疏干抽排地下水水資源論證方法在基坑工程應用

李立偉，劉景蘭

（天津華北地質勘查局地質研究所，天津 300170）

0 引言

地面沉降是天津平原區最為主要的地質災害。傳統認為，本區引發地面沉降地質災害的主要因素是超量抽取深層地下水資源。近年來分層標監測結果表明，在深層地下水控制開采區，如市內六區及塘沽城區，由于基坑工程疏干抽排淺層地下水引發的地面沉降則成為總沉降量的重要組成部分。

鑒于此，2014年1月3日，天津市政府以“天津市人民政府令第5號”通過《天津市控制地面沉降管理辦法》，要求施工基坑開挖深度超過5 m，且需要疏干抽排地下水的建設項目在抽排地下水之前進行水資源論證工作，并根據論證結果制定地面沉降防治措施。

本文以天津市河北區某項目為例，對基坑工程疏干抽排地下水水資源論證工作的方法、內容、流程等進行探討。

1 工程概況

工程位于天津市河北區三條路圍成的三角地塊，擬建物為高層住宅10棟，3～4層配套建筑2棟及3層附屬建筑1棟，場地整體分布2層地下室，基坑開挖深度為11.0 m～12.2 m。

基坑支護采用鉆孔灌注樁支護，其中場地西側，鉆孔灌注樁有效樁長21.5 m，共計156根；場地北側和西南側有效樁長19.5 m，共計187根；南側有效樁長20.5m，共計218根；東側有效樁長17.5 m，共計194根。

場地東側主要用三軸水泥攪拌樁，有效樁長30.0 m，共計230組；其他部分采用TRD水泥土連續墻。

基坑內疏干井采用無砂管井和鋼管井間隔設置，共布置疏干井134口，潛水觀測井13口。坑內降水疏干井井管采用直徑500 mm無砂管及273 mm鋼管井；坑外潛水觀測井井管采用直徑500 mm無砂管，管底封閉。

場地內45 m以上范圍內，地基土主要由一個潛水含水層和兩個微承壓含水層組成。

（1）潛水含水層

主要為①1雜填土、④2粉土、⑥3粉土層、⑥4粉質粘土層，其下⑦粉質粘土、⑧1粉質粘土作為相對隔水層。由大氣降水補給，以蒸發形式排泄為主，同時向下部越流排泄。水位受微地形、地貌影響較大，穩定地下水位一般埋深約1.40 m～2.50 m，地下水位年平均變幅為0.60 m～0.80 m。

（2）微承壓含水層

2 取用水合理性分析

該項目基坑疏干抽排水工程屬于城市建設項目，基坑的支護、止水及抽排水方案符合國家行業標準《建筑基坑支護技術規程》的要求。建設單位采取止水措施有效阻斷地下水含水層并對疏干水進行回收利用，符合節約、循環利用、有效利用水資源的相關政策。

建設單位采取止水措施有效阻斷地下水含水層并對疏干水進行回收利用，符合節約、循環利用、有效利用水資源的相關政策。工藝技術采取合理，可有效減輕抽排地下水對地質環境和水資源的影響。

2.1 合理抽排水量計算

根據天津市工程建設標準《建筑基坑降水工程技術規程》，基坑止水帷幕截斷降水目的含水層的封閉式疏干降水，基坑降水出水量應按下式進行計算:

式中:QW為基坑疏干降水總出水量，m3；Q1為坑內疏干層范圍內的出水量，m3；Q2為下覆未截斷的承壓層向坑內的越流涌水量，m3；Δhi為 i土層中水位變化（降深）值，m；Δh2為坑內降水設計的目的水位與越流承壓層水頭的水頭差為坑內降水設計的目的水位與越流承壓層頂間土層的等效垂直滲透系數，m/d；A 為基坑降水面積，m2；μi為 i土層給水度；i為基坑最大降水深度范圍內所包含的土層數；m為坑內降水設計的目的水位

與越流承壓層頂間土層的厚度，m；T為降水時間，d。

本基坑面積大約39500 m2，計算參數見表1。

經計算:Q1=19295.8m3，Q2=13082.8m3，QW=Q1+Q2=32378.6m3。

根據計算結果，本工程抽排水量為32378.6 m3。

表1 計算參數取值

2.2 工程水量估算

（1）潛水含水層水量計算

在潛水含水層中，儲存量的變化主要反映為水體積的改變，稱為體（容）積儲存量，可用下式計算:

式中:W為地下水的儲存量，m3；μd為含水層的給水度，取厚度加權平均值0.046；F為潛水含水層的面積，m2，論證范圍內面積約72400 m2；h為潛水含水層的厚度，m。

經計算，W=44960 m3。

（2）承壓含水層水量計算

本工程主要涉及的承壓水為⑧2層承壓水，故對論證范圍⑧2層承壓水水量進行估算。可按下式計算（由于是疏干工程，因此忽略彈性釋水量）:

⑧2承壓含水層:

式中:W為承壓水的儲存量，m3；μ為給水度，此處取0.05；F為承壓含水層的面積，m2；h為承壓含水層厚度，m。

經計算，W=7240 m3。

綜上，論證范圍水資源量估算為52200 m3。

3 取水影響論證

3.1 計算方法

用地下水三維滲流與地面沉降耦合模型計算軟件Processing Modflow建立地下水—地面沉降耦合模型，預測在基坑降水的條件下的地面沉降量及地下水位變化。

3.2 對周邊地下水水位影響分析

（1）數值模擬

根據場地內的實際地質及水文地質特點，計算區域上下邊界為隔水邊界，四周水平側向外邊界為定水頭邊界。外邊界的初始水位由各層含水層的初始流場獲得。內邊界條件根據現場實際情況確定。

依據場地工程地質條件，結合基坑結構、設計要求及抽水井、止水帷幕的深度等條件，垂向上由上向下將潛水含水層、承壓含水層及其之間的土層總共分成10層，地面標高統一按照2.05 m考慮，垂向上整個地層厚度為35.0 m，見表2。

表2 基坑地層剖面與模型垂向分層對應表

整個區域呈長方形，根據場地實際水文地質結構特征，遵循邊緣單元稀、基坑中心單元密的原則，對研究區進行三維剖分。將整個計算區域在平面上剖分成114×96的矩形網格單元，垂向上依據上述分成的10層剖分，每層的網格單元總數為10944個，共計109440個計算單元格。

為提高模擬結果的準確性，抽水時間計劃工期為210天，將整個過程分為10個應力期，每個應力期根據施工實際情況設置不同開啟的井數，各個應力期分為15個步長。

根據研究區周邊已有研究成果以及本項目巖土工程勘察報告，確定參與計算的模型參數見表3。

表3 分層水文地質參數一覽表

（2）對周邊地下水位的影響

由模擬結果可見，抽水持續210天，基坑周邊半徑約30 m內地下潛水水位降幅在0.20 m～0.40 m之間，且隨著距離止水帷幕越遠，水位下降越小。由于采取有效阻擋含水層的隔水帷幕，因此切斷所抽取地下水與基坑外地下水的水力聯系。但是考慮到止水帷幕底部產生越流補給，因此本次開始抽排地下水后對周邊地下水位產生一定的影響。

（3）對周邊地面沉降影響分析

利用Modflow中三維滲流與地面沉降耦合模塊，計算抽排水產生的地面沉降。從開挖對潛水含水層進行降水，降水運行至210天時，得到由于抽取地下水引起的周邊地面的累計沉降量等值線圖。

基坑論證范圍內疏干抽排地下水引發坑外地面沉降量在1.00 mm～5.00 mm之間，分析水位降深和地面沉降趨勢，越靠近基坑，水位降深越大，地面沉降也越大。加之周邊環境復雜，已有建筑較多，應加強對周邊建筑物和道路的沉降觀測，降低由于降水引起的地面不均勻沉降對基坑周邊建筑物的影響。

4 結論及建議

4.1 結論

1）通過對天津市某項目采用水資源論證法分析基坑疏干抽排地下水工程的合理抽排量，得出該工程抽排水量為32378.6 m3，論證范圍水資源估算為52200 m3。

2）基于Modflow軟件，分析該基坑工程疏干抽排地下水對周邊地下水位及地面沉降的影響，得出抽排地下水后對周邊地下水位會產生一定的影響，且越靠近基坑，水位降深越大，地面沉降也越大。

4.2 建議

1）天津市基坑開挖深度超過5 m且需要疏干抽排地下水的建設項目在抽排地下水之前須進行水資源論證工作，并根據論證結果制定地面沉降防治措施。

2）論證工作應在查明場區水文地質條件、工程地質條件及巖土體水文地質參數的前提下進行。

3）論證工作應對取水合理性進行分析，包括疏干抽排水量、涉及層位的地下水資源量。

4）論證工作應當對疏干抽排地下水對地下水位和地面沉降的影響進行分析計算，宜在建立水文地質概念模型、數值模型的基礎上，采用數值法進行計算論證。