测值，实线为计算拟合值。

各试验井初始排水量和稳定排水量如图3所示，比较各试验井初始排水量、结束时排水量可知，试验井深度及相对位置对排水量影响较大。1号、6号井井深为40 m，初始排水量为53 m³、56 m³，基本稳定时流量为29.3 m³、44 m³。3号、5号井井深同为40m，其初始阶段、稳定阶段排水量均小于1号井、6号井，主要原因是其在1号、6号井之间，受其影响较大。2号井初始排、稳定时排水流量分别仅为8.8 m³、4.0 m³，主要是其井深仅为30 m，比相邻井深度少10 m。

从影响半径来看，1号、6号距相邻井距离为15m、20 m，6号井排水量略高于1号井。从时间上来看，1号、6号井试验结束时，即排水25～30 d后，排水量基本达到稳定；3号、4号、5号井排水20 d后，排水量基本达到稳定；2号井排水20 d后，排水量基本达到稳定。

由试验数据分析可以看出，各试验井的数据与渗流基本规律一致，1号一6号井平均排水量，初始阶段排水量平均值为33.2 m³，稳定阶段排水量为平均值为20.9 m³。

2有限元结果分析

2.1有限元计算理论

根据饱和-非饱和土的渗流基本微分方程，应用Galerkin加权余量法及格林第一公式，对时间采用隐式有限差分格式，導出非稳定饱和-非饱和渗流有限元法的基本方程

（1）

2.2有限元分析模型

根据渗流计算分析的一般原则和特点，结合深井排水实验及工程拟采用的深井排水布置情况，考虑到如以完整的实验方案建立模型，工作量较大，因此考虑以外最外侧两孔深井建立数值模型。以试验井邻近地质勘测孔土层分布建立数值模型的竖向分布，取以1号岛基础外侧两排深井作为模型的边界，计算模型的截取范围如下：X方向以最外侧排水井为基准，向外截取150 m，向内截取岛第二口井；Z方向为高程方向，底部截至相对不透水层，底高程-76 m；y方向取井孔直径0.20 m，数值模型计算范围见图4。计算模型保留土层的详细结构，准确模拟基础分层。

模型左侧截取边界地面高程以下部分、右侧深井井底以下部分以及模型底部，取为不透水边界；初始地下水位为已知水头边界，深井井壁边界部分为出渗边界，深井内渗水及时抽排，井内水位设置固定水深0.1 m。沿坝轴线截取的两侧面均为不透水边界。三维有限元网格模型节点总数为33 300个，单元总数为16 325个，有限元网格模型图见图5。

2.3非稳定渗流分析参数

根据地质勘测资料和现场试验以及类比其它类似工程，本工程采用的渗透系数见表1。初始时刻地下水位2.0 m。

对于所缺的黏土、粉质黏土夹粉土的土水特性关系曲线，计算采用渗透系数类似工程的砂掺合料的土水特性关系来进行计算分析。体积含水率θ与毛细压力^的关系，以及体积含水率θ与相对透水率k_r的关系分别见表2、表3。本次计算分析粉质黏土的土水特性参照粉质黏土夹粉土的土水特性关系曲线。

2.4深井降水效果分析

本次分析考虑以深井降水控制深度32 m、井间距30 m，建立基本模型。饱和一非饱和非稳定渗流下模型剖面的浸润线位置、等水头线及其数值见图6。由图可知，深井连续排水条件下，两井点之间的地下水位能有效降低，粉质黏土夹粉土相对透水层排水效果明显，黏土层处于暂态饱和状态，其面积随时间的增加逐渐减小，由于黏土的渗透系数较小，其暂态饱和状态消散速度较为缓慢。降水至第7 d，两井间饱和区面积为初始状态下的27.84%，至第30 d，两井间饱和区面积为初始状态下的25.56%。从外侧井降水效果来看，其较为明显的影响半径约为80 m，在前150 d时间段内变化不大，随着时间的增加而逐渐扩大，至稳定时刻见图6。

暂态饱和区平均厚度变化见图7，从图中可以看出，从时间上看，从第7 d至150 d，暂态饱和区平均厚度由8.72 m降为6.24 m，其占原初始状态饱和区厚31 m的28 2%降为20.1%。同时由于第三层黏土较厚，暂态饱和区占主要部分，其厚度约占总厚度的80%。从图的变化趋势看，其暂态饱和区完全消散的时间约为550～600 d。

当井间距由30 m减少为20 m时，暂态饱和区厚度能明显减少，以降水至第15 d为例，深井间距20 m与30 m时暂态饱和区对比见图8，其暂态饱和区厚度由8.56 m减少为4.06 m，此刻占原初始状态饱和区厚31 m的27.6%降为13.1%。

试验井排水量与数值计算排水量对比见图9，从深井排水量来看，与一号试验井相比，外侧井理论计算第7 d、15 d、30 d排水量分别为10.30 m³/d、17.10 m³/d、15.50 m³/d，小于试验井的35.7m³/d、34 m³/d、2933 m³/d，与试验井平均排水量基本相当。出现这种原因主要有：f 1）试验1号井比模型要深8 m，其排水量必然较大；（2）为减少计算量，本次采用的数学模型与实际试验井存在一定的区别。从两者排水量级及变化趋势看及考虑上述原因，本次数值计算结果基本与试验数据保持一致。对比外围井与内部井排水量来看，外部排水量大于内部井，主要原因是外部井的集水面积大于内部井，这与井群渗流规律保持一致。

考虑到地层的不均匀性，挡土层渗透系数在一图10、图11。定范围内变化时，深井排水30 d时其地下水位线见当相对透水层渗透系数放大10倍时，暂态饱和区厚度略有减少，暂态饱和区面积与基本工况相比，占原初始状态饱和区厚31 m的28%降为24%。当相对透水层渗透系数缩小10倍时，相对透水层排水效果急剧减少，暂态饱和区面积大幅度上升，占初始状态饱和区的62%。

当黏土层渗透系数放大10倍时，相对透水层排水效果减若，暂态饱和区面积大幅度上升，占初始状态饱和区的47%。当黏土层渗透系数放大100倍时，基础渗透系数均处于同一数量级，深井排水效果不明显，其地下水位下降约8.6 m，非饱和区仅为初始状态饱和区的26%，连续排水150 d后，地下水位下降18.5 m，非饱和区约为初始状态饱和区的58%。这种现象的主要原因是土层的渗透系数较大，深井间距相对大，深井水补给量较大，这从井的影响半径及排水量上能明显反映。上述分析表明，相对透水层与黏土渗透系数差距越大，降水效果越明显，两者相差一个数量级时，非饱和区面积约占50%左右。

黏土层渗透系数变化相对应的井排水量见图12，由图可知，土层的渗透系数变化对井的排水量影响较大。以降水第15 d为例，相对透水层渗透系数放大10倍后，外侧井排水量为75.20 m³，排水量增加4.85倍，内侧井排水量为9.5 m³，排水量增加2.73倍；相对透水层渗透系数减小10倍后，外侧井排水量为4.62 m³，排水量为原来的30%，内侧井排水量为1.29 m³，排水量增加0.37倍。当黏土的渗透系数放大10倍、100倍时，外侧井排水量分别为原来的1.95倍、6.6倍，内侧井排水量分别为原来的3.65倍、12.2倍。

3结论

针对黏土地基深井降水效果，基于现场试验成果分析，以及非稳定饱和-非饱和有限元法有限元的非稳定渗流分析，分析了深井降水的非稳定渗流场，对比分析了试验深井的排水效果实测数据，开展了粘土地基渗透性对降水效果的敏感性分析，可得到以下结论。

（1）拟建场地地层含水量较为丰富，通过深井降水试验和有限元分析可知，在井深35～40 m、井间距20-30 m条件下，深井能够有效降低地下水位，四周外围井间距应适当减少，采取管井降水加速地基沉降是可行的。

（2）通过三维非稳定渗流有限元计算分析可知，针对黏土地基，采用深井降水，深井降水前15-20 d时，深井降水效果明显，但后期较弱，建议拟建场地清基前15-20 d前开始管井降水。

（3）因本工程相对透水层渗透系数较小，相对透水层与黏土渗透系数相差越大，降水效果越明显，本案例中两者相差一个数量级时，非饱和区面积约占50%左右，相差二个数量级时，非饱和区面积约占70%左右。

（4）本工程深井降水水位较低，降水效果明显，当水位较高时，采用此类方法进行排水，效果有待进一步研究。