0.   引言

承压含水层减压降水是确保深基坑抗突涌稳定性的有效技术措施(张雪婵等，2010)。承压水控制不当，会发生坑底突涌、底侧突涌、环境损伤等事故(缪俊发等，2010；郑刚等，2015)。上海地铁四号线某车站基坑，由于未对坑底下⑤_-2微承压含水层减压，挖到临界开挖深度以下时，地下连续墙水平位移速率高达16mm·d^-1，基坑周边建筑沉降速率高达12mm·d^-1，立柱隆起量累计133mm (刘国彬等，2002)。

按基坑隔水帷幕对地下水渗流的阻隔程度，减压降水通常可分为敞开式降水、悬挂式帷幕降水、落底式帷幕降水3种设计型式(吴林高等，1995)。王建秀等(2010)进一步将悬挂式帷幕降水分为滤管内凹、滤管平齐、滤管外凸3种亚类。采用不同的降水设计型式时，地下水对坑内的补给强度和坑外降深，具有明显的差别。

钻孔灌注桩后压浆作为提高桩基承载力、减少桩基础沉降的有效措施，已得到广泛应用(张忠苗等，1999；方鹏飞等，2009；王卫东等，2011)。压入桩侧或桩端的浆液一般先以渗透方式扩散，随着孔隙被注浆材料堵塞，孔隙直径逐步减小，渗透难度和浆液压力逐步提高；其后，浆液形成近似球状的浆泡，压密周围的土体，当压力升高到土体的启劈压力后，出浆口附近的土体发生水力劈裂，形成新的浆液流动通道；浆液最大扩散半径由孔隙大小、注浆压力、稠度系数等因素决定，孔隙直径越大、土的渗透系数越大、浆液越稀，浆液的扩散半径也就越大(张忠苗等，2008)。

针对上海地区的水文地质条件，在现场抽水试验的基础上，建立参数分片均质的三维非稳定流数值模型，对减压降水的渗流场及其诱发的沉降进行了预测(骆祖江等, 2006, 2007；周念清等，2011)。卢智强等(2006)对武汉长江隧道武昌工作井悬挂式帷幕降水，进行了三维非稳定流数值模拟分析。崔永高(2015)对深厚强透水性含水层超大面积基坑降水进行了不同工况的数值模拟，分析了群井效应在平面上、剖面上的流态特征、提出了敞开式降水减压井平面布置的原则，指出短滤管降水具有涌水量小、坑外降深小的优点。元翔等(2011)为了减小强透水性承压含水层的基坑涌水量、减缓市政排水压力、控制降水运营风险，采用注浆工艺，将强透水性含水层的渗透系数降低了3个数量级。

吴吉春等(2011)认为，模拟结果和实际观察数据的偏差，是受目前理论水平和计算能力的限制、建模所依据的地质资料不足等影响；将这种差异统称为地下水模拟的不确定性，分析其来源，一般有地质原始资料不确定性、水文地质参数不确定性、模型不确定性3类。他还总结了地下水模拟不确定性分析的常用方法。吴雯倩等(2014)应用灵敏度分析法及蒙特卡罗法，对安徽淮北市地下水资源模型，进行了水文地质参数的不确定性分析，认为含水层的给水度或弹性释水系数及弱透水层的垂向渗透系数对模拟结果的影响最大。

王翠英等(2004)根据多个案例的实测数据，指出弱透水层的降深滞后和变形滞后是二元结构地层降水的基本特点。范世凯等(2010)对长江一级阶地的地下水控制，从隔降组合、中深井井结构、等效渗透系数取值、地面沉降主因等方面，总结了地区实践经验。

王浩等(2010)指出，地下水动力学经历了Dupuit稳定流、Theis非稳定流、物理模拟和数值模拟阶段，地下水数值模拟是研究分析地下水各种问题的重要手段，极大地提高了人们对更大尺度更深层次地下水运动规律的认知能力；为了提高模拟结果的合理性、可靠性，模型中的水文地质参数要符合实际的水文地质条件，充分认识不同参数对模拟结果的影响程度。刘波等(2014)研究了由于降水诱发的体应变导致土体渗透系数减小，对基坑渗流和环境变形的影响。

随着地下空间开发的推进，基坑开挖的面积和深度在不断加大，承压水诱发的基坑事故频率还很高。周红波等(2015)搜集了软土地区26例深基坑工程承压水事故，其中坑底突涌有16例，占62%，隔水帷幕漏水、流砂有10例，占38%。为了减小承压水诱发的基坑风险，应进行基坑工程水文地质勘察，查明场地工程水文地质特性，并在基坑围护降水一体化的设计理论指导下，合理进行减压井的设计、设置必要数量的备用井，并加强水位观察。

综上所述，业界已对各种复杂水文地质条件下基坑地下水控制进行了大量研究。但是，对承压含水层在桩基后压浆后、坑内渗透系数显著减小、计算域内渗透系数明显非均质条件下，基坑降水的渗流场特征，还未开展深入的研究。

承压水水位降低是抽水与补给负均衡、以抽水区域为中心、降落漏斗范围内的含水层释水和径流的结果。渗透系数严重非均质条件时，地下水向降水井方向的流动，受到坑内外含水层渗透系数的共同影响，渗流场较为复杂，亟须深入探讨。

本文以鲁北黄河冲积平原德州电脑城为例，先进行后压浆场地渗透系数非均质下的单井、整体群井降水和分块群井降水的渗流场模拟；再对计算域全部按注浆后渗透系数和全部按天然土体渗透系数两种渗流场情况进行模拟；通过比较，分析桩基后压浆对基坑降水渗流场的影响。

1.   研究模型和参数

1.1   工程概况与土层结构

工程桩为桩侧后注浆钻孔灌注桩，桩径均为600mm，塔楼抗压桩有效桩长45m，单桩竖向抗压承载力特征值为2300kN，地下车库抗拔桩有效桩长21m，单桩竖向抗拔承载力特征值为800kN。坑内总桩数2314根，基础底板下钻孔灌注桩满布，每根桩压浆水泥用量不小于2400kg。桩侧后注浆使坑内砂粉性土的渗透系数明显减小。

基坑面积约为180×80m²，开挖深度为21m，采用钻孔灌注桩支护，上部两道锚杆、下部两道钢筋混凝土支撑。

含水层组层顶埋深为地表下23m、厚10m，减压降水深度为18m。承压含水层初始水位为地表下4m。土层结构根据本场地岩土工程勘察报告和区域地质资料确定(表 1)。

表  1  地质条件一览表

Table  1.  Geological conditions

土层编号	土层名称	地层厚度/m	注浆后水平向渗透系数/m·d-1	注浆前水平向渗透系数/m·d-1	注浆后竖向渗透系数/m·d-1	注浆前竖向渗透系数/m·d-1
①	黏土	23	0.0001	0.0001	0.0001	0.0001
②	砂粉	2	0.5	1.0	0.25	0.3
③	细砂	8	9	16	4.5	4.8
④	黏土	7	0.0001	0.0001	0.0001	0.0001

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1.2   现场抽水试验

在确定地下水方案前，在基坑内，进行了三口完整井的非稳定流抽水试验，以确定坑内承压含水层在钻孔灌注桩桩侧后注浆后渗透系数。

表 1中，②层和③层坑内注浆后的渗透系数，根据抽水试验数据反演确定；注浆前含水层渗透系数使用邻近工程的试验结果。

1.3   数值模型特征

地下水渗流控制方程按承压水三维非稳定流数值模拟一般理论进行。水文地质参数概化为水平向各向同性、竖向异性，平面矩形网格剖分由外到内逐步加密，平面计算域取4000m×4000m，模型竖向底界为④层黏土底。模型平面边界定义为定水头边界，水位不变，模型底界取为隔水边界。采用Visual Modflow计算。模型竖向层单元划分(表 2)。

表  2  模型竖向层单元划分

Table  2.  Vertical layer segmentation

层单元序号	深度范围/m	说明
1-1	0~10	黏土
1-2	10~15	黏土
1-3	15~20	黏土
1-4	20~22	黏土
1-5	22~23	黏土
2-1	23~23.5	砂粉，23m为滤管顶
2-2	23.5~25	砂质粉土
3-1	25~32.5	细砂
3-2	32.5~33	细砂，33m为滤管底
4-1	33~34	黏土
4-2	34~35	黏土
4-3	35~40	黏土

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应力期设为1d、2d，以下的降深未注明处均为抽水时间1d的结果，降深平面图上未注明处均为地表下25~32.5m (层单元3-1)的水位降幅。

2.   工程非均质渗流场模拟

2.1   单井抽水

单井为完整井，布置在基坑北侧长边中心，滤管位于地表下23~33m，单井抽水量取600m³·d^-1，取抽水时间5d的降深。

降深1.9m的位置，在井的北侧离井中心117m，在井的南侧离井中心80m，降落漏斗南北不对称(图 1、图 2)，在抽水井南侧的后压浆区域的降深等值线，明显比抽水井北侧的天然土层区域密集。

图  1  单井降深等值线图(单位/m)

Figure  1.  Contour of drawdown through single-well (unit/m)

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图  2  单井降深剖面等值线图(单位/m)

Figure  2.  Cross-sectional contour of drawdown through single-well (unit/m)

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降落漏斗不对称的原因是，井的南侧为基坑内桩基后压浆区，地层渗透系数小，水力坡度较陡；井的北侧为天然土层，地层渗透系数大，水力坡度较缓；这样，在一定的抽水井动降深条件下，不对称的降落漏斗将会出现。

2.2   基坑整体群井降水

井位沿基坑周边布置，井数量为20口，滤管位于地表下23~33m，四口角井单井干扰涌水量取420m³·d^-1，其余井的单井干扰涌水量取310m³·d^-1，基坑总涌水量为6640m³·d^-1，降深18m (图 3、图 4)。

图  3  群井降深等值线图(单位/m)

Figure  3.  Contour of drawdown through multi-wells (unit/m)

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图  4  群井降深剖面等值线图(单位/m)

Figure  4.  Cross-sectional contour of drawdown through multi-wells (unit/m)

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现场设置了观察井，G1、G2、G3降深分别为18.3m、19.6m、17.9m，满足开挖要求。

2.3   基坑分块降水

将整体基坑分为西坑、中坑、东坑3块，实施分块降水，每块面积为4800m²。取基坑西坑，布井14口，四口角井单井干扰涌水量取600m³·d^-1、570m³·d^-1；其余井的单井干扰涌水量取290m³·d^-1、290m³·d^-1、290m³·d^-1、250m³·d^-1；通过单井涌水量的调试，抽水井的动降深均约为19m。基坑总涌水量为5160m³·d^-1，降深18m。

由图 5、图 6可见，西坑东侧为注浆区，土体渗透系数较该坑西侧小，故在相同的单井动降深下，东侧的水力坡度较西侧陡，等势线也比西侧密。

图  5  分块降水降深等值线(单位/m)

Figure  5.  Contour of drawdown of a single block (unit/m)

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图  6  分块降水群井降深剖面等值线图(单位/m)

Figure  6.  Cross-sectional contour of drawdown through multi-wells by block (unit/m)

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3.   渗流场比较模拟

3.1   计算域全部按注浆后的渗透系数计算

为了分析按均质渗流场模拟的误差，对整个计算域全部采用注浆后的渗透系数，也进行了模拟(图 7)。井数量20口，四口角井单井干扰涌水量取280m³·d^-1，其余井的单井干扰涌水量取240m³·d^-1，基坑总涌水量为4960m³·d^-1，降深18m (图 8)。

图  7  降深等值线图(单位/m)

Figure  7.  Contour of drawdown (unit/m)

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图  8  降深剖面等值线图(单位/m)

Figure  8.  Cross-sectional contour of drawdown (unit/m)

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与2.2节的计算结果比较，如计算域全部按注浆渗透系数考虑，将严重降低地下水的补给强度，在相同的降深需求下，低估基坑总涌水量1680m³·d^-1，低估比例约为25%。

3.2   计算域全部按注浆前的天然土体渗透系数计算

为了分析桩基后注浆对降水的影响，对计算域全部采用天然土体渗透系数的情况也进行了模拟。如图 9，井数量17口，四口角井单井干扰涌水量取530m³·d^-1、其余井的单井干扰涌水量取350m³·d^-1。基坑总涌水量为6670m³·d^-1，降深18m (图 10)。

图  9  降深等值线图(单位/m)

Figure  9.  Contour of drawdown (unit/m)

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图  10  降深剖面等值线图(单位/m)

Figure  10.  Cross-sectional contour of drawdown (unit/m)

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与2.2节的计算结果比较，如计算域全部按注浆前的天然土体渗透系数考虑，基坑涌水量基本没有变化，这是由于基坑周边的降深均为18m，坑外地质条件与真实地质条件相同，补给强度也就基本相同。但是，桩基后注浆使坑内渗透系数减小，坑内的水力坡度相对较陡。本节坑内为天然土体的渗透系数，水力坡度相对较缓，单井的影响半径较大，4个角井单井涌水量增加了26%，其他井的单井涌水量增加了约13%，在基坑涌水量基本没有变化的情况下，井的数量减少了3口，比例约为18%。

4.   结论

4.1   结论

(1) 坑内后压浆区域的渗透系数减小后，水力坡度变陡，单井涌水量减小，井数应相应增加。

(2) 模型整个计算域全部按注浆后降低的渗透系数考虑，会严重降低补给强度，低估基坑总涌水量。

(3) 在敞开式降水型式和相同的降深需求下，坑内桩基后压浆后，由于坑外渗透系数未改变，基坑整体群井降水的总补给量基本没有变化。

4.2   进一步研究的问题

(1) 桩基各种后注浆工艺对含水层渗透系数影响的机理和评估。

(2) 悬挂式帷幕降水型式下后注浆对基坑降水渗流场的影响分析。