中-弱透水互層深基坑降水方案優化研究

王 強

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司設計研究院分公司 天津 300300)

1 引言

近年來，因降水不當或帷幕設計缺陷而導致基坑及其周邊環境破壞的案例時有發生，造成了巨大的經濟損失甚至人員傷亡。大量深基坑工程事故調查及原因分析表明，地下水處理不當引起的事故占比高達22%[1]。因此，地下水控制對深基坑工程的安全施工及周邊環境保護意義重大[2-4]。

近年來，國內外大量學者對此做了研究[5-6]。馮曉臘等[8]通過群井抽水試驗分析了落底式止水帷幕條件下深基坑涌漏的組成及其滲流規律。張志紅等[9]提出了設置懸掛式止水帷幕的深基坑控水設計優化方法，并在北京市某場地進行應用。李維宏[9]通過現場實驗證實了京張高鐵東花園隧道深基坑地下水與官廳水庫存在水力交換，并制定了“自動降水監測及預警系統”[10]。Wang等[11]研究了井體濾水管與止水帷幕的深度對基坑降水及周邊地下水動態的影響。上述研究成果提供了不同地層下基坑降水單項控制措施，但中-弱透水互層深基坑降水多措施綜合治理技術的研究鮮有報道，因此綜合考慮工程造價和對地下水環境保護提出系統性控制降水井數量、止水帷幕深度及濾水管插入含水層深度的技術具有重要意義。

本文以榆安隧道明挖段中-弱透水互層深基坑為工程背景，根據現場水文地質條件和抽水試驗數據，分別通過理論計算、數值仿真與監測數據進行了對比，得出數值仿真能更準確反映場地地下水動態的結論。在此基礎上，采用數值模擬方法對降水井數量、止水帷幕深度及濾水管插入含水層深度等主要控制措施進行研究，基于深基坑降水效果，提出了優化建議。

2 工程概況及降水設計

2.1 工程背景

榆安1號隧道起訖里程為DK32+700～DK37+250，隧道總長4 550 m，為單洞雙線。該地區地層含水層主要由中透水粉砂層和弱透水粉土層構成，屬于典型的中-弱透水層互層，如圖1所示。區內地下水為第四系孔隙潛水，局部具微承壓性，主要由含水層側向徑流補給，含水層側向徑流和人工開采排泄。

圖1 研究區水文地質條件

基坑側壁分布有較厚的粉砂中透水層和粉土弱透水層，采用止水帷幕+坑內管井進行降水。本文選取開挖深度大、地下水位降幅大的DK33+324～DK33+405段為典型研究區，對深基坑降水設計進行優化研究。研究區內基坑開挖深度25.3 m、長81 m，開挖前地下水位高程4.05 m，坑底高程約-3.7 m，如圖2所示[12-13]。

圖2 DK33+324～DK33+405深基坑橫剖面

2.2 基坑降水設計

2.2.1 降水系統設計

按“按需排水、動態調整”的排水原則進行基坑降水。止水帷幕采用φ850＠600水泥攪拌樁，緊貼灌注樁外邊緣搭設。為確保基坑在沒有明水的條件下開挖土方，對地下水位高于基坑底以下0.5 m的段落采取地下水控制措施。基坑內打設降水井，降水井間距12 m，橫向間距6 m，基坑兩側對稱布置。水位觀測井均勻布設于深基坑兩長邊外的土體中，距圍護墻外2～3 m處。井點布置如圖3所示。

圖3 深基坑降水井布置

2.2.2 降水井點設計

降水井采用直徑650 mm管井。管井采用反循環鉆孔樁成孔，樁徑0.65 m，比設計孔深超鉆0.3～0.5 m作為沉砂段。井管采用φ273 mm、壁4 mm厚的鋼質井管。含水層范圍內設置橋式濾水管，濾水管長度大于含水層厚0.6 m。現場抽水泵型號為Q6-43/4-1.5，功率1.5 kW，流量6 m3/h，揚程43 m。配管內徑40 mm，由于疏干層仍含泥砂，濾水管外包一層40目尼龍網。

3 基坑降水優化分析

3.1 理論分析

對于設置懸掛式止水帷幕的基坑，地下水繞過止水帷幕進入基坑，需考慮側向徑流補給；對于落底式止水帷幕的基坑，完全切斷基坑內外的水力聯系，基坑降水效果僅與抽水井的數量、抽水速率及濾水管插入深度等因素相關。

懸臂式止水帷幕條件下的基坑涌水量可按式(1)計算[9]:

式中:Qw為基坑涌水量，m3；kz為豎直方向的滲透系數，m/d；rw為等效的圓形基坑半徑，m；h0為帷幕底中軸線位置等水頭線的水頭值，m；hd為基坑設計水位處的水頭值，m；ξ為基坑內滲流路徑折減系數，一般取ξ＝0.8；hc為止水帷幕插入深度，m。

根據天津市工程建設標準《建筑基坑降水工程技術規程》，落底式止水帷幕條件下基坑涌水量可按式(2)計算:

式中:Q1為基坑坑內含水層釋水量，m3；Q2為坑底下伏的承壓含水層越流量，m3；Δh1為基坑降水設計水位與發生越流承壓含水層水頭的水頭差，m；Δhi為第i土層的水位降深值，m；A為基坑降水面積，m2；kv為越流范圍內土層垂直等效滲透系數，m/d；μi為第i土層給水度；i為地下水位下降范圍內的土層數；m為基坑降水設計水位與越流含水層頂板之間的土層厚度，m；t為基坑降水所用時間，d。

根據本工程按需排水、動態調整的特點采用非穩定流計算更為合理。可按式(3)計算抽水過程中的任一點水位降深:

式中:s為水位降深，m；H為靜止水位至潛水含水層底板的距離，m；am為含水層導水系數，m2/d；K為滲透系數，m/d；r1，r2，…，rm為基坑內任一點到各降水井的距離。

從式(1)～式(3)可知，基坑涌水量及基坑內外地下水位降深和止水帷幕深度、濾水管深度、抽水井的空間分布等因素相關。為了真實反映研究區基坑降水過程，結合數值模擬分析進行三維、非均質、各向異性的地下水非穩定流計算。對比選擇更為接近監測實測結果的計算方法，用于降水方案優化研究。

3.2 數值模擬

3.2.1 建立模型

為了克服邊界影響，研究區模型豎向計算深度取75 m，沿深基坑橫向、縱向分別取300 m、81 m，土體參數相近的概化為一層，模型根據土層分布共分為5層，參數見表1。模型四周含水層處根據穩定流計算結果設定水頭邊界，底部設不透水邊界，井點位置設井流邊界[12]。

表1 模型參數選取

3.2.2 計算方法選取及模型校核

本文選取JG-1觀測井的數值模擬、理論計算結果和監測數據進行對比分析。從圖4可知，數值模擬計算結果較為接近監測數據；理論計算結果與監測數據差距較大，主要是由于選用的基坑涌水量Qw為理論計算值，與實際排水量存在差異，并且未考慮三維空間各向異性的影響。因此后文采用三維模型進行優化研究。

圖4 JG-1井實測曲線與理論計算、數值模擬曲線對比

3.3 優化計算結果

3.3.1 降水井數量對深基坑降水影響

基坑降水井的設計數量一般根據基坑涌水量與單井出水量之比確定。研究區的降水井設計數量為14口，為了分析降水井數量對中-弱透水互層條件下的基坑降水效果的影響程度，共計算6種工況(見表2)。

表2 降水井數量優化計算工況

基坑降水時間為地下水位降至坑底以下0.5 m所用時間。由圖5可知，降水時間隨降水井數量的增加而減少，曲線變化斜率逐漸減小。降水井數量在8～10口時，曲線斜率最大，每增加2口井降水時間減少35%；降水井數量在10～18口時，曲線斜率逐漸減小，每增加2口井降水時間減少20%～25%左右。結合成本進行分析(降水井每口造價約1 000元)，降水井數量為11口(A點)時，降水時間與成本之間的組合最優。優化后較原設計減少3口降水井，單井實際控制面積在180 m2左右，較原設計提高60%。

圖5 基坑降水井數量、降水時間與成本關系曲線

3.3.2 止水帷幕深度對地下水位動態影響

根據止水帷幕插入中-弱透水互層深度的不同，共設計11種工況(見表3)進行計算[13]。由圖6可知，坑內地下水位降深隨止水帷幕深度的增加不斷增大；止水帷幕在中、弱透水層以及弱透水層、隔水層之間過渡時，坑內地下水位出現突變，水位降深分別增大1.1 m、1.6 m；止水帷幕深度在16 m(B點)左右時，坑內地下水位達到設計要求；當止水帷幕深度超過17.1 m之后，繼續增加止水帷幕深度對坑內地下水位的影響甚微。由圖7可知，坑外地下水均呈漏斗狀變化趨勢，地下水位降深隨止水帷幕深度的增加不斷減少；止水帷幕在中、弱透水層(-10.8 m)以及弱透水層、隔水層(-17.1 m)之間過渡時，坑外同一位置處地下水位降深分別減少50%、80%；止水帷幕插入隔水層后，坑外地下水位降幅極小。根據本文數值模擬結果，建議將止水帷幕深度優化至16～17.1 m，即達到中-弱透水互層厚度的90%以上。

圖6 止水帷幕深度與坑內水位變化關系曲線

圖7 止水帷幕深度與坑外水位變化關系曲線

表3 模型計算工況

3.3.3 濾水管插入深度對地下水位動態影響

在保證止水帷幕深度(19.1 m)和抽水速率(100 m3/d)不變的條件下，分析不同工況(見表4)下深基坑內地下水位隨濾水管插入中-弱透水互層深度變化。由圖8可知，各工況下降水速率呈先快后平緩的變化趨勢。隨濾水管插入深度逐漸增大，坑內降水效果越來越好。濾水管深度在10.8～13.4 m(含水層厚度0.6～0.8倍范圍)工況下，坑內降水效果最為理想；濾水管深度超過13.4 m之后，降水時間增加，降水效率減小。故在深基坑降水設計時，濾水管深度宜控制在0.6～0.8倍中-弱透水互層厚度范圍內，且需控制在止水帷幕墻底2 m以上。

表4 不同降水井濾管深度計算工況

圖8 不同降水井濾管深度與深基坑降水時間關系曲線

4 結論

針對中-弱透水互層地質條件下的基坑降水問題，以榆安隧道明挖段深基坑降水工程為背景，通過有限元計算并結合理論分析，最終得出以下幾點結論:

(1)止水帷幕在中-弱透水層以及弱透水層、隔水層之間過渡時，坑內地下水位出現突變；深度插入比達到1∶0.9～1∶1時，不但能保證降水效果，而且能保護地下水資源。

(2)濾水管插入深度宜控制在0.6～0.8倍含水層厚度，且濾水管底至止水帷幕墻底2 m以上。

(3)綜合考慮降水效果與成本，優化后降水井數量減少21%，單井控制面積在180 m2左右。