西江某水泵站基坑設計實例分析

雍 剛

(廣東宇源水利發展有限公司，廣東 梅州 514000)

廣東西江由海相沖積粉土非常大范圍的分布散落于其沿岸，海相的沖積粉土有著非常復雜多變的物理力學特性，對沿岸周邊場區的工程建筑有著復雜的影響，其物理力學性質是在黏性土和無黏性土中間[1]。在西江邊施工基坑工程，往往由于西江沿岸的地下水水位高，同時地下水由于與西江的河水水利聯系廣泛復雜，兩者間的有著充分補給，與此同時，這種海相沖擊的粉土往往夾雜砂礫，所以抗滲能力較差，其滲透的穩定性比較低[2]。在基坑開挖過程中往往會導致坑內土體的流失，容易出現管涌、流砂等現象，導致開挖中基坑的變形超過允許范圍或者周邊地面的不均勻超出合理的沉降[3]。除此之外，在對靠近西江的深基坑工程總結中，止水帷幕的施工選擇通常至關重要，很多案例顯示在江邊會發生嚴重的支部變形過大或者地下水滲漏由于帷幕的施工質量差或者設計不合理導致。

本泵站基坑工程位于廣佛西江邊，基坑范圍和規模大，普挖近9m，屬于深基坑。場區的地層中覆蓋含深厚的粉砂土層，地層巖性與周邊的水文地質情況分布特殊，地下水水位較淺，水利聯系非常復雜，水量較大。所以需要設計采用一定的降水方案來確保泵站工程的施工在開挖在過程中應保持對坑內進行降水疏干，本文對此基坑設計和施工遇到的問題如變形控制和突涌進行了分析研究總結，對降水井的改進補充進行了分析，非常具有一定的實際意義和理論研究價值具，也為濱江地區的泵站廠房基坑工程的設計和施工提供一定的借鑒價值。

1 工程概況

本工程位于佛山市南海區西江邊，屬于取水兼顧排澇的水泵工程。工程在西江周邊的浦江支流開挖建設一個敞開式的臨河非對稱式的基坑，為了合理布置泵站和旁邊既有排澇泵站的需要，如圖1所示，基坑的最大深度達9m。基坑周邊的現有河道位于基坑東側，也仍然為非常重要的排澇河道。此河道將擔當重要的泄洪功能，在基坑施工期間如果遇到極端天氣導致特大洪災根據工程的施工導流方案，屆時過流將淹沒過基坑。

擬建工程的四周有著相對復雜的環境狀況，旁邊早先有3座建設時間較為長遠的水利工程，分別是1座泵站和2座水閘。其均沒有做樁基礎。除此之外，該項目工程在作為取水工程外兼顧為周邊的排澇應急工程。施工工期僅不足5個月，時間較短。

2 工程地質和水文地質條件

2.1 工程地質條件

根據巖土工程勘察成果顯示，在該泵站的基坑開挖影響范圍內的地下地層按其分布成果和力學特性可作如下。

雜填土：主要以粉質黏土和含泥碎石塊為主，層厚范圍1.0～3.2m；淤泥質粉質黏土：主要為淤泥和淤泥質粉質黏土為主，夾雜粉土，分布層厚度為1.5～2.5m；黏質粉土：主要成分是黏質粉土，層厚2～4.5m；砂質粉土：主要是以砂質粉土，土質的密實度松散至密，壓縮性偏中等，層厚1.8.～5m。各層土的指標和物理力學特性見表1。

表1 土層物理力學特性指標

2.2 水文地質條件

泵站分布地區的周邊地勢開闊平攤，地面標高范圍6～8m。場區內主要分布了微透水和透水的粉黏土，部分夾砂，地層的透水性較差、保水性也一般。在實際測量的鉆孔里面潛水位埋深2.5～3.5m，承壓水頭-4～-5m，孔隙性潛水和孔隙性承壓水為地下水的主要類型。主要的沉積相的土層為第四系雜填土、粉土、粉黏土、黏性土、粉黏土夾砂等，土層為沉積堆積泵房區域地層的水文地質特性見表2。

泵站基坑的底板處于夾砂層與粉質黏土之間，因為上部為無黏性土覆蓋層，開挖可能會擊穿不透水層。在開挖時可能上部覆蓋層重量會被下部含砂層承壓水產生的頂托力超過，所以開挖會存在一定的突涌風險。

表2 場區土層滲透系數表 單位：cm/s

3 基坑圍護方案設計

3.1 工程特點

(1)基坑周邊地質條件復雜，周邊場地狹窄，又有既有泵站和現有河道的影響。屬于深基坑，必須設計合理的支護體系方案，確保施工安全。

(2)基坑靠近西江，場地內地下水位高，地基土的抗滲能力弱，地層的滲透系數較小，由于含有透鏡體狀的粉砂或夾有薄層的部分土層的存在，其透水能力得到了加強。

(3)此基坑的施工工期非常短，所以土方開挖的速度必須要快。

(4)工區分布有碎石塊狀土在表層，地基上部還含有淤泥質粉質黏土，土體整體性質相對較差，不利于樁基的施工。

(5)在開挖基坑底部土方時，靠近西江側的基坑內壁先有少量涌水，在初始階段涌水量非常小，后面其涌水量逐漸加大。

3.2 圍護結構設計

圍護結構使用單排直徑80mm間距100mm的鉆孔灌注樁。西江邊地下水水利聯系豐富，部分土層滲透系數較高，周邊設置了雙排止水帷幕，帷幕打到坑底5m以下，止水帷幕使用直徑70mm間距50mm雙軸攪拌樁。基坑圍護體系的剖面圖如圖2所示。

由于基坑較深，布置2排水平支撐。第一道支撐使用了C25的鋼筋混凝土支撐，規格為60×80cm，第二道支撐使用鋼管支撐來做內撐，其直徑為60cm。根據工程的現場情況，基坑在靠近既有河道一側為開敞不設支撐和圍護樁，所以在其遠河一側設置了斜撐來受力。除此之外，基坑的內側3m設置了攪拌樁加固來控制開挖中基坑底部軟黏土的變形。基坑內外設置了疏干井自流深井。

圖2 基坑典型圍護斷面圖(高程單位：m，尺寸單位：cm)

3.3 降水方案選擇和設計

基坑降水方案大體上歸為兩類，一種是重力降水；另一種是強制降水。前者的原理即明排，后者則是井點法。具體可以根據地層的巖性、滲透性、目標水位降深等特點來選用合理的降水方法[4]。

基坑普挖深度達9m，開挖面地面高程8～9m，基坑底高程-0.9～1.2m。在開挖時地下水水位必須降至基礎底板以下1m，因此設計水位的降深為10.6m，有著較高的降水施工的要求，所以選取井點降水法，含砂層為此基坑井管濾水管所處的位置，滲透系數為9.26×10-3cm/s。井管布置范圍為矩形，長為100m、寬約90m。

計算井點管埋深的公式：

H≥H1+h+iL=9.39+1+40×0.1=14.39(m)

式中，H1—按設計為9.39m，即從基坑底面到井點管埋置面的距離；h—基底至降低后的地下水位線距離，取1m；i—水力坡降，環形井點布置取1/10；L—井點管至基坑中心點水平距離，40m。管井設計的長度不含濾管段16m，濾管長4m。

因為地基土的內部各向異性比較大，且地下水在土壤孔隙中由于其分布不均勻其運流狀態也非常復雜多變，通常會使用簡化模型的方法來計算基坑的涌水量[5]。通常假設含水層為各向同性且均質水平的，以裘布依理論為基礎，水流狀態為徑向流運動且軸對稱滿足達西定律[6]。水位會下降到0在距井軸一定距離下。則承壓井涌水量微分方程為：

Q=K·2πrMdy/dx

(1)

對于質含水層的承壓非完整井，則對(1)式分離變量并積分后得：

(2)

4 基坑變形及監測降水井觀測分析

4.1 變形監測

在對基坑坑底土方進行開挖時，在基坑的靠近西江側坑底先出現了涌水。開始階段涌水量比較小，逐漸增大基坑的其排水量還是比較可控的。在繼續清理坑底土方施工時，逐漸在基坑底部出現了多處的涌水點，同時涌水量也逐漸增大。

通過布置在近西江側的監測點顯示，隨著基坑涌水量增大后，基坑旁邊的位移和變形也顯著增大。在基坑涌水期間的位移監測點的變化情況如圖3所示。可以看到圖3上，從20開始灌水后，后面的變形逐漸得到控制，有些許反彈向外，基坑的變形受基坑涌水影響較大，也說明了在搶險應急中灌水對突水有大作用。

圖3 監測點基坑變形曲線

4.2 涌水分析及應急方案

前期涌水方案主要是及時暫停基坑的施工在其變形和涌水超過警戒設計值后。首先應解決涌水，研究發現主要產生較大變形的原因是被動區土體的流失在發生涌水時[7]。主要采取的相應舉措包括多布置設置防滲帷幕、在基坑底部注漿、減小基坑內外側的水頭差等等[8]。由于項目周邊存在既有河道，為分布敞開式，可以考慮迅速打開閘門，基坑內灌入河水，減少涌水量，快速降低基坑內外水頭差，減小基坑由于涌水產生的變形。

分析其原因主要有以下：

(1)即便是室內土工試驗發現基坑內主要的砂質粉土的滲透系數比較小，然而由于會夾有透鏡體狀粉砂或薄層在海相沖積粉土的部分土層夾雜，都增加了地層的透水能力。

(2)使用沖擊鉆施工時，有較多的塊石存在于基坑頂部的雜填土里，擾動了粉土的結構，增大了粉土間的間距，同時也增大了坑內土的滲透能力。

(3)坑內的止水帷幕多使用了雙軸攪拌樁來進行止水防滲，但是在攪拌樁樁間的存在比較多的連接接縫，同時考慮施工工法的問題，容易形成滲漏通道。

假使使用注漿加固、反壓回填坑內土、增加布設防滲帷幕等舉措在基坑涌水發生后，也會增加工程的施工工期，使得很難在汛期節點內完成工程建設目標。

本工程總結設計如下的應急方案：

(1)在基坑旁邊增加設置新的降水管井，通過抽排降低，增大基坑周邊的降水，來控制基坑內外兩側的水位。

(2)使用“挖、排、鋪、平”的施工工序，用水下開挖的舉措，在開挖至坑底剩余少量土方時，先用用長臂挖掘機，快速開挖到基坑設計的坑底標高處，然后快速實現基坑降水抽水，最后短時間內實現對底板面的鋪平、墊層混凝土澆筑。

(3)在基坑不排水下，搭建平臺使用平臺法綁扎基坑底板處的鋼筋，操作綁扎鋼筋在平臺上實施，并且將其整體沉放到基坑底部。清理基坑底部的浮泥和沉渣，混凝土澆筑泵房底板。

在澆筑完底板施工后，觀察基坑的監測結果顯示基坑變形已經逐漸穩定，能夠繼續進行后續工程的施工。

4.3 降水觀測及分析

在對觀測井也是第一口井進行施工，使用的潛水泵抽水量達40m2/h，功率為4kW，在經過了24h的觀測后發現，抽水出水非常穩定，其他降水管井的施工也在后面接著逐步完成。在基坑開挖到4.70m高程時，此時基坑內出現滲水比較少，機械開挖能夠正常進行。觀測基坑內的水位高程在4.2m左右，相比在基坑的前進水池的高程3.61m仍舊高，存在安全隱患影響后期施工。通過具體分析研究此時降水的不正常現象，結合場地周邊的地質環境和施工現狀，發現主要存在以下問題：

(1)場地位于西江海積相平原的南部，濱河濱海地區。該地區為河流堆積和海相沉積的二元結構地貌，地層的各項異性滲透性差異很大，地下有復雜的土層結構，綜合滲水量的計算結果受降水影響半徑和滲透洗漱于基坑影響非常大并且敏感。往往使用現場抽水實驗日對降水影響半徑和滲透系數而比較精確和準確。所以必須要做現場抽水試驗來選取合理的降水影響半徑和合理的滲透系數來進行計算降水。

(2)基坑深部地層為含砂層，并且靠近西江，江水補充地下水，進而會增加基坑的滲水。并且施工期間降水較多，恰逢秋雨季，基坑的滲水必定會因為西江水的水位增長所影響。

(3)在開挖過程中由于現場綜合因素導致部分管井的施工延滯靠后，沒有快速實現封閉場地為降水片區，使得基坑部分的降水成效產生了一定影響。

綜合考慮技術和工期分析，在基坑的前進水池靠近西江側增加布設管徑50mm，管長6m，間距1.5m的輕型井點進行降水。為滿足施工要求，保證基坑開挖到設計標高，在運行后應將輕型井點的地下水位降低至-1.60m。

5 結語

通過廣東西江平原南部某取水排澇泵站基坑設計和降水的搶險可以發現：即便是在弱透水層，應該注意考慮到透鏡體狀的粉砂和砂質粉土中薄層對地層滲透性的影響，可以通過基坑安排合理的抽排水試驗。在地下水補給豐富區應該盡可能選擇連續封閉的止水帷幕方案。使用回灌水基坑突發遭遇涌水比較緊急情況時有一定效果。但是在突水比較緊急嚴重，一時間難解決坑內的涌水情況下，應該考慮減少基坑的暴露。應該及時勘察探明基坑場區附近水體補排的情況，重點考慮基坑滲水受其他水體補充和排泄的影響。合理利用各種降水方式，可以多井結合布設抽水。