滲透系數反分析法在深基坑降水中的應用

楊世華

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

強透水層中進行基坑開挖，地下水控制的合理與否直接關系著整個工程的進度和成敗[1-2]。目前，地下水控制措施，一般采用止水和降水兩種方法[3]。在止水工程中，常采用地下連續墻、旋噴樁、攪拌樁等作為止水帷幕，止水帷幕按其止水機理可分為懸掛式和落底式[2，4]。在工程實踐過程，止水帷幕，一方面因場地地層、施工質量等問題，帷幕會出現不同程度的滲漏，嚴重的滲漏甚至會出現流砂、管涌現象；另一方面，隨著降水工作的進行，透水層中細顆粒通過間隙被帶走而產生管涌，滲流通道不斷變大，透水層滲透系數不斷增大[5]，此外，由于勘察抽水試驗孔采用泥漿護壁以及成井工藝等原因，提供的滲透系數往往偏小，基坑降水過程實際涌水量比設計計算涌水量大，時常導致地下水位無法降低至基坑降水要求。

基于此，本文以某一巨厚富水砂層中深基坑降水工程為例，提出應用滲透系數反分析法實現深基坑合理降水，即通過實測坑內水位降深、涌水量等數據，反分算綜合滲透系數，進而計算坑內水位目標降深的涌水量，最終得以合理控制降水，達到降水目的。工程實踐證明，采用該方法效果良好。

1 工程概況

某項目位于福建省福州市高新技術產業開發區，北側距離市政道路約15m；西側距離已建一層地下室約5.0m；東側距離烏龍江大道30m～45m，距離烏龍江約300m；南側為已建一層地下室，距離排澇閘站約220m。該項目地下3層，地上塔樓28層(出屋面局部2層)，裙樓4層，地下室基坑大致呈長方形，南北寬約66m，東西長約105m，基坑周長約340m，基坑開挖深度約為10.15m～16.50m(局部承臺開挖深度約18.30m)，基坑支護采用灌注樁加錨索、加內支撐支護形式，并采用三軸攪拌樁和高壓旋噴樁止水，坑內采用管井降水。

1.1 工程地質情況

場地地勢較平坦開闊，場地內覆蓋層主要為第四系不同成因類型的巖土層(成因類型分別為人工堆填、沖積、海陸交互沉積、殘積等)，基底為不同風化程度的花崗巖，地面羅零標高10.00m～11.50m(該工程±0.000相當于羅零標高11.000m)，場地土層自上而下主要為：①雜填土，厚4.30m～13.30m，平均厚7.57m；②中砂，厚16.20m～24.00m，平均厚19.93m；③淤泥質土，厚1.00m～10.40m，平均厚3.34m；④中砂，厚1.30m～11.00m，平均厚6.61m；⑤圓礫，厚2.95m～13.20m，平均厚7.70m；⑥殘積粘性，厚2.30m～13.50m，平均厚4.81m；⑦全風化花崗巖，厚1.70m～16.20m，平均厚6.43m；⑧-1砂土狀強風化花崗巖，厚1.50m～23.10m，平均厚12.93m；⑧-2碎塊狀強風化花崗巖，厚0.40m～10.30m，平均厚3.33m。地層分布如圖1所示。

地下室底板位于②中砂層中。

圖1 場地典型地質剖面圖

1.2 水文地質情況

該場地地下水類型，主要為賦存于②中砂層中的孔隙潛水、④中砂與⑤圓礫層的孔隙承壓水以及下部花崗巖風化層中的風化孔隙-裂隙水。

對基坑降水、減壓影響較大的含水層主要為：

(1)②中砂層中的孔隙潛水，屬強透水層，含水量大，主要受河流地表水及大氣降水的補給，穩定水位標高約為羅零6.00m。根據勘察報告抽水試驗，②中砂層的滲透系數為18.318m/d；

(2)④中砂與⑤圓礫層中的孔隙承壓水，屬強透水層，含水量大，主要受烏龍江水及周邊場地的側向徑流補給，②中砂與④中砂層之間存在隔水層③淤泥質土，但該層較薄，局部可能缺失；④層中砂與⑤層圓礫及⑥殘積粘性土或花崗巖風化層孔隙裂隙承壓水直接相連，水力聯系密切，形成統一水體，穩定水位標高約為羅零0.13m～0.23m。

1.3 原設計止水與降水方案

1.3.1止水方案

該基坑采用φ850@600三軸攪拌樁止水，且在攪拌樁與灌注樁之間采用高壓旋噴樁作為止水增強措施。止水帷幕穿過②中砂層進入相對隔水層(③淤泥質土層)，為落底式止水帷幕，具體如圖2～圖3所示。

圖2 止水帷幕平面示意圖

圖3 典型支護與止水剖面圖

1.3.2降水方案

該基坑支護雖然采取了止水措施，但②中砂層本身儲存了大量孔隙潛水，且基坑底部為承壓含水層(④中砂和⑤圓礫層)。經驗算，基坑開挖時，承壓水會產生坑底突涌現象；另外，止水結構可能存在局部滲漏。因此，基坑開挖需采取降水措施。

該工程降水設計方案為：

(1)對雜填土中的上層滯水采用集水明排；

(2)對②中砂層中的潛水采用管井(疏干井)降水，共布置29口，疏干井直徑為400mm，井深為25m；

(3)對④中砂和⑤圓礫層中的承壓水，采用管井(減壓井)降水減壓，防止基坑發生突涌，共布置4口，主要布置在電梯井位置，減壓井直徑為400mm，井深為41m；

(4)基坑外側布置8口降水井，開挖時若基坑滲漏，可進行坑外臨時降水，坑內封堵，若坑外地下水位下降，可利用降水井作為回灌井使用；

(5)基坑外側布置6口水位觀測井，井深25m，以便隨時反映隔水帷幕的封閉狀態。

降水井及水位觀測井平面布置如圖4所示。

圖4 降水井及水位觀測井平面布置圖

1.4 降水存在的問題及處理方案

根據地下室底板伸縮后澆帶和沉降后澆帶位置劃分為A、B、C 3個區，各區地下室墊層底相對標高為：A-1區-18.3m，A-2區-18.2m，B、C區-15.9m，具體如圖5所示；各區地下水位設計降深如表1所示。

圖5 各區墊層底標高示意圖

表1 設計水位降深 m

原設計基坑涌水量9000 m3/d，基坑開挖前開始降水，基坑開挖過程持續降水。根據降水監測資料，當基坑降水出水量達到設計涌水量時，水位無法降至設計標高，坑內水位降深約9m～10m，坑外水位降深2m～6m，于是采用逐漸更換抽水泵的辦法，增大水泵流量以增加抽水量，但仍然達不到設計的降深。

2019年6月27日開始降水，截止2019年10月23日，A區水位相對標高為-17.040m，A-1區距設計水位降深仍差1.760m，A-2區距設計水位降深仍差1.660m；僅B區和C區開挖深度較淺的位置滿足設計水位降深要求，此時基坑抽水總量已接近18500 m3/d，超過了設計涌水量的2倍以上，各降水井出水量已達到極致，已經無法再增加單井出水量，但降水仍然達不到效果。

上述現象說明，場地水文地質條件較復雜，勘察報告提供的滲透系數偏小，基坑采用的水泥土攪拌樁可能存在部分缺陷，出現滲漏，②中砂層含水層下的淤泥質土隔水層可能局部開“天窗”，隔水效果有限。

面對這種情況，根據規范要求，應進行動態設計，但考慮到基坑降水的復雜性，重新徹底查明場地水文地質條件已不可能。于是，充分利用降水施工的觀測資料，反算含水層滲透系數，再根據反算的滲透系數計算達到設計降深的涌水量，以達到動態設計目的。即通過實測坑內水位降深、抽水量等數據反分析含止水帷幕的砂層表觀滲透系數，進而計算坑內目標降深實際涌水量，最終得以合理指導降水施工。工程實踐效果表明，這種方法具有明顯的實用性、有效性。

2 滲透系數反分析及降水計算

2.1 滲透系數反分析

根據2019年10月21日、10月22日的降水實測數據，按式(1)反分析②中砂層表觀滲透系數，如表2所示。

表2 降水實測數據及表觀滲透系數

(1)

其中：

Q——實際抽水量(m3/d)；

k——滲透系數(m/d)；

H——潛水含水層厚度(m)，H=19.93m；

sd——基坑坑內地下水位降深(m)；

r0——基坑等效半徑(m)。

將表1參數代入公式(1)計算得到，含水層滲透系數k=48.23-50.24 m/d。該滲透系數反映場地水文地質條件的綜合效果，為表觀滲透系數。

2.2 涌水量計算

根據反分析獲得的表觀滲透系數、設計水位降深及含水層情況，按式(1)計算坑內實際涌水量，其中：

Q——實際涌水量(m3/d)；

k——考慮落底式止水帷幕的基坑含水層表觀滲透系數(m/d)；

H——潛水含水層厚度(m)，H=19.93m；

sd——基坑坑內地下水位目標降深(m)，按最大降深考慮sd=13.8m；

按最不利因素考慮，②中砂層表觀滲透系數k取50.24m/d。為實現坑內地下水位目標降深13.8m，計算得到基坑實際涌水量Q=19 046。

2.3 增設降水井數量計算

根據基坑內實際涌水量和已經具備的最大抽水能力，得到剩余抽水量為576m3/d。

設計新增疏干井孔徑為600mm，管徑為400mm，單井出水量按式(2)計算：

(2)

其中：

rs——疏干井過濾器半徑(m)，取值為0.2m；

l——疏干井過濾器進水部分長度(m)，取值為5.2m。

計算結果表明，單井出水量可滿足要求。考慮到實際抽水量比理論抽水量要小，該工程增設2口疏干大井，主要布置在東側基坑位置，每口井放入多個大泵量抽水泵抽水。按照上述方案執行，當抽水總量達到反算后的出水量時，坑內水位降至13.9m左右，地下室施工最終得以順利進行。

3 結論

(1)因場地地層、施工質量等問題，基坑落底式止水帷幕的止水效果是有限的。

(2)通過實測坑內水位降深、涌水量等數據，經反分析含止水帷幕的砂層表觀滲透系數，進而計算坑內水位目標降深實際涌水量，可以解決降水問題，并取得良好效果。