建筑基坑降水設(shè)計方法及影響因素研究

陳學(xué)林

(河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450046)

基坑降水是建筑工程施工過程中的老話題，然而，由于建筑場地水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境條件紛繁復(fù)雜，降水方案優(yōu)化和降水工程施工質(zhì)量控制就顯得尤為重要，工程實(shí)踐中常有因?qū)龅毓こ痰刭|(zhì)、水文地質(zhì)條件掌握不夠和對降水過程中因巖土力學(xué)平衡改變而導(dǎo)致發(fā)生潛蝕、突涌、坑底隆起等種種后果預(yù)測不準(zhǔn)而發(fā)生工程事故的案例。全面掌握場地水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件和環(huán)境條件，科學(xué)預(yù)測降水過程巖土體穩(wěn)定狀態(tài)和有關(guān)因素對降水的影響程度，合理選擇降水方案，嚴(yán)格控制降水工程施工質(zhì)量是確保降水工程成功的必要條件。本文以中國銀行焦作支行辦公樓基坑降水為例，闡述了降水工程設(shè)計方法以及有關(guān)環(huán)境因素、施工質(zhì)量對降水的影響，意在為本地區(qū)類似工程降水設(shè)計施工提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

場地位于焦作市區(qū)南部豐收路一帶，地形平緩，為山前洪積斜地地下水的排泄區(qū)，其排泄方式以蒸發(fā)排泄為主，次為河渠排泄[1]。該區(qū)也是洪積斜地地下水的淺埋帶，水位埋深0 m～0.5 m，水位受氣候及人為影響明顯。

2 場地水文地質(zhì)條件

2.1 含水層與隔水層

按相對富水性強(qiáng)弱可分為弱、中、強(qiáng)3個含水層，自上而下為:①亞粘土弱含水層:厚度約6 m。上部3 m為褐、褐灰色亞粘土，粘粒含量較高，硬塑狀，下部3 m為淺灰黃色亞粘土，實(shí)驗(yàn)室測定滲透參數(shù)K=0.5 m/d;②亞砂土夾細(xì)砂透鏡體中等富水含水層:厚度約2 m，呈褐黃色，分選性較好，滲透系數(shù)K=2 m/d;③中粗砂強(qiáng)富水含水層:埋深8 m，厚度約7 m，灰黑色，中粗粒，粘粒含量一般小于10%，分選性較好，滲透系數(shù)K=25 m/d[2]。亞粘土隔水層位于③含水層之下，層面埋深15 m左右，厚度大于10 m，為該區(qū)穩(wěn)定的隔水層。天然狀態(tài)下，各含水層具有統(tǒng)一的均衡的水頭壓力，但由于①含水層與②，③含水層透水性差異較大，特別是①含水層上部亞粘土表現(xiàn)出相對隔水層的性質(zhì)，故在一定程度上②，③含水層又表現(xiàn)出一定的承壓性，故①層為潛水含水層，②層可視作半承壓含水層，③層為承壓含水層。其水頭一般與天然狀態(tài)下的①含水層中的潛水含水層水位一致。

2.2 場區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流與排泄條件

場地地下水主要靠山前洪積斜地中上部的側(cè)向徑流補(bǔ)給，其次是大氣降水、市區(qū)的城市廢水河渠的垂直入滲和場地周圍農(nóng)田灌溉的入滲補(bǔ)給。其中側(cè)向徑流、河渠入滲補(bǔ)給是常年性的補(bǔ)給源，農(nóng)田灌溉、大氣降水是季節(jié)性或間斷性的補(bǔ)給源。場地東西兩側(cè)15 m內(nèi)分別有兩條自北向南的廢水渠，該渠廢水與地下水的補(bǔ)給關(guān)系是隨二者的水力條件的改變而變化的。地下水的蒸發(fā)排泄是常年性的排泄途徑。

3 工程概況

基坑?xùn)|西長72 m，南北寬30 m，平面形狀近似矩形，普遍開挖深度為3 m，基坑中部局部開挖深度為6 m。要求施工期間地下水位高度不高于基坑底板以下0.5 m，并不得發(fā)生基坑失穩(wěn)現(xiàn)象。

4 降水工程設(shè)計與施工

4.1 降水工程設(shè)計

4.1.1 設(shè)計思路

1)降水工程選擇。本工程局部降深較大，考慮施工復(fù)雜程度和工程成本，決定不采用輕型井點(diǎn)法，而采用管井降水。

2)井深的確定。該基坑最深部已達(dá)到②層底面以上2 m，如果降水井深入到②層底部，則降水過程中，伴隨著①，②含水層的疏干，其水壓迅速降低，各含水層間水力平衡被打破[4](見圖1)，③層承壓含水層對②層必然產(chǎn)生頂托補(bǔ)給，同時也將對基坑底板產(chǎn)生約60 kPa的差額頂托力P，而基坑底板厚度僅2 m，其抗頂托反力僅38 kPa左右，尚有20 kPa左右的差額壓力，加之基坑開挖卸載產(chǎn)生的自重壓差，給基坑地板以足夠大的隆起潛力，有坑底失穩(wěn)的風(fēng)險。

圖1 井深8 m時降水狀態(tài)下地下水水力態(tài)勢示意圖

優(yōu)先降低②，③承壓含水層的水壓力是規(guī)避發(fā)生土體失穩(wěn)的先決條件，決定井深深入到③層底部，建立3個含水層的完整井，不僅可保證達(dá)到足夠的降深，同時可有效保證基坑各部分土體穩(wěn)定。

3)疏干過程中各含水層、地表水體之間的水力特征分析。該基坑抽水前地下水位埋深0.5 m，基坑?xùn)|、西部河水水位深約1.0 m，呈現(xiàn)地下水補(bǔ)給河水的特征。抽水初期各含水層之間的水頭壓力是自然均衡狀態(tài)，其水頭的變化主要受蒸發(fā)、降水、灌溉及河水入滲諸因素制約。當(dāng)以一定的涌水量降水開始后，各含水層的水頭壓力開始下降，但由于各含水層滲透性存在顯著差異，導(dǎo)致水頭壓力下降速度明顯不同。抽水初期，③含水層由于滲透系數(shù)最大，水壓力削減迅速，而①，②含水層由于滲透系數(shù)相對較小，壓力水頭削減相對緩慢，這樣上下含水層之間的水力均衡迅速打破，①層，②層水將優(yōu)先補(bǔ)給③層(見圖2)，整個滲流場內(nèi)將產(chǎn)生向下的滲透壓力，對基坑穩(wěn)定產(chǎn)生正作用。隨著抽水時間的延長，②，③含水層的水頭壓力將逐漸趨于穩(wěn)定，①含水層的疏干作用逐漸趨于加強(qiáng)，表現(xiàn)出遲后給水[3]的特征，這個過程也正是基坑被疏干的過程。可見，只要抽水設(shè)備的抽水能力足夠大，使②，③含水層的水頭降至①含水層底界，則①含水層將逐步被疏干。

圖2 井深15 m時降水狀態(tài)下地下水水力態(tài)勢示意圖

隨著①含水層水位的下降，河水水位將明顯高于地下水水位，補(bǔ)給關(guān)系變?yōu)楹铀a(bǔ)給地下水(見圖2)，隨著降落漏斗的穩(wěn)定，這種補(bǔ)給關(guān)系也漸趨穩(wěn)定。

4.1.2 總涌水量計算

采用大井法對總涌水量做了預(yù)測，計算過程如下:

因降水穩(wěn)定后，①含水層將被疏干，為滿足電梯井部為6 m的降深要求，假設(shè)大井水位深需達(dá)到5 m，按承壓井群的裘布依公式[3]計算:

將以上各數(shù)代入式(1)計算得:

4.1.3 降水工程布置

可以看出，降水井的深度和預(yù)測總涌水量均較大，采用輕型井點(diǎn)法降水是難以施工和達(dá)到目的的，為此選用深井井點(diǎn)法，井半徑R擬采用0.2 m和0.3 m，井壁材料采用無振搗水泥碎石井壁管，既經(jīng)濟(jì)適用又能就地購買。

試算布置12口井徑為0.4 m的完整井，按半徑為26 m的圓周均勻布置，近似計算單井涌水量為:

經(jīng)采用干擾井群抽水驗(yàn)算，水量基本能夠滿足要求。

此外，為進(jìn)一步滿足電梯基礎(chǔ)部位水位降深要求，布置與該處相近的井時，一方面使井位盡量靠近該部位，另一方面采用加大井徑的方式，采用直徑為0.6 m的井壁管，其次是加大該處抽水設(shè)備的抽水能力，達(dá)到了預(yù)期目的。

在設(shè)計過程中也對河渠的側(cè)向補(bǔ)給做了預(yù)算，但其補(bǔ)給份額很小，故在該處未做考慮。

4.2 降水工程施工

由于采用深井井點(diǎn)降水，降水井施工采用GQ-12型工程鉆機(jī)，自然造漿正循環(huán)成孔。井徑為0.4 m的井采用0.6 m的直徑成孔，井徑為0.6 m的井采用0.8 m的直徑成孔。井壁管管壁厚5 cm，濾料采用3 mm～5 mm的碎石，濾料厚度為10 cm。井壁采用預(yù)制混凝土墊封底，井壁管連接處采用廢塑料編織袋包扎，管外用竹板捆綁導(dǎo)正，以防發(fā)生涌砂和潛蝕。洗井時吸水管應(yīng)盡量深入井底以防止井底泥砂沉淀。

5 降水過程地下水動態(tài)特征

降水過程中地下水動態(tài)受地下水均衡要素控制。抽水初期，總涌水量維持在90 m/h～100 m/h，地下水位迅速下降，而后漸趨穩(wěn)定。地下水主要靠含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給。降水期間中期基坑外圍大面積農(nóng)田灌溉，使區(qū)域水位迅速抬高，漏斗水位也開始回升，回升幅度為0.5 m～0.8 m，總涌水量也由緩慢的下降趨勢漸趨恢復(fù)至100 m/h左右，以后地下水位漸趨下降。由于4月～6月中旬沒有明顯降雨，地下水的補(bǔ)給主要為側(cè)向徑流和河渠入滲，后者影響較小。地下水的排泄主要為蒸發(fā)和抽水。顯然，由于持續(xù)干旱，蒸發(fā)量漸趨增大，地下水位又表現(xiàn)為緩慢下降，總涌水量也相應(yīng)減小，至5月中旬以后，涌水量和水位漸趨穩(wěn)定。6月下旬以后，隨著大氣降水增多，總涌量又相應(yīng)回升。

6 本次降水工程中幾個問題的認(rèn)識

6.1 井徑對單井涌水量的影響

降水工程采用0.4 m，0.6 m兩種井管直徑，實(shí)際抽水時，兩種井徑涌水量差異十分懸殊，井徑為0.6 m的7號井涌水量為22 m/h，3號井涌水量為15 m/h，而井徑為0.4 m的井涌水量均小于10 m/h。根據(jù)水力學(xué)原理，一口井的出水能力受含水層的出水能力和井管(包括過濾層)的過水能力控制。當(dāng)含水層的透水性較好或水位降深較大時，含水層能提供較大的流量，此時井的實(shí)際出水量取決于井管的過水能力，而井管的過水能力又受過水?dāng)嗝娴拇笮∨c井管的透水性或孔隙度控制。可見，對于一定的井管來說，井的過水?dāng)嗝娲笮【统蔀橛克康臎Q定因素。所以，當(dāng)井徑增加時，水量明顯增加。可見，該場地含水層條件下，要發(fā)揮單井最大的出水能力，采用直徑為0.8 m～1.0 m的井徑，可獲得較大的水流量。此外，進(jìn)一步改善井壁管的透水性，并注意成井工藝各環(huán)節(jié)的質(zhì)量，均有利于提高單井出水量，提高降水效果。

6.2 成井工藝對單井涌水量的影響

本降水工程同口徑各井出水量也有很大差距，究其原因，顯然是成井工藝造成的。由于多家施工，其成井工藝和施工質(zhì)量控制各有不同，造成井壁泥漿清洗程度、濾料厚度控制、濾料級配不同，從而對單井出水量產(chǎn)生了較大影響。

6.3 水躍值對單井涌水量的影響[3]

抽水時，井壁內(nèi)、外水位之差稱為水躍值。根據(jù)水力學(xué)原理，潛水含水層中的水井抽水時都存在水躍值。需要注意的是，以降水為目的的抽水井水躍值的大小，對降水工程影響極大，有時可能導(dǎo)致降水工程失敗。本次降水中，電梯井部位的水位就受到水躍值太大的影響，致使電梯井基坑積水。同時，距離基坑僅4 m的3號井動水位深度已達(dá)10.8 m，井內(nèi)水量已不能使水泵滿負(fù)荷工作，井壁外水位已達(dá)到降深極限，其他井的水躍值也均在5 m左右。因此，降水工程設(shè)計中，應(yīng)采取有效措施使水躍值減小到最小程度。增大過濾器的透水性，減小井壁水阻力是降低水躍值的有效手段。

6.4 區(qū)域水位升降對降深的影響

本次降水工程中，除7號井外，各抽水井流量均達(dá)到最大限度，基坑范圍的水位降深已達(dá)到抽水能力的極限，此時，降落漏斗水位動態(tài)就呈現(xiàn)出與區(qū)域水位動態(tài)相一致的關(guān)系。也就是說，降水工程對水位已失去控制能力。當(dāng)年2月～3月份，由于基坑外圍大面積農(nóng)田灌溉，使外圍水位迅速抬升0.7 m左右，降水漏斗中心水位也同時升高0.5 m，造成電梯井基坑出現(xiàn)積水，此時，降水工程已無力將其疏干，不得不采取明溝排水的方法。至4月～5月份以后，由于灌溉停止，又無大氣降水，區(qū)域水位逐步下降，漏斗水位也相應(yīng)回落，電梯井基坑又出現(xiàn)疏干現(xiàn)象。

6.5 限制本次降水工程發(fā)揮更大降水能力的原因

本次降水工程已達(dá)到最大降水能力，雖滿足了本次降水工程要求，但要進(jìn)一步增加降深便無能為力，分析本次工程原因，對指導(dǎo)今后本地區(qū)大降深降水工程具有重要意義。

成井工藝缺陷。成井時由于未能嚴(yán)格控制泥漿稠度，下管時未能充分沖孔換漿，洗井時采用離心式水泵抽水，且吸水籠頭未下置到井底，造成大部分井洗井不夠徹底。另外，采用的無振搗碎石水泥管透水性相對較差，造成井壁阻力過大，水躍值相應(yīng)較大，影響降深。

各井均存在不同程度的淤積。如抽水一段時間后6號井井深僅剩8 m，其余井井深均在10 m～13 m之間。

7 未來本地區(qū)大降深降水工程設(shè)計與施工中應(yīng)注意的問題

1)降水工程設(shè)計時必須充分考慮地下水補(bǔ)給與排泄諸因素在降水過程中的影響與變化，特別是農(nóng)田灌溉及大氣降水對地下水的補(bǔ)給作用。2)降深預(yù)測時應(yīng)充分考慮水躍值的大小與影響。3)必要時可采用透水性較好的過濾器，如鋼筋籠骨架過濾器，盡量減少井壁阻力，降低水躍值。4)嚴(yán)格控制成井質(zhì)量，準(zhǔn)確預(yù)測單井涌水量，選擇合適的抽水設(shè)備。

[1]焦作市東小莊供水水源地勘察報告[R].河南省第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，1990.

[2]中國銀行焦作市支行綜合樓巖土工程勘察報告[R].河南省地質(zhì)工程公司第八工程處，2000.

[3]薛禹群，朱學(xué)愚.地下水動力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社，1986.

[4]周志芳，郭耿新.基坑降水設(shè)計中幾個問題的討論[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2004(5):18-19.