地下回灌（精选4篇）
地下回灌 篇1
众所周知, 地下水是地源热泵的优良低位热源, 但地下水又是十分宝贵的资源, 是人类赖以生存的重要的基本物质之一。正因为地下水的双重性使的地下水回灌成为了地下水源热泵运行成败的关键技术。
1 地下水源热泵系统简介
地下水源热泵是以地下水为低温热源, 由地 (水) 源热泵机组, 地热能采集系统, 建筑物内系统组成的供热空调系统。其组成见图1。
2 地下水回灌方法
地下水回灌是指由抽水井抽出的地下水经热泵机组之后, 再通过回灌井返回含水层中。目前, 地下水源热泵系统的地下水回灌方法有三种:重力回灌、真空回灌和压力回灌。
2.1 重力回灌
重力回灌又称无压自流回灌。它是依靠自然重力进行回灌, 即依靠井中回灌水位和静水位之差。其优点是系统简单, 适用于低水位和渗透性良好的含水层。现在国内大多数系统都采用这种重力回灌方式。
2.2 真空回灌
真空回灌又称负压回灌, 在设有密封装置的回灌井中, 开启水泵时, 井管和管路内充满地下水。停泵时, 并立即关闭泵出口的控制阀, 此时由于重力作用, 井管内水位迅速下降, 在管内和控制阀之间造成真空度。在这种真空状态下, 开启控制阀和会灌水管路上的进水阀, 靠真空虹吸作用, 水就迅速进入井管内, 并克服阻力向含水层中渗透。
2.3 压力回灌
通过提高回灌水压的方法将热泵系统用后的地下水灌回含水层内, 压力回灌适用于高水位和低渗透性的含水层和承压含水层。它的优点是有利于避免回灌的堵塞, 也能维持稳定的回灌速率, 维持系统一定压力可以避免外界空气侵入而引起地下水氧化。缺点是回灌时, 对井的过滤层和含砂层的冲击力强。
3 回灌井的设计
地下水的回灌, 我们自然是希望能够完成100%的回灌。在理论上, 地下水的灌抽比是可以达到100%, 但是, 目前大多数国家的地下水回灌技术尚不成熟, 往往由于水文、地质、回灌方式等的不同, 地下水的回灌量也会受到不同的影响。特别在含水层砂粒较细的情况下, 井极容易被堵, 回灌的速度大大低于抽水的速度。
回灌的好坏取决于对地下水的了解程度以及回灌位置的选择。地下水在地下有它自己的流动规律, 人为的选取抽水井、回灌井的位置而不遵循地下水本身的流动特点及当地的地质情况来选取取水井、回灌井的位置不仅不能使水源热泵系统长期稳定的运行, 更重要的是可能破坏当地的水文地质 (地下水的流动规律) 引起一些不良的后果。地下水并不是停止不动的, 它和地表水一样由高处向低处流。外区的地下水可以流入本区, 而本区的地下水也可以流到外区;地下水还可以通过土层毛细管上升到地表, 蒸发到空中等等。如果我们能够对地下水进行详细的勘查、分析, 取得地下水的分布信息, 进行水力平衡计算, 绘出它的水位线, 就可以按照它本身的流动规律来选取水井、回灌井的位置。例如, 在渗透性好的含水层中, 回灌井布设在取水井的上游, 可以起直接补给的作用;在渗透性较差的含水层中, 回灌井可均匀分布, 井距密集些, 达到补给效果;如果在地面与地下水含水层之间存在水力阻滞层, 那么可以将回灌井穿透水力阻滞层, 使回灌水顺利渗入含水层。合理的井间距对地下水源热泵系统非常重要的, 间距不能太小, 否则会使抽水井与回灌井之间发生"短路"。表1给出了不同含水层情况, 典型的灌抽比、井的布置和单井出水量情况。
4 影响地下水回灌的因素
目前, 在地下水源热泵系统运行中, 经常出现灌抽比逐渐降低, 有时甚至下降到30%左右的现象, 其中回灌井堵塞是主要影响因素。造成井堵塞的主要原因有物理堵塞、化学堵塞和生化堵塞。
①物理堵塞。造成物理堵塞的原因主要有三种:气相堵塞、悬浮物堵塞和砂层压密。气相堵塞是由于空气被带入含水层中造成的。防止回灌水夹带气泡的具体措施是在回灌井口水系统的最高点设置集气罐, 上设自动排气阀。悬浮物堵塞是指混浊物被带入含水层, 堵塞砂层空隙而造成的堵塞。防止悬浮物的具体措施是加装过滤器, 除去水中的悬浮物之后再回灌。砂层压密是指砂层扰动压密、空隙度减小、渗透性能降低。对此, 没有好的解决办法。②化学堵塞。化学沉淀堵塞是指由于水中的Fe、Mn、Ca、Mg离子与空气相接处所产生的化合物沉淀, 堵塞滤网和砂层孔隙而造成的堵塞。对于化学堵塞可以采取加强水质监测、进行酸化处理以及回扬清洗的方法处理。③微生物堵塞。微生物堵塞是指在回灌水中的微生物在适宜的条件下, 在回灌井的周围迅速繁殖形成生物膜、堵塞过滤器孔隙、砂层孔隙而造成的堵塞现象。对此, 可以采取加入适量合适的杀菌剂去除水中的有机物以及回扬清洗的方法处理。
5 回扬清洗
目前在国内, 通常采用回扬清洗的方法来维持地下水的回灌。对于回灌越困难的热泵系统, 回扬清洗起的作用越大。回扬清洗的次数和时间主要取决于含水层的渗水性的大小而定, 其次要考虑回灌井的特征、水质、回灌水量和回灌方法等因素。对于中、细砂的含水层, 压力回灌每天需回扬2~3次, 真空回灌每天需要回扬1次。回扬时间的确定, 以每次抽完浑浊水后出清水为限, 一般需要15~30min;在停用期间, 20~30d回扬一次;对于一般轻度堵塞的回灌井, 可采用连续回扬, 直至井的单位开采量和动水位回复, 方可继续进行回灌;对于严重堵塞的回灌井, 可采用回扬与间歇停泵反冲的方法处理, 或用回扬和压力灌水相结合的处理方法。回扬清洗是非常专业的工作, 不但大大增加了维护工作量, 而且这种操作对井的危害比较大, 会造成系统寿命的降低。
结束语
地下含水层在某种程度上是国家的一种战略物资, 而且地下水也是一种优质的饮用水。与其他国家相比, 我国水资源非常紧缺, 因此地下水的回灌工作必须做好。因此, 加强对回灌技术的研究, 从根本上解决地下水回灌堵塞问题, 总结一套从地质勘探、井的设计、成井、系统集成到系统运行和监控的专用技术, 提高灌抽比到100%, 是十分比要的。
参考文献
[1]马最良, 吕悦.地源热泵系统设计及应用[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[2]邬小波.地下含水层储能和地下水源热泵系统中地下水回路与回灌技术现状[J].暖通空调.2004, 34 (1) :19-22.
[3]陆耀庆主编.实用供热空调设计手册第二版[M].北京:中国建筑工业出版社, 2008.
[4]地源热泵空调及热回收技术在节能建筑中的应用.
地下回灌 篇2
地下水模拟试验是刻画、表征和再现地下水系统的一种有效工具和常用手段, 可以模拟地下水系统特征及其应力响应的预测, 可以解决复杂水文地质条件和地下水开发利用条件下的地下水资源评价问题, 现已成为研究地下水系统最有效和应用最广泛的方法之一。
本试验以长春市岔路河镇的一连栋温室为研究对象。该温室坐北朝南, 东西三跨, 单跨宽9m, 总宽3×9=27m, 面积为675m2。参照《空调工程》附录4 (设计用室外计算参数) , 长春冬季室外的计算温度为-24.3℃ ;冬季室内设计温度, 取黄瓜的白天最适温度28℃为算例, 从而计算得出温室冬季供暖热负荷为1 516 234kJ。
对该温室采用地下水源热泵系统的可行性进行分析, 关键是经济性和地下水回灌两个方面。本文建立在前期的经济性分析基础上, 设计了沙箱回灌模拟试验。通过采集抽灌过程中沙箱内各关键测试点在一定时间步长内的水头数据, 分析回灌规律, 寻求100%完全回灌的水均衡状态时的地下水抽灌流量, 为下一步的数值模拟提供可靠的数据。
1 试验设计
本次试验采用沙箱模型进行模拟, 结合实际工程的水文地质特征, 模拟了承压层孔隙型介质中地下水的抽灌情况, 设计制作了完整的抽灌模型试验装置, 包括试验箱, 储水夹层、承压层, 抽水井、回灌井和水循环系统, 测压管不对称布置[4] 。试验总体设计图, 如图1所示。
1.1 试验系统
1) 试验箱:
试验箱是承载试验介质, 完成试验的载体, 要求必须坚固稳定, 能承载含水层。在沙箱的长度方向, 箱体两端各设置宽20cm的储水夹层, 其上开了均匀排列的直径为10mm的圆孔, 储水夹层维持固定水头 (0.7m) , 保证其中的水能够及时补给含水层。在储水夹层含水层一侧, 布3层由粗到细的滤网, 用以防止含水层中的细砂堵塞渗透圆孔降低透水效率。
2) 抽灌井:
在试验箱的长轴中心位置布置一个抽水井和一个回灌井, 管身均匀地钻有6 mm直径的小孔。小孔从底端开始, 在0.1～0.5m间交错排列, 使水可以均匀稳定地抽取和回灌入含水层。为了防止含水层中的细沙堵塞管井, 在管井外径包裹了4层孔距为1mm的滤网。
3) 水循环系统:
抽水设备选用型号为25DBZ3-15-0.75自吸泵。在水泵泄水方向安装了一个阀门, 调节抽水流量。回灌流量的控制通过一个带阀门的缓存水箱来控制。
4) 测试点布置:
试验前, 先设定试验箱中的坐标为井点, 测压管定位。本试验设定如下:以试验箱正面左下角为0点, 试验箱长、宽、高为X, Y, Z轴, 分别以向右、向前、向上为正方向。坐标轴上的单位为cm。试验土层中布置6个孔隙水测试点, 模拟工程实践中的观测井。测压点的布置要遵循一定原则:由于抽水井、回灌井开始工作后, 以井点轴线为中心, 周围的孔隙水压力有一定的对称性, 所以试验测试点布置要分散、不对称, 以获得更全面数据结果。
1.2 土样制备
试验介质选用中砂, 其粒径主要分布在0.25～1.0mm之间, 这一粒径范围的中砂占到全部砂的81.58%, 特别是0.5～1.0mm孔径范围内的中砂占总质量的44.69%。粒径大于2mm的部分占总质量的10.34%, 是天然砂中含有的少量石子。承压水环境中, 上部有不透水层, 笔者在中砂的上层覆盖相互重叠的塑料布, 再堆叠约0.2m厚的中砂模拟不透水层。试验所用砂样物理性质见表1。
2 试验结果及分析
2.1 试验结果
本试验分为自吸水泵开启前、后两个应力期, 分别各测压管水位。第一应力期的测压管水位是等水位稳定后直接读取。第二应力期取5min为固定时间步长, 共测得10个时间步长的数据, 总共试验时间为50min。水均衡[6]是指抽灌过程中地下水位稳定, 且回灌量等于抽水量的理想状态。试验测得此时抽水井流量是1.9m3/d, 回灌井流量是1.9m3/d。
试验结果:第一应力期如图2和图3所示。
第二应力期如图4和图5所示。
2.2 Modflow数值模拟结
Modflow是模块化三维有限差分地下水流动模型的简称, 是一套用于孔隙介质中地下水流动数值模拟的软件, 已成为目前世界上最为普及的地下水运动数值模拟的计算机程序。 Modflow的一个最显著的特点是它采用了模块化的结构。它一方面将许多具有类似功能的子程序组合成为子程序包, 另一方面是用户可以按实际工作需要选用其中某些子程序包对地下水运动进行数值模拟[6]。本文将用其WELL子程序包模拟该试验中井水回灌过程, 得到相应的等水势图, 如图6～图8所示。
2.3 试验分析
1) 测压管1, 2, 3高程0.2m, 测出的孔隙水位值较高;而4, 5, 6这3个测压管高程0.4m, 所以测出的孔隙水位值较低。
2) 靠近抽水井的测压管水位降深更大 (尤其是刚开机时, 下降程度最明显) , 靠近储水夹层的测压管水位降深较小。承压含水层水头值以抽水井为中心成典型的漏斗状。试验水位图较好反映了这一规律, 与实际相当吻合, 证明此模拟试验是可行的。
3) 测压管1, 3, 4, 6靠近储水夹层, 由于边界水头的及时补给, 故水位变化较小;测压管2, 5靠近抽灌井, 水头变化较大。
4) Modflow的水头模拟与实验数据能较好的拟合, 证明此试验能较好模拟地下水回灌过程。在工程前期, 可用于模拟水源热泵系统回水过程, 作为回水工程技术可行性的依据。
3 结论
本试验通过实验室物理模拟和Modflow数值模拟的拟合, 比较准确地模拟了承压层地下水在完整井中的抽灌过程, 为地下水源热泵工程的前期可行性分析提供了科学的模拟试验方法, 也为地下水源热泵温室利用系统回灌技术的利用提供了可靠依据。此模拟试验在地下水回灌工程可行性研究方面的推广, 将大大节省回水项目的技术可行性分析花费的人力、物力和时间。
摘要：设计了一沙箱模拟地下水无压自流回灌试验, 测得抽、灌井周围测试点的水头值和水均衡状态时的抽灌水流量, 并进行统计分析以及MODFLOW数值模拟, 为地下水源热泵工程的前期可行性分析提供了科学的模拟试验方法, 也为地下水源热泵温室利用系统回灌技术的利用提供了可靠依据。
关键词：地下水源热泵温室利用系统,回灌模拟试验,水均衡
参考文献
[1]王坤, 朱家玲.中低温孔隙型地热田回灌试验研究[J].太阳能学报, 2001, 22 (2) :236-239.
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[3]邬小波.地下含水层储能和地下水源热泵系统中地下水回路与回灌技术现状[J].暖通空调, 2004, 34 (1) :19-22.
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[5]宋士绅.低温地热田开采与回灌物理模拟试验研究[D].武汉:地质大学, 2007.
地下回灌 篇3
齐市地区地下水分为第四系上更新统孔隙潜水与中、下更新统孔隙承压水两类。因回灌水只允许回灌至50m以上潜水含水层, 故本次只论述第四系上更新统孔隙潜水含水层。该含水层厚40~46m, 岩性以砾砂为主, 富水性极强, 单井换算水量3000~5000 m3/d。下伏第四系中更新统粉质粘土层, 厚5~8m, 分布较为稳定, 为区域隔水层。
齐市地区回灌井 (以光明铝塑有限公司为例) , 井深为48m, 孔径1000mm, 下入600mm井管, 滤水管长度44m, 回灌量为183 m3/h.。地层岩性:0~3.4m为全新统粉质粘土, 14.3~15.6m、32.0~32.8m为上更新统粉质粘土透镜体, 含水层以砾砂为主, 计算时可视为均质含水层, 地下水水位埋深4.7, 渗透系数 (K) 选用80 m/d, 影响半径 (R) 选用400m, 含水层厚度 (M) 42.5m, 按设计回灌量计算地下水水位抬升高度, 采用潜水完整井裘布依公式计算。经计算地下水水位抬升1.504m, 符合齐市地区实际抽水降深值, 因此不再运用其它公式进行计算论证, 当回灌井水位抬升1.504m时, 地下水位埋深为3.20m, 此时抬升漏斗已进入含水层顶板0.20m, 不符合裘布依公式的假设条件。经计算回灌水位抬升至含水层顶板 (上覆粉质粘土层底板) , 即水位抬升1.30m时的回灌量为156.89m3/h, 比设计回灌量少26.11 m3/h。这说明回灌井的水拉抬升高度受潜水含水层顶板与潜水水位间距 (h0) 的限制, 回灌井水位抬升高度须≤h0时。即回灌井的回灌量受潜水水位、潜水含水层顶板埋深的限制, 当回灌井水位抬升高度>h0时, 实际回灌量将有所降低, 因而影响了回灌井的正常运行, 出现实际回灌时回灌井附近地表涌水的问题, 这种受水文地质条件限制的现象在齐市地区普遍存在。
2 受回灌井成井结构限制
齐市地区现行回灌井成井结构与抽水类似, 管外回填砾料, 滤水管为圆眼包网, 根据孔深不同设计成完整井或非完整井, 滤水管大都下置在含水层上部或下置在整个含水层。
回灌与抽水是个相反的过程, 因而地下水在含水层中的受力状态和径流条件是不同的。对于抽水完整井, 在刚开始抽水时, 含水层内的地下水在水力坡度作用下, 整体向井内流动 (图1) 。当井内A点 (泵头) 的水被抽出时, A点压力降低, 井管内的水位下降。此时井管内的压力整体降低, 对B断面而言整个断面在水压力 (水力坡度) 作用下, 整体向井内流动, CD两点形成弧形曲线, 即降落漏斗。
对于回灌完整井, 当回灌开始时 (图2) , 虽然井内压力整体增高, 但并末达到回灌水向含水层整体流动的起始压力, 此时潜水面以上水的径流阻力最小, A点在水平方向所受的径流阻力远远大于在垂直方向的径流阻力, 因面在B断面向含水层流动之前, 井内水必先向潜水面以上含水层流动, 当达到CD弧面时, B断面的水才开始整体向含水层流动。从实际生产井在回灌开始后仅几分-十几分钟, 水就从井周涌出的情况分析, 潜水面以上含水层的水逐渐扩展而形成的孤面, 有可能在超过CD弧面以后, B断面的地下水才能同时向含水层中流动。随着回灌补给的继续抬升漏斗逐渐扩大, 当抬升漏斗扩展至EG时, CF所受压力也逐渐增大, 因此当井周封堵效果欠佳或上覆粉质粘土、粉土隔水性较差时, 回灌水很易于涌出地表造成回灌失败。
对于回灌非完整井, 在加灌开始前 (图3) 含水层中的地下水在静水压力作用下, 就A或A′点而言在水平方向和垂直方向所受的径流阻力是相等的。当回灌开始后, 随着井内压力的逐渐增大, A或A′点的水可同时向含水层的水平方向与垂直方向流动。因滤水管上端与底端有距离, 即A或A′点有距离, 那么就A或A′点而言其水平与垂直方向的径流阻力是不同的, 此时A点水平径流距离大于A′点, 而A′点垂直距离大于A点, 形成EF弧面。随着回灌的继续, 当E点到达潜水面时形成GH弧面, 此时回灌水已达到向含水层整体流动 (径流) 的起始压力 (B断面左移至井壁附近) , 回灌水在整个断面整体向含水层内流动。当E点超过潜水面形成CD弧面 (即抬升漏斗) 时, 此时抬升漏斗形状虽稍有改变, 但B断面的回灌水仍整体向含水层中流动, 回灌水压力在C点对上覆粉质粘土的作用力近似为零, 因而不会产生井周涌水的现象。
3 抽水井与回灌井积砂的差异限制
抽水井井周因有砾料充填, 砾料中可积淤部分粉细砂颗粒, 而且抽水井中也可积淤部分粉细砂, 这样可使含水层中较远的粉细砂进入砾料或井中, 使井周的孔隙逐渐增大。而回灌井
与此相反, 是将井周的粉细砂逐渐冲向远处, 随着径流速度的减弱而在较远处淤积, 使其孔隙逐渐减小, 透水性能逐渐减弱, 因而应增加有效过水断面, 减缓地下水径流速度, 如增大井径, 增加砾料厚度等, 最有效的方法应为大口径辅射井。如果回灌井钻孔口径1000mm, 井管600mm, 滤水管长度10m, 下置在井底部。按潜水非完整井公式计算。
经计算回灌量70m3/h时, 地下水水位抬升1.25m。回灌水在含水层中的断面平均流速 (2.23m/h) , 比完整抽水井断面平均流速 (2.29m/h) 小, 小于齐市地区潜水含水层渗透系数的断面平均流速, 不会破坏含水层的结构。如增大回灌井的钻孔口径, 断面平均流速还将减小, 当钻孔口径增加到1.20时, 回灌水在含水层中的断面平均流速为1.86 (m/h) 。
4 结论与建议
4.1 齐市地区受第四系孔隙潜水水文地质条件的制约, 地温空调回灌井应为非完整井、回灌量一般不应大于70m3/h, 地下水水位抬升高度不能大于潜水含水层顶板与潜水水位间距 (h0) , 一般为1.30m。
4.2 回灌井滤水管应为桥式管, 不包网, 下置在井底部, 并尽可能增大孔隙率, 滤水管以上封死。
4.3 回灌井钻孔口径不小于1.0m, 管外填砾, 应增大与含水层的接触面积, 增大过水断面, 降低井附近断面平均流速, 防止局部流速过大破坏含水层结构。
地下回灌 篇4
如何控制降水对周边环境的影响, 是每个复杂深基坑不可回避的问题, 通常采用设置隔水帷幕来减小坑外的水位降深, 然而隔水帷幕造价高, 且插入深度有限, 不能完全隔断基坑内、外水力联系, 同时, 隔水帷幕还存在或多或少的渗漏, 坑外地层依然会发生沉降变形。鉴于以上问题, 通过对地下水进行回灌来减小降水对周边环境影响则成为一种较为经济、简便的控制措施。
工程概况
工程设计概况
南京梅子洲过江通道及青奥轴线地下交通系统工程由主线隧道及匝道、滨江大道下穿通道及匝道、地下开发空间三部分组成。其中, 主线隧道在江山大街地面以下3层位置下穿滨江大道, 经青奥轴线地下空间, 下穿燕山路、江东路、庐山路后出地面, 全长1732m, 设C~H共6条地下匝道连接地面城市道路。滨江大道作暗埋处理, 设滨江大道下穿通道, 全长1258m, 下穿通道设J、L、M共3条地下匝道与隧道主线相连, 同时设K、I匝道以地下形式连接青奥会议中心。地下空间开发位于通道主线上部地下一层, 将青奥中心、国际风情街连为一体, 总面积约为2.2万m2。为施工组织方便, 根据工程平面特点, 实际施工分7个区段进行, 其中J3区 (YK10+760~YK11+319) 平面及空间布置见图1。
J3区主线隧道开挖深度约为12m, 围护结构采用SMW工法桩, 深约22m, 为“悬挂式”围护结构, 未能隔断坑内外地下水的水力联系。
周边环境情况及沉降控制要求
J3区基坑周边环境较为复杂, 西南侧为已有的建筑群, 距离基坑围护结构最近处仅53m, 离主线基坑隧道约80m。对基坑降水诱发的沉降和不均匀沉降控制要求非常严格。
地质及水文地质条件
地形地貌
工程位于长江夹江东南岸, 属长江古河道漫滩地貌区, 地势平坦, 水系发育, 河流纵横交错, 自然地面标高6m~8m, 江边设防洪堤, 堤顶标高11.5m~12.0m左右。长江为本区最大的地表水体, 场地附近的夹江宽约400m, 另外场地附近还分布有红旗南河、韩二河、江东南河。
岩土工程地质条件
南京长江漫滩地区第四系土层厚度50m~60m, 局部深者大于70m。上部广泛分布有10m~30m厚的漫滩相淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土, 常有粉砂、粉土夹层;中部一般为稍~中密粉土、粉砂层, 为全新世海侵盛期沉积层, 厚度一般较大, 因水动力条件变化, 局部有软土夹层, 韵律较明显;下部主要为早全新世中密~密实粗粒砂土、砾砂、园砾等, 具有明显的二元结构特征[1]。本区地层结构见图2, 上部淤泥质粉质粘土厚度变化较大, YK10+810~YK11+105段砂层顶板埋深大, 承压水头降深小, 对环境影响可忽略;而YK11+105~YK11+319段砂层顶板埋深浅, 开挖面位于砂层中, 承压水位降深大, 对周边环境影响大。
水文地质条件
本工程所在区域水系发育, 长江等地表水体与地下水的水力联系较好, 对区域地下水的形成起重要的补给作用。根据含水层的岩性、埋藏条件和地下水赋存条件、水力特征, 第四系松散岩类孔隙水可分为孔隙潜水和孔隙承压水
孔隙潜水主要赋存于漫滩区上部地层, 含水介质为黏性土及淤泥质土, 局部粉砂、粉土薄层, 厚度3m~30m, 渗透性和富水性差, 渗透系数多小于0.10m/d。
孔隙承压水主要分布于基岩上部松散层中, 上段为 (3) 层粉细砂, 厚度10m~40m (平均32m) ;下段为 (5) 层, 以含卵砾石层中粗砂为主, 卵砾石呈次圆状, 分选性差, 厚度3m~20m。上、下段之间局部有 (4) 层粉质黏土夹粉砂分布, 厚0m~8m, 极不稳定, 可视为相对隔水层。承压含水层总体厚度大、渗透性和富水性良好, 上部粉细砂渗透系数为6.50m/d~25.0m/d, 下部含卵砾石的渗透系数为30.00m/d~50.00m/d, 勘察期间水位埋深1.50m/d~5.50m, 水位标高3.50m/d~6.20m, 近长江处水位随江水位变化明显。
场地内 (6) 层泥岩构造裂隙不发育, 风化裂隙不明显, 透水性极差, 可视为隔水层。
降水引发沉降的认识及回灌原理
降水引发沉降机理
J3区场地上部粘性土较薄, 基坑底板位于粉砂层承压含水层中, 为保证基坑的安全开挖, 需要将承压水位降至开挖面以下1m, 由于隔水帷幕进入含水层深度较浅, 基坑外的地下水位必然会下降。
降水引发地面沉降机理可以采用有效应力原理和太沙基估计理论解释[2]:
假设地表下某深度z处地层总应力为P, 有效应力为σ', 孔隙水压力为Uw。依据太沙基有效应力原理, 抽水前:P=σ'+Uw在降水过程中, 随着地下水位下降, 孔隙水压力随之减少, 假设降水过程中土层总应力不变, 减小的孔隙水压力会转化为有效应力增量:∆σ'=P-Uw+∆U w=σ'+∆Uw有上式可知, 孔隙水压力和有效应力呈反向变化关系, 即孔隙水压力减少而有效应力增加, 造成有效应力的增加的因素主要为: (1) 水位波动对土粒间浮托力的改变, 水位下降浮托力相应减少; (2) 水头压力变化在土层中形成水头梯度, 进而产生渗透压力。
承压含水层的压缩变形和上部高压缩性粘性土层的释水固结均会导致地面沉降。降水引起沉降值[3]可用下列简易方法估算:
其中:S为降水所引起的沉降值;∆H为降水深度。可以看出, 无论对于粘性土还是砂土, 降水引起的地层沉降与水位降深的平方成正比, 沉降的增长速率要远大于水位降深速率。
回灌原理
回灌的工作原理是在抽水井与被保护建 (构) 筑物之间设置一排回灌井 (注水井) , 并在抽水的同时通过回灌井向地下注水, 这样在原建筑物附近, 一方面由于抽取地下水使其水位下降, 另一方面, 通过回灌井的注水又会使其地下水位上升, 二者共同作用的效果, 使基坑周边被保护建 (构) 筑物保持实际地下水位不变或变化在允许范围内[4]。回灌技术多使用于渗透性较好的土层中, 回灌井的回灌量取决于地层的渗透性能以及回灌井的成井质量。
理论上, 回灌可以使基坑外地下水位不发生变化, 形成人工定水头边界。实际工程中, 很难实现坑外地下水位不下降, 应该结合工程特征及经济对比, 使地下水位下降值控制在允许范围之内。
回灌方案设计
受围护结构绕流阻水的影响, 设计时采用三维渗流数值法。数值法通过程序化运算可模拟不同复杂条件下的地下水流状况, 能有效解决因隔水帷幕对地下水流动造成的影响。进行地下水数值模拟时, 一般包括建立研究区域的水文地质概念模型和相应的数学模型、模型预测等几个步骤。其中水文地质概念模型的建立是确定模拟模型 (二维模型、准三维模型或三维模型) 和数学模型的前提[5]。本次在分析工程地质、水文地质条件及围护结构设计等相关资料基础上, 借助Waterloo Hydrogeologic公司研制的《Visual MODFLOW》数值模拟软件进行回灌方案的分析计算。
水文地质概念模型
(1) 含、隔水层概化
本工程沿滨江大道方向自里程BJK0+465起, 至BJK1+723讫, 长1258m;沿江山大街自里程YK10+312起, 至YK11+978.942讫, 长约1667m。为了更大程度地反映该工程的水文地质条件及含、隔水层的空间分布特征, 充分利用本次勘探钻孔资料, 将场区在垂向上概化为4个模拟层, 见图4, 自上而下分别为:
第1层为由黏性土及淤泥质粉质黏土, 局部夹粉砂、粉土薄层组成的潜水含水层;
第2层为由 (3) 层粉细砂组成的承压含水层;
第3层为 (4) 层粉质粘土夹粉砂组成的相对隔水层, 该层厚度较薄, 分布不均匀, 局部缺失;
第4层为由 (5) 层卵砾石、中粗砂组成的承压含水层。
(2) 边界条件
因模拟范围较小, 场地离自然边界远, 为了克服边界的不确定性对计算结果造成的影响, 根据水文地质勘察资料, 本次以场地各边向外扩展约500m人为设定为定水头补给边界, 即模拟区范围为2200m×2700m。考虑到丰水期长江水位上涨, 定水头边界值为标高+7.0m。
基坑隔水帷幕按隔水边界处理。
地下水流模型
根据以上建立的概念模型, 在不考虑水的密度变化的前提下, 可以给出相应的地下水流数学模型:
式中:Kxx, Kyy和Kzz为平行于主轴x, y和z方向的渗透系数 (L/T) ;h为单位体积流量, 用以代表流进或流出的源汇项 (m3/d) ;h为点 (x, y, z) 在t时刻的水位 (m) ;Ss为储水率 (l/m) ;S为贮水系数;Sy为给水度;M为承压含水层厚度 (m) ;B为潜水含水层厚度 (m) 。
初始条件:
边界条件:
第一类边界条件:
第二类边界条件:
其中:Ω为立体时间域;H0 (x, y, z, 0) 为研究区各层初始水头值;1H (x, y, z, t) 为研究区各层第一类边界1Γ上的已知水头函数 (L) ;q (x, y, z, t) 为第二类边界Γ2上的单位面积法向流量[L2T-1];对于隔水边界, q=0。
模型剖分及参数
模型采用六面体网格剖分, 在水平方向上采用非等距矩形网格剖面 (基坑开挖区域附近网格加密) , 模拟区平面上剖分为148行、458列, 加密区最小单元格的面积为2×2m2, 非加密区域单元格面积约为50×50m2;垂向上根据地层及围护结构深度共剖分为7层, 如图5。
地下水流数学模型涉及的模型参数主要为渗透系数 (Kxx、Kyy、Kzz) , 其值的大小直接决定概念模型与实际水文地质模型的拟合程度以及方案预测的准确性。结合工程抽水试验结果, 模型各层参数取值见表1。根据现场试验, 降水井单井出水能力约为600m3/d, 回灌井回灌量约为200m3/h。
回灌效果预测
通过模型运算分析, 当坑内水位降至设计要求时, 在无回灌条件下, 坑外最大水位降深约为10m, 至建筑物处水位降深达8m;当在建筑物与基坑之间布设一排18口回灌井时, 坑外最大水位降深约7.0m, 至建筑物处水位降深约4.0m, 水位上升约4.0m, 见图6、图7。
回灌前武警总队地面沉降最大值达40mm, 而回灌后地面沉降仅为8m, 见图8、图9, 从图中可以看出, 回灌后不均匀沉降也大大减小, 说明回灌方案能够满足沉降控制要求。
回灌井布置
回灌井平面布置上应尽量靠近被保护建筑物, 同时回灌井布设的水平长度要大于被保护建筑物与基坑相邻侧的边长, 以增加地下水渗流路径。
为减少回灌的地下水渗入基坑而增加基坑内降水井的抽水量, 回灌井的深度不应超过隔水帷幕的深度, 本工程回灌井深21m, 较隔水帷幕浅2m。同时为增加回灌井的回灌量, 应增大回灌井口径及其透水性, 因此, 本次回灌井全孔采用透水性能较好的内径400mm、外径500mm的无砂混凝土滤管, 不但能对下部砂层进行回灌, 而且可以补充上部淤泥质粉质黏土层中薄层砂层夹层的地下水, 使淤泥质粉质粘土层处于饱水状态而减少失水固结沉降量。
回灌方案实施
回灌的有效实施也即如何解决回灌压力、回灌水源以及回灌井存活率问题。
回灌压力
对于渗透性能差的地层, 可采用加压回灌的方式来增加回灌量, 本基坑底部为厚层的砂层, 透水性较好, 渗透系数达6~20m/d, 若采用加压回灌, 一则增加坑内地下水的补给量;二则坑外压力增大易击穿止水帷幕, 造成围护渗水或者基坑管涌。因此, 本次不采用加压回灌, 采用重力回灌方式。
回灌水源
本基坑回灌量较大, 不但要有充足的回灌水源, 而且回灌后不应造成地下水污染。本基坑工程可作为回灌水源的有3种: (1) 自来水, 自来水是目前基坑回灌采用较多的水源, 但是成本高, 水资源浪费严重; (2) 地表水体, 基坑周边的地表水水质较差, 回灌后易污染地下水且地表水中的杂质易堵塞回灌井; (3) 基坑内降水井抽排水, 利用基坑抽排水作为回灌水源, 既不污染地下水, 又减少了水资源的浪费, 是本工程地下水回灌的最佳水源。
回灌运行
回灌井的成井质量是保证回灌有效的前提, 而回灌运行管理是确保回灌有效的关键性措施。
本基坑采用降水井抽排水作为回灌水源, 由于地下水Fe2+、Mn2+含量较高, 暴露在空气中易氧化形成絮状沉淀, 造成滤管堵塞, 因此, 抽水井与回灌之间采用封闭管路, 避免过多接触空气。
基坑开始进行降水工作时便可同步启动回灌井, 直至基坑内降水工作结束, 或者回灌后坑外地下水位上升至初始水位。
回灌井运行期间, 每天对回灌水量及地下水位进行观测, 避免回灌井水位溢出。为确保回灌持续有效, 对回灌井进行定期回扬处理, 回扬周期视回灌水量衰减情况确定。每次回扬时间应尽量短, 按5~15min考虑, 停10~30min后, 再重复回扬, 直至抽出的地下水干净时, 可停止回扬, 重新进行回灌。
回灌过程中, 若出现因围护结构缺陷而导致的基坑管涌、渗水等情况, 应立即停止回灌, 待堵漏完成后再进行回灌。
回灌效果检验
自基坑开始降水至整个结构施工完成, 有回灌侧坑外地表累计沉降量约为8mm, 建筑物附近地面沉降量约3~5mm, 单井回灌量约180~240m3/d, 观测井水位上升3.60m;而基坑另一侧未进行地下水回灌, 地面累计沉降量达20~50mm, 回灌效果十分显著。
结语
本工程在降水沉降计算分析的基础上通过模拟计算确定了最优的回灌方案, 加上合理有效的施工组织设计, 使得地下水回灌取得显著效果, 成功控制了降水对周边建筑物的影响。回灌在本工程的成功应用, 可以得出以下结论:
(1) 在有止水帷幕的情况下, 采用合理的回灌方案, 结合有效的运行管理, 利用地下水回灌控制降水沉降达到不影响基坑周边建筑物的技术是可行的。
(2) 利用基坑内降水井抽排水作为回灌水源能有效减少成本, 综合利用水资源, 减少水资源浪费。