基坑工程中的地下水問題及其控制淺析

朱 家 宏

(河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016)

我國地域遼闊，各地工程地質水文地質條件差異性很大。在長三角等沿海地區，分布著大量的深厚軟土地層，這些地層土體含水量高，土體抗剪強度低，地下水水位埋深淺，存在著高水頭承壓水。根據大量的工程實踐，這些地區的基坑工程事故，多數是由于基坑工程設計施工中，沒有處理好地下水的問題，地下水控制成為基坑工程成敗的關鍵。因此深入了解基坑工程中的地下水問題，以及相應的地下水控制技術是確保基坑工程安全的關鍵。本文對基坑工程中常見的地下水問題進行了分析，并對相關的設計控制方法、風險問題進行了探討。

1 深基坑抗滲流穩定性問題

在基坑工程中，由于基坑開挖預降水，基坑側壁內外常形成一定的水頭差，一般容易發生流土破壞，基坑工程設計中通常采用設置基坑止水帷幕，通過設置一定深度止水帷幕，達到滿足抗流土破壞的目的。

基坑工程中，管涌現象也時有發生，比如基坑止水帷幕漏水甚至止水帷幕整體失效，則基坑外側的地下水通過止水帷幕的孔隙中滲漏，水流夾帶基坑外圍的細顆粒流入基坑，將外圍的土體掏空，造成基坑外圍地表大面積沉降下陷、基坑周邊房屋開裂。

對于不同水文地質條件，常采用設置不同插入深度的止水帷幕，一般將止水帷幕按照端部是否進入相對隔水層，可分為懸掛式止水帷幕和封閉式止水帷幕[1]。

在深厚含水層的情況下，除了特別復雜敏感的環境條件限制以外，受經濟條件的限制，一般采用懸掛式止水帷幕較多，對于此種類型的止水帷幕設置深度，既要滿足抗滲流的影響，同時還需考慮降水對周邊環境的影響，盡量做到按需降水。

2 深基坑抗突涌穩定性問題

當基坑開挖深度內存在承壓水含水層時，由于承壓水水頭往往高于基坑內待開挖的土體開挖面，當開挖深度內的土體自重，不足以平衡承壓水水頭壓力時，基坑內承壓水含水層，在向上的水頭壓力下水體會沖破基坑底板土體造成突涌破壞，同時會發生噴水冒砂的現象，由于噴出的水流帶出土體中的細顆粒，會造成基坑周邊大面積沉降下陷、基坑周邊道路開裂沉降、房屋開挖變形。

在深基坑工程中，由于承壓水突涌造成的工程事故時有發生，例如2009年發生的上海地鐵四號線董家渡段隧道地層塌陷等[2]，雖然采用各種措施進行了修復，例如地下水回灌等措施，但仍然給國家造成了不小的損失。

3 深基坑工程地下水降水設計

3.1 基坑降水的作用

基坑降水是基坑土方開挖過程中，確保基坑支護結構安全的必要措施，其主要的作用為[3]：

1)防止基坑側壁因地下水在水頭壓力下發生滲流破壞。

2)消除或減少作用在基坑支護結構上的靜水壓力與滲透壓力，提高基坑支護結構的穩定性。

3)為基坑土體開挖及主體結構施工，提供干作業面，方便施工。

4)滿足主體結構抗浮要求。

3.2 深基坑降水設計

深基坑降水設計是基坑工程支護設計的一部分，降水設計應根據基坑工程為滿足主體結構施工的開挖深度、基坑開挖深度范圍內含水層水文地質條件確定具體的設計方案，以達到疏干開挖深度范圍內的土體、降低含水層水頭滿足基坑抗突涌安全要求，同時基坑降水還需配合土方開挖，滿足基坑分期、分區開挖土方的要求。基坑降水往往會對基坑周邊造成一定的不利影響，隨著降水的進行，地下水影響半徑范圍內水頭會有一定的降低，根據土力學有效應力原理，土體的重度會從浮重度增大到接近于飽和重度，從而在降水影響范圍內產生附加沉降。

基坑降水設計計算，可根據相關的規范進行計算，按照現行基坑規范推薦的“大井法”公式，但由于規范公式無法考慮一些比較復雜的水文地質條件，如含水層厚度變化、邊界條件不規則、基坑設置了止水帷幕等情況，實際應用中一些基坑降水方案設計往往根據場地的地質條件，建立三維地下水滲流模型，并采用數值方法進行設計計算，比較符合實際情況。

根據地下水動力學原理，依據場地實際的水文地質工程條件，可將求解地下水水流流動、水頭分布的問題，概化為一定的水文地質概念模型。然后根據與工程場地具體的水文地質條件，建立與之相適應的地下水三維非穩定滲流數學模型[4-6]：

其中,kx,ky,kz分別為滲透系數在x,y,z方向上的分量,m/d；h為點(x,y,z)在t時刻的地下水水頭,m；W為單位體積井流量,L/d；h0為模型計算區域的初始水頭,m；h1為第一類邊界的水頭值,m；Ss為地下水的貯水率,L/m；t為時間,d；Ω為計算的區間范圍；Γ1為第一類邊界。

對整個滲流區網格剖分后，可采用相關的數值方法，如有限差分或者有限單元方法將上述數學模型進行離散，得到數值模型，以此為基礎運用計算程序軟件，例如visual modflow，GMS等，結合抽水試驗資料，對模型參數進行識別、檢驗，從而得到能代表實際含水層的地下水流模型，然后進行基坑降水設計計算、預測不同時間尺度上的基坑降水引起的地下水水頭分布、基坑水位降深變化情況。

基坑降水引起的地面沉降變形，主要結合太沙基一維固結理論、比奧固結理論，實際工程應用上一般先根據上述地下水流模型計算出各含水層中的水位變化，根據各含水層的水位變化情況，計算各土層的有效應力的變化，再計算各土層的變形量，各土層的變形量之和即為地表沉降量。實用中基坑降水引起的周邊沉降情況，一般可采用JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規程的公式進行計算[7]:

其中，s為基坑降水引起的土體沉降量，m；Ψw為沉降計算經驗系數；Δσzi′為基坑降水引起的地面下第i土層中點處的附加有效應力，kPa；Δhi為第i層土的土層厚度，m；Esi為第i層土的壓縮模量，kPa；應取土的自重應力至自重應力與附加有效應力之和的壓力段的壓縮模量值。

基坑降水對周邊環境的不利影響主要是由降水漏斗引起的周邊建筑物、地下管線的不均勻沉降造成的，可根據具體情況在基坑外設置一定數量的回灌井設施，進行地下水回灌，保持需要保護的部位的地下水水位不變，以消除基坑降水所產生的地表變形危害。

4 結語

本文結合相關工程規范，對深基坑工程設計施工中的地下水問題以及相應的控制技術，進行了分析探討，深基坑工程中的設計施工中，必須對水的問題有一個清晰的認識，才能確保基坑工程本身及周邊建筑物的安全：

1)深基坑工程設計中，需考慮基坑地下水抗滲流穩定性，滿足流土、管涌及抗突涌安全驗算。

2)基坑降水設計，需根據場地實際的水文地質條件進行設計計算，同時降水深度應按需進行，確保基坑周邊環境變形在容許的范圍內，對于一些大型、基坑周邊環境復雜的工程，可采用地下水三維數值模擬，建立水文地質數值模型進行設計計算，必要時可結合地下水回灌系統，使基坑周邊的變形在允許的范圍以內，以達到確保基坑周邊環境安全。