渤海灣沿海地區的基坑降水原理與方法分析

劉金秀 時國松

(1.壽光市建筑工程質量監督站，山東 壽光 262700;2.北京交通大學海濱學院，河北 黃驊 061199)

0 引言

降水對于水位較高的區域的基坑施工非常重要。沒有較為干燥的施工環境，對于施工速度和質量無法保障。降水作為基坑開挖的前置工作，不但施工組織上需要充分考慮，同時也影響著基坑的穩定性，對基坑安全施工比較重要。降水的時間長短和降水深度對于局部區域生態環境也是有一定影響的，尤其是根須較深的樹木，長時間的降水可能會導致死亡。在建筑物密集的城市中心地帶開挖基坑，降水也會對周圍建筑和巖土的不均勻沉降起到促進作用，也有可能導致建筑物傾斜過大、傾覆、道路開裂等極端工程災害發生。所以降水前一定要充分理解降水原理，以及降水可能導致的不良后果，同時還要兼顧降水的經濟性。

渤海灣沿海地帶的地下水位和地質情況與內陸區域相差很大。如濟南、石家莊、臨沂等地的水位線在不斷下降，浮動比較大，地下幾米至十幾米的都有。而沿海地帶的濰坊、東營、滄州等地的地下水有時候只有一兩米深。地質環境也是有區別的，魯中和河北西部地區地下角礫、巖石較多，而沿海地區基坑幾乎碰不到碎石，粘土、粉土、砂占據了基坑能夠開挖深度的主要地質層。

1 降水原理與模型概述

在基坑降水前，我們是無法預知基坑總體的涌水量，只能通過模型計算。現在的相關規范和計算方法都是以法國水力學家裘布依的水井理論為基礎的。先假定地層均勻一致，也就是說每層土的滲透系數是一致的，同時地下水在抽水前保持靜止，沒有暗流。在抽水2 d～6 d 后，水位降落漏斗就會保持穩定。根據裘布依理論，將豎向沿降落漏斗虛擬成若干個小的圓柱，小圓柱分的越細，得到的結果就會越準，以無壓完整井為例，應用微分原理可知:

其中，Q 為涌水量;x 為水井外法向坐標，以水井最深處為原點;y 為水井豎向坐標，以水井最深處為原點;K 為滲透系數。

將式(1)分離變量，然后進行定積分計算，x 的積分區間［r，R］，y 的積分區間［h，H］，積分后結果如下:

其中，H 為含水層厚度;h 為降落漏斗底部至不透水層的距離;R 為降水影響半徑;r 為水井半徑。

然后我們令S=H－h，S 為井中水位和原有水位差，則涌水量公式可以變換成:

為了把水井模型和基坑聯系起來，這里把基坑假想成由降水井點管圍成的水井。基坑的形狀各異，多數不是圓的，沒有半徑r，從而提出了等效半徑r0，用來代替r。也就是在基坑長寬比不是很大的情況下，認為基坑是圓的。以井點管圍成的面積為圓的面積，計算等效半徑r0。

其中，A 為井點管圍成的面積。

那么式(3)中仍存在一個未知數就是降水影響半徑R。其計算公式沒有經典計算公式，基本上都是經驗公式，通常選用庫薩金或是吉爾哈特的經驗公式計算。這里我們選用庫薩金的計算公式舉例說明，見式(5)。注意式(5)中R 僅是按單井水位降落漏斗時的影響半徑，并沒有考慮基坑的擴大效應，所以式(3)中的R 應該用R+r0替換。

這里可能還有一問題就是K 的取值，如果是地下所有土層的滲透系數是一樣的，這個公式就適用。實際上很難遇到各層土的K 相同的情況，不一樣就需要使用加權平均值的方法。如果質疑加權平均值的正確性，就只能通過抽水試驗測定一個綜合滲透系數。

2 布置與計算

基坑總的涌水量是在確定好井點管水平布置和高程布置之后才能計算的。所以井點管的水平布置和高程布置是比較重要的。水平布置的選擇比較多，單排布置、雙排布置、環形布置等均可以選用，既要考慮基坑形狀，又要考慮經濟性。對于沿海地區的高層建筑而言，由于地下水位比較高，所以選用環形布置的還是比較多的。有時候考慮地下水流方向，也可以設置U 形布置，將開口一側設置在下游。高程布置的主要目的把基坑中間的水位線降到基底以下安全高程范圍內，通常為基底下0.5 m～1 m。由于基坑的降落漏斗曲線是拱形，根據經驗水力坡度數值(約1/10～1/5)沿預降基底水位線計算至井點管位置，可以計算出井點管的埋深，濾管長度下延1 m 即可。得到了井點管埋深后，利用式(3)計算涌水量。如果是非完整井或是承壓井，可按照《建筑與市政工程降水規范》第六章的有關公式計算涌水量。

總的涌水量計算完成后，下一步就要布置井點管的根數。之前需要知道單根井點管的抽水能力。將不同類型的單根井點管出水量經驗公式總結如下。

1)普通輕型井點:

其中，d 為井點管直徑，m;l 為井點管長度，m。

2)其他輕型井點:噴射井點，可按工程降水規范選取。電滲井點可按普通輕型井點公式計算。

3)管井井點:

其中，d'為濾管外直徑，mm;l'為濾管長度，m;α'為含水層經驗系數，參見降水規范。

用基坑涌水量除以單根井點管的出水能力，即可得到井點管所需數量。這里需要注意的是，在布置輕型井點管的時候考慮排水總管的進水口距離是有模數的，要根據實際情況選取。管井沒有總管，所以無需考慮。

3 不同降水方法優缺點對比

降水前應對降水區域進行深入的工程勘查，如當地水文地質概況、地下水類型、第四系土的性質與分布、巖土情況、周圍已有建筑與市政工程等。基坑的降水方法總體上分為兩類，一類是重力降水，即明排法;另一類是強制降水，即井點法。兩種方法在實際工程中均應用廣泛，有時兩種方法共同使用，形成綜合降排水系統。

明排法即利用四周的排水溝及集水井收集地下涌水，用水泵抽到基坑以外。該方法施工比較簡單，經濟性較好，對周邊生態破壞較少。但隨著基坑開挖的不斷進行，排水溝也需要不斷加深。當涌水量較大或者基坑寬度較大時，還需要設置盲溝。如果降水的水位差太大，比較容易發生流砂、管涌和塌方。一般適用于降深不超過2 m 的基坑，且不易產生流砂、管涌粘性土、砂土和碎石土層。降水地層的滲透系數小于0.5 m/d。

井點降水由于能改變基底水流方向，即改變動水壓力方向，對基底具有保護作用，降水力度大等優點，應用比較廣泛。兩種類型的井點具有的特點不同，適用范圍也有區別。

輕型井點適用于滲透系數不大的深基坑，如粘土、粉質粘土和粉土等，滲透系數在20 m/d 以下。對于淤泥或是淤泥質粘土，如果滲透系數在0.1 m/d，可采用電滲井點。特別適用于邊坡不穩定，容易產生流砂、流土和管涌的基坑。普通輕型井點的降深不得大于6 m，因為其降水原理是利用真空將水從地下抽出來，如果降深大于6 m，可考慮采用多級普通輕型井點，但最大降深也不能超過20 m，上下相鄰兩級井點管的高程差不得超過5 m。如果不采用多級輕型井點，也可采用噴射井點，最大降深仍不能超過20 m。如果場地有特殊要求，也可以采用斜井，以減少地下水對邊坡的沖擊。

管井類的抽水強度大，降水能力強，但造價往往比輕型井點要高出許多。適用于地下水豐沛，且地下土層多為滲透性較強的砂土和碎石土。降水深度超過20 m 的基坑使用該方法比較經濟。對于住宅小區具有整體車庫的，管井降水應用也比較廣泛。為了提高降水能力，有時會在基坑中央范圍內也設置井點。管井在基礎施工完成后需要進行封井處理，處理不好容易產生較多工程地質災害問題。

4 渤海灣沿海地區基坑降水適用方法

環渤海灣區域城市包括山東、河北、天津、遼寧在內的近20 個地級及以上城市，但實際上屬于渤海灣沿海地帶的有大約10 個城市:濰坊、東營、滄州、天津、唐山、秦皇島、葫蘆島、盤錦、錦州、營口。這10 個城市除秦皇島、葫蘆島的海岸外，均屬于泥灘，向內陸延伸幾十千米至上百千米不等。這些區域雖沿海，工程地質環境比較差，地下10 m 內以粘土、粉質粘土、粉土、細砂為主，普遍的滲透系數不大。很少出現粗砂、碎石土，在建筑工程可勘察范圍內，很難觸及基巖。特殊淤泥或淤泥質粘土經常出現在不同深度土層中。

渤海灣外的城市借助天然地質優勢，早已形成優良港口城市，如青島、煙臺、大連等。天津濱海新區的建立，促進了渤海灣內經濟圈的發展。同時渤海灣內其他城市也都在加緊發展海岸經濟，如山東的濰坊濱海經濟技術開發區、河北的渤海新區等。越來越多的高層建筑出現在海岸泥灘地帶，生活空間形成地下地上交錯縱橫的情況。建筑的地下空間的開發加速發展，由此帶來降水問題越來越凸顯。這些地區水位基本與海齊平，至內陸幾十千米其深度也不過一兩米，所以降水方案的設計比較重要。

針對以上情況，提出以輕型井點為主，大口井為輔，明排兼濟的綜合降水方案。對于建筑物不高，沒有地下室或是人防要求的，單獨采用明排也可以，寬度過大，加盲溝輔助。一般高層建筑有單層車庫或是人防，可采用一級輕型井點降水。對于有多層地下結構的建筑，可以采用多級輕型井點或是噴射井點。對于較深土層有淤泥或是淤泥質粘土的基坑，采用電滲井點排水。基坑面積過大，采用大口徑輔助，即在基坑內部設置排水設備。

降水也會帶來不少生態破壞和自然災害，在降水期內要時刻觀察出水水質、周邊已有工程沉降開裂和生態平衡等情況。地面沉降過大時應先停止降水，分析原因后再繼續。也可采取回灌措施，防止土層固結沉降。充分做好過濾措施，嚴禁排水攜砂帶土，造成邊坡基底掏空沉降或失穩。

5 結語

降水措施多種多樣，方案設計時考慮多方面因素，不可一味追求技術可行性，需要同時兼顧經濟性。要從原理出發，通過充分的現場勘察、滲透試驗、精確計算來對比方案，選取適于特定工程的施工方法。對于渤海灣沿海地區，優先采用輕型井點是必要的。當然也不能以偏概全，要從工程實際出發確定最優方案。

［1］應惠清.土木工程施工［M］.上海:同濟大學出版社，2007.

［2］JGJ/T 111—98，建筑與市政降水工程規范［S］.

［3］《建筑施工手冊》編委會.建筑施工手冊［M］.第5 版.北京:中國建筑工業出版社，2013.