上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2023, 57(2): 138-147 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.386

船舶海洋与建筑工程

上海地区多含水层系统深部承压层降水诱发地层响应规律

彭晨鑫1, 李明广,1,2, 甄亮3, 李耀良2, 张哲彬2

1.上海交通大学 土木工程系; 上海市公共建筑和基础设施数字化运维重点实验室, 上海 200240

2.上海市基础工程集团有限公司,上海 200002

3.上海公路桥梁(集团)有限公司,上海 200433

Strata Responses Due to Pumping from Deep Confined Aquifers of Multi-Aquifer-Aquitard System in Shanghai

PENG Chenxin1, LI Mingguang,1,2, ZHEN Liang3, LI Yaoliang2, ZHANG Zhebin2

1. Department of Civil Engineering; Shanghai Key Laboratory for Digital Maintenance of Buildings and Infrastructure, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

2. Shanghai Foundation Engineering Group Co., Ltd., Shanghai 200002, China

3. Shanghai Road and Bridge (Group) Co., Ltd., Shanghai 200433, China

通讯作者: 李明广,副研究员,博士生导师;E-mail:lmg20066028@sjtu.edu.cn.

责任编辑: 孙启艳

收稿日期: 2021-09-28   修回日期: 2021-12-1   接受日期: 2021-12-8  

基金资助: 国家自然科学基金面上项目(41977216)
上海市青年科技启明星计划(19QB1401800)

Received: 2021-09-28   Revised: 2021-12-1   Accepted: 2021-12-8  

作者简介 About authors

彭晨鑫(1996-),硕士,从事基坑工程方面的研究.

摘要

软土地区多含水层系统承压层抽水存在越流现象,地下水渗流和区域地层变形响应规律复杂.基于某超深地下工程承压水抽水试验,采用数值方法研究软土地区多含水层系统第二、第三承压层降水的地质环境响应.建立了三维有限差分模型,考虑流固耦合效应和土体小应变刚度特性,模拟了不同埋深承压含水层抽水试验,对比分析各承压层抽水引起的承压水头降深和深层土体变形时空分布特性.结果表明,第二承压层水位降深较小,但引起的地表沉降更大;第二和第三承压层抽水引起降水层的压缩变形分别占地表沉降的56.18%和77.69%.主要原因为浅部土层压缩性高,相同降深条件下引起的土层竖向压缩量更大;且第二承压层与上部弱透水层的水力联系较强,越流作用明显,导致抽水引起的地下水水位降深在深度方向的影响范围更大.研究成果对后续超深基坑降水施工及环境变形控制具有重要的参考价值.

关键词： 深层承压水; 抽水试验; 地下水渗流; 地层变形; 时空分布

Abstract

When pumping in confined aquifers, vertical leakage could be found in the multi-aquifer system in soft deposits, and the responses of groundwater flow and strata deformation are complicated. Based on pumping tests in an ultra-deep underground project, this study performs a 3D finite-difference modeling to investigate the responses of groundwater and strata to pumping in the second and third confined aquifers. It considers the hydro-mechanical coupled and small strain stiffness characteristics of soils in the analysis, and discusses and compares the spatiotemporal distribution characteristics of drawdown and deformation induced by pumping in different confined aquifers. The results indicate that the ground settlement induced by pumping in the second confined aquifer is greater though the groundwater drawdown is smaller, and the compression of dewatering aquifers caused by dewatering in the second and third aquifers accounts for 56.18% and 77.69% of the settlement, respectively. It could be attributed to the connectivity between the second confined aquifer and its overlying aquitards, which results in a greater influential depth. In addition, the compressibility of shallow strata is significantly greater than that of deep strata. The study is significant for the dewatering construction and environmental deformation control of ultra-deep excavations.

Keywords： deep artesian water; pumping tests; groundwater flow; strata deformation; spatiotemporal distribution

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本文引用格式

彭晨鑫, 李明广, 甄亮, 李耀良, 张哲彬. 上海地区多含水层系统深部承压层降水诱发地层响应规律[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(2): 138-147 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.386

PENG Chenxin, LI Mingguang, ZHEN Liang, LI Yaoliang, ZHANG Zhebin. Strata Responses Due to Pumping from Deep Confined Aquifers of Multi-Aquifer-Aquitard System in Shanghai[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2023, 57(2): 138-147 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.386

上海市地处长江三角洲东南前缘,是典型的滨海软土地区.第四纪松散地层普遍发育有4~5层分布较稳定的承压含水层,形成了多层含水层即弱透水层交替分布系统[1].目前,上海地区深基坑施工普遍面临承压含水层降水的问题[2].其中,大部分深基坑工程需要对第一承压含水层(AqI)进行减压降水,许多工程还需要对第二承压含水层(AqII)进行降水,而近年来在建的苏州河段深层排水调蓄管道系统工程甚至涉及到第三承压含水层(AqIII)降水.

针对抽水引起的地下水水位降深导致土体有效应力增加而产生压缩变形的问题[3⇓-5],诸多学者针对抽水引起的地下水渗流及土体变形特性进行深入研究并积累了丰富的工程经验[6⇓-8].Chai等[9]分析了上海地区地表沉降与抽水量之间的关系,并对抽水引起的沉降进行了初步探讨.Li等[10-11]对上海地区大量的抽水试验成果进行统计分析,并通过数值模拟研究 AqI 抽水引起的地下水位变化及深层土体变形特性.Wu等[12]通过抽水试验和数值模拟相结合的方法,对上海地区浅层含水层抽水引起的环境效应进行了评估,并提出采取双功能井技术可减小地面沉降.然而,以上研究仅局限于浅部承压层降水引起的渗流及变形响应,并未涉及深层承压水降水.

受以往基坑深度的限制,关于深部含水层抽水的相关研究较少.Zhang等[13-14]曾依托上海地铁13号线汉中路站基坑,对 AqII 进行抽水回灌试验,并采用数值模拟方法研究了抽灌作用下的地层响应.近年来在建的苏州河段深层排水调蓄管道系统工程已涉及到 AqIII 降水,为保证这一系统工程的设计与施工安全,对比研究 AqII 及 AqIII 抽水引起的地下水渗流和土体变形响应具有重要意义,可为后续超深基坑工程降水提供指导.

本文基于比奥(Biot)固结理论,采用硬化土小应变(HS-Small)本构模型对 AqII 及 AqIII 抽水试验进行模拟,通过对比抽水试验数据验证了模型及参数的合理性.此外,分别研究各土层水位降深和土体竖向变形随时间的变化,并分析了不同位置处降深和土体变形随深度的分布规律.最后,通过定量分析各土层的竖向压缩量及其占比,对比两含水层抽水引起的土体变形特点.

1 工程背景

苏州河深层排水调蓄管道系统工程试验段苗圃综合设施位于上海市临虹路福泉北路.苗圃竖井内径为26.00 m,开挖深度约为56.30 m;采用地下连续墙作为围护结构,墙深103.00 m;竖井周围附属结构挖深9.40~31.80 m.基坑开挖不仅涉及浅层降水,还要考虑深部承压层降水.为研究深部承压含水层降水引起的环境效应,在苗圃综合设施北面的草坪空地进行抽水试验.

1.1 工程地质及水文地质条件

勘察揭露深度范围内地基土属第四纪早更新世到全新世沉积物,主要由黏性土、粉性土和砂土组成,分布较稳定,具有成层分布特点.其中,试验场地缺失上海市统编地层第⑥层硬土层及第⑦层粉性土、粉砂层.地层分布及部分土体试验参数如图1所示.其中:k为土体渗透系数,γ为重度, e为孔隙比,kh为水平渗透系数,kv为垂直渗透系数,h为地层深度,w为含水量,wL为液限,wn为天然含水量,wP为塑限,a1-2为压缩系数;Aq0、AqII及AqIII 分别为潜水层、第二及第三承压含水层;AdI~IV为第一、第二、第三与第四弱透水层.

图1

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图1   地层分布及试验参数

Fig.1   Soil profile and properties at the site


试验场地地下水按形成时代、成因和水理特征可划分为潜水含水层和承压含水层.在本工程勘探深度范围内,地下水主要为赋存于浅部土层Aq0中的潜水、第 II 承压水(第⑨层)和第 III 承压水(第⑩夹、⑩A和11层).Aq0、AqII 和 AqIII 初始平均水位埋深分别为地表以下2.30、6.55和5.92 m.

1.2 抽水试验方案

在试验场地分别对 AqII 和 AqIII 开展单井抽水试验及群井抽水试验,试验井以抽水中心O为原点进行布置,井群布置及监测点平面布置如图2所示,图中字母K、H、G和C分别表示抽水井、回灌井、观测井和地面沉降监测点.降水井结构及其与地层的相对位置如图3所示;抽水试验的起止时间如表1所示.

图2

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图2   试验井和监测点平面布置图

Fig.2   Plan view of wells and instruments


图3

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图3   降水井结构图(m)

Fig.3   Structure of pumping wells (m)


表1   抽水试验时间

Tab.1  Schedules of pumping tests

序号时间试验内容抽水井号平均流量/(m3·h-1)
12017-10-23T10:30—2017-10-29T19:00初始水位观测--
22017-12-7T12:20—2017-12-8T12:2011层单井抽水K11-175.30
32017-12-10T13:30—2017-12-12T16:30⑨层单井抽水K9-2456.00
42017-12-20T12:00—2017-12-27T12:0011层群井抽水K11-1、K11-274.36、132.56
52018-1-2T 15: 00—2018-1-9T 16:00⑨层群井抽水K9-1、K9-2146.70、452.20

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2 数值模型建立

2.1 模型描述

采用有限差分软件FLAC3D对两承压层进行抽水试验模拟.实际场地土层分布复杂,因此在数值模拟中对土层进行简化.为消除模型边界对计算结果的影响,通过Siechardt方程计算影响半径(R)以确定抽水影响范围:

R=10swk

式中:sw为抽水井降深.

最终建立的数值模型如图4所示,模型长×宽×高为1600 m×1600 m×160 m.

图4

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图4   有限差分网格及测点布置(m)

Fig.4   Finite-difference meshes and measured points (m)


2.2 初始和边界条件

对于位移边界条件,模型底部约束所有方向的位移,模型顶部可自由变形,而模型4个侧面只约束法向的水平位移.对于水力边界条件,潜水层初始水位设置为地表;考虑到两承压含水层初始水位相差不大,为方便计算,承压层初始水位均设置为地表以下 6.50 m.模型顶部设置为自由排水面,底部设置为不透水边界,模型四周设置为定水头边界,以模拟含水层的远端补给.

2.3 土层参数

HS-Small本构模型不仅可以考虑剪切硬化和压缩硬化的特点,且考虑了土体切变模量随应变衰减的变化规律,在分析土体变形时具有明显优势.因此,本文采用HS-Small本构模型对抽水试验进行数值模拟分析.其中,土体模型参数取值方法参考王卫东等[15]的研究,并结合地质勘察报告进行参数反演;土层渗透系数根据抽水试验进行数值反演分析确定.具体的土层参数取值如表2所示.其中,c'为黏聚力,φ'为内摩擦角,ψ为剪胀角,E50ref为参考割线模量,Eoedref为参考切线模量;Eurref为参考卸载再加载模量,幂指数黏性土取0.8、砂性土取0.5,泊松比取0.2,参考应力取100 kPa; G0ref为参考初始切变模量,γ0.7为切变模量衰减为初始切变模量0.7倍时的剪应变.

表2   土层参数取值

Tab.2  Soil layers and parameters used in analysis

土层编号γ/
(kN·m-3)		c'/
kPa		φ'/
(°)		ψ/
(°)		eE50ref/
MPa		Eoedref/
MPa		Eurref/
MPa		G0ref
/MPa		γ0.7kh/
(cm·s-1)		kv/
(cm·s-1)
Aq0②118.5626.500.935.314.4331.00124.02.7×10-41.19×10-67.76×10-7
③17.5229.601.183.613.0121.0484.22.7×10-41.04×10-66.78×10-7
AdI④17.0327.901.342.902.4116.8867.52.7×10-41.94×10-71.41×10-7
⑤117.6430.501.134.053.3823.62394.52.7×10-43.77×10-73.12×10-7
⑤317.9531.601.015.554.6232.38129.52.7×10-42.42×10-61.47×10-6
AdII⑧118.0832.401.015.704.7533.26133.12.7×10-41.15×10-67.32×10-7
⑧218.7833.100.856.755.6339.38157.52.7×10-43.72×10-62.31×10-6
AqII⑨119.6031.51.50.6614.6614.6658.64293.22.7×10-43.01×10-42.03×10-4
⑨2-120.4037.57.50.5315.6915.6962.76313.82.7×10-41.00×10-49.61×10-5
⑨2-220.4036.56.50.5217.2117.2168.84344.22.7×10-44.98×10-42.04×10-4
AdIII⑩20.01931.600.6412.5110.4272.95291.82.7×10-42.05×10-78.59×10-8
⑩夹19.5032.000.719.257.7053.93215.72.7×10-42.31×10-53.47×10-6
⑩A19.5037.07.00.6912.3712.3749.48247.42.7×10-43.47×10-47.98×10-5
AqIII1119.5036.06.00.6915.4015.4061.60308.02.7×10-48.45×10-41.74×10-4
11T19.2036.000.7610.788.9862.87251.52.7×10-48.43×10-64.68×10-6
AdIV1220.11530.000.6212.2010.1771.19284.82.7×10-42.01×10-71.18×10-7

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2.4 数值结果验证

在群井抽水试验过程中,观测井水位变化监测值与计算值对比如图5所示.其中,t为抽水时间,ΔH为观测井降深.结果表明,抽水井开启后,地下水位迅速下降,随着时间增长,水位逐渐趋于稳定;停止抽水后,地下水位恢复较快.由图可知,数值模拟所得水位降深与监测结果吻合较好.

图5

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图5   观测井降深对比

Fig.5   Comparison of observed and calculated drawdown


AqII 和 AqIII 群井抽水试验过程中地表沉降(S)监测值与计算值对比如图6所示.与水位的迅速变化不同,抽水井开启后,地表沉降随着时间缓慢增加;停止抽水后,地表沉降逐渐恢复.由图6可知,AqII 抽水时,数值模拟结果与监测值吻合程度较高;而 AqIII 抽水时,数值结果与监测数据有一定差异,观察监测所得到的沉降发展规律发现,在抽水3~6 d时,地表沉降值反而减小,可能是由于周围行车扰动等因素导致监测结果异常.综合分析对比结果可知,该模型能够反映实际场地的地层特征,适用于模拟地下水渗流及土体变形的变化规律.

图6

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图6   地表沉降对比

Fig.6   Comparison of observed and calculated settlement


对比以上结果发现,尽管 AqIII 抽水导致的水位降深更大,但地表沉降却明显小于 AqII 抽水引起的地表沉降.为进一步分析两承压层长时间降水引起的沉降差异,后续研究在该模型基础上,将抽水时间均设置为 100 d,通过分析地下水渗流及土体变形的时空分布特点,以阐明 AqIII 抽水引起的沉降更小的原因.

3 数值结果分析

3.1 水位降深时空分布特性

AqII和AqIII抽水时各层水位降深变化曲线如图7所示.在抽水初期,AqII 及其下卧弱透水层 AdIII 的水位迅速下降;而上覆弱透水层 AdI 和AdII的水位在初期略微抬升,随后则呈下降趋势;此外,Aq0水位略有抬升后基本保持不变,而 AdIV 在整个抽水时间内均保持不变.最终,抽水中心处 AqII 顶板的降深为9.58 m.这表明土体固结初期产生明显的曼代尔-克雷尔效应,即在短暂时间内,由于含水层超孔压消散迅速,而弱透水层来不及排水,为保持变形协调土体内的孔隙水压力有所上升.

图7

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图7   各土层水位降深随时间变化

Fig.7   Development of drawdown in different strata


对 AqIII 进行抽水时,AqIII 和 AdIV 的地下水水位显著降低;然而,由于上覆弱透水层 AdIII 顶板与 AqIII 的距离较大,且两者渗透性差异明显,所以 AdIII 顶板及以上土层的水位变化很小.最终,抽水中心处 AqIII 顶板的水位降深为16.29 m.

综合分析 AqII 和 AqIII 抽水可知,抽水主要影响降水层及其相邻弱透水层的地下水位;受弱透水层渗透性及厚度等因素影响,其他含水层在一定时间内水位变化不明显.

AqII 和 AqIII 抽水1、10、50和100 d后,抽水中心O及抽水中心北150 m处的水位降深随深度变化的分布规律如图8所示.在抽水初期,抽水中心的降水目的层地下水位显著下降,距抽水中心较远处,地下水位变化较小;随时间增长,降深逐渐增大,且影响范围逐渐向相邻弱透水层扩展.

图8

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图8   各阶段水位降深分布

Fig.8   Distribution of drawdown at different stages


对比 AqII 和 AqIII 抽水引起的水位降深可知,长期抽水后,AqII 抽水导致的水位降深影响范围沿深度方向更大,可一直延伸到 AdI 顶板处;而 AqIII 抽水仅对其紧邻的两个弱透水层有影响.这是由于 AqI 的缺失,导致 AdI 和 AdII 水力联系加强,且 AqII 与相邻弱透水层的渗透性差异更小.

3.2 土体变形时空分布特性

分析深部承压含水层抽水对各土层竖向变形的影响,AqII 和 AqIII 抽水时,在抽水中心O处各土层的竖向压缩量(Δz)随时间变化规律如图9所示.其中“+”值表示土层压缩,“-”值表示土层膨胀.

图9

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图9   各土层竖向压缩量随时间变化

Fig.9   Development of vertical compression in different strata


当 AqII 抽水时,降水层 AqII 产生明显的压缩变形,并与水位降深发展规律一致;在抽水前期,受承压层局部压缩引起的土拱效应及弱透水层孔压增大的共同影响,上方弱透水层 AdI 和 AdII 发生微小膨胀,随后受孔压降低影响,土层逐渐压缩.值得注意的是,尽管 AdIII 孔压明显降低,但变形较小;此外,尽管 Aq0 和 AdI 孔压变化不明显,但这两层土仍产生一定程度的变形.这主要是因为下方土体发生显著沉降,受土拱效应等因素影响,上覆土体产生附加拉应力,导致该土层略有膨胀.该现象与王建秀等[16]开展的试验研究所得规律一致.最终,抽水中心处产生的地表沉降为 16.50 mm.

当 AqIII 抽水时,各土层压缩变形与降深的变化规律类似,变形主要发生在 AqIII 及其相邻的两个弱透水层 AdIII 和 AdIV 中,与 AqII 抽水类似,在降水层以上的弱透水层中出现局部土层膨胀现象.最终,抽水中心处产生的地表沉降为3.99 mm.综合分析 AqII 和 AqIII 抽水引起的各土层竖向压缩量可知,抽水主要影响降水层及其相邻弱透水层的土体变形.

图10为 AqII 和 AqIII 抽水1、10、50和100 d后抽水中心O及抽水中心北150 m处竖向位移(Dz)随深度的分布规律.在抽水中心处,AqII 抽水初期,由于土体变形主要发生在降水层,土体深层沉降最大值在抽水层顶板附近,所以变形呈“中间大、上下小”的分布形态;随抽水时间增长,上覆弱透水层孔压降低并产生压缩变形,深层沉降的最大值位置逐渐上移,最终位于AdI顶板附近.而在抽水中心北150 m处,土层变形量明显小于抽水中心的变形量,且上覆土层几乎不发生膨胀变形,该现象也证明了局部降压会引起抽水井附近的土拱效应.

图10

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图10   各阶段深层土体竖向位移

Fig.10   Distribution of vertical displacement at different stages


在 AqIII 抽水时,抽水中心处的土体深层沉降最大值位置首先位于 AqIII 顶板处,随着时间增长,最大值逐渐上移,在抽水100 d后,最大值约位于 AdIII 顶板处.此外,对比50 d及100 d的变形分布,可发现在这段时间内,变形主要发生在 AqIII 以上的土层,这表明承压层变形在50 d后已经趋于稳定,上覆土层由于越流补给等因素影响而继续发生变形.在抽水中心北150 m处,土层竖向变形量小于抽水中心处的变形量,且降水层以上土体几乎不发生膨胀.

3.3 各土层变形统计分析

承压层降水引起的地表沉降是由各土层竖向压缩或膨胀组成的,为了更清晰地表征各土层竖向压缩量对地表沉降的贡献,统计抽水100 d后,抽水中心处各土层竖向压缩量占地表沉降量的比率,如图11所示.

图11

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图11   各土层竖向压缩量占地表沉降比率统计

Fig.11   Proportion of vertical compression in different strata


分析图11可知,AqII 抽水时,降水层的竖向压缩量占比最高,达到了56.18%;此外,由于越流补给的影响,上覆弱透水层 AdI 和 AdII 的竖向压缩变形占比接近,而尽管下卧弱透水层 AdIII 的降深较大,但其压缩量却仅占4.00%,这主要是由于土层压缩性较低,土体不易发生变形. AqIII 和 AdIV 在抽水期间水位基本不变,因而产生的变形很小.受土拱效应等因素的影响,土体在Aq0中产生了较小膨胀.

AqIII 抽水时,尽管引起的水位降深更大,但土体产生的地表沉降却很小.其中,降水层产生的竖向压缩变形最大,其压缩量占地表沉降的77.69%,高于 AqII 抽水时降水层的占比.与 AqII 降水引起的相邻土层变形不同,AqIII 抽水引起的上覆及下卧弱透水层压缩变形比相差不大,两者占比均约为20%.这是由于这两层土埋深较大,压缩性相差不大.此外,受土拱效应的影响,AdIII 以上土层均出现不同程度的膨胀变形.

以上分析表明,承压层降水主要引起降水层及相邻弱透水层的压缩变形.浅部土层抽水引起的沉降较大,主要有两个原因:一是含水层 AqI 的缺失加强了 AdI 和 AdII 的水力联系,增大了 AqII 抽水对上覆土层水位降深的影响范围;二是 AqII 抽水主要影响浅层土体变形,而浅层土体压缩性较高,导致在相同降深情况下土体压缩量更大.

4 结论

采用数值模拟方法,对上海地区深部承压层抽水引起的地下水渗流及土体竖向变形特性进行分析,得出以下结论:

(1) 对比不同承压层抽水引起的水位降深分布规律可知,第一承压层的缺失导致第一和第二弱透水层的水力联系加强;此外,第二承压层与上覆弱透水层的渗透性差异相对较小,因此与第三承压层相比,第二承压层抽水对浅部土层地下水的影响更大.

(2) 第二和第三承压含水层抽水时,降水层压缩量占比分别达到了56.18%和77.69%.两含水层抽水对相邻弱透水层竖向变形的影响存在一定差异:对于第二承压层抽水,其上覆两弱透水层压缩占比较大,而下卧弱透水层压缩占比很小,这是其上和其下弱透水层的压缩性差异较大导致的;第三承压层抽水所影响的土层压缩性都较低,因此该层抽水引起相邻弱透水层的压缩量较接近.

(3) 当第二和第三承压层降水引起抽水中心降深为9.58和16.29 m时,地面沉降分别为16.50和3.99 mm.该现象表明,在第二承压层水位降深小于第三层抽水引起的降深条件下,其引起的地表沉降却明显大于第三承压层抽水引起的沉降.引起该现象的原因主要有两个:一方面,第一承压层的缺失,加强了浅部两个弱透水层的水力联系,增大了第二承压层抽水的影响深度;另一方面,第二承压层抽水主要影响浅层土体的竖向压缩变形,而浅层土体压缩性较高,因此产生更大的竖向压缩变形.

参考文献

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