基坑降水水資源量分析與利用
——以沈陽地鐵4號線為例

崔臺育，劉宇欣，滕炳麓，王興作，申一順，許騰文

(沈陽建筑大學 市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110000)

1 引言

基坑降水是基槽開挖時必要采取的措施。魏小寒等[1]按照國家相關政策以某陽光小區基坑降水用水方案為例，對其基坑降水水資源量分析計算，所取用的地下水可以攔蓄利用或排入河道補充淺層地下水。楊天忠等[2]、Pahl-Wostl C等[3]對如何有效地保護與利用基坑降水中的水資源進行討論，規范了建筑工程降水對水資源產生的浪費及破壞問題使基坑降水做到少排、減排、不浪費。南曉飛[4]根據黃水閘工程基坑開挖較深及地下水資源較為豐富等特點，在滿足工程建設情況下對基坑降水合理利用、分配及管理進行研究討論。Kranz R等[5]解決了工人生活用水問題、環保降塵問題、材料養護用水需求等相關問題，部分水資源還可充當農業用水，為施工企業降低了成本，落實了“節水優先”方針。黃樹利等[6]認為如今絕大多數工地幾乎仍然采用市政自來水作為施工用水，且施工中用水效率較低，澆(灑)水方式仍是目前大多數所采取的方式，地下水作為廢水被排走。工程易出現耗水過高、效能低下、用水過量等問題。通過對基坑降水中的地下水資源及雨水進行回收利用可有效提高用水效率。郭楓[7]、桑明輝[8]等認為目前基坑工程中的地下水資源分為兩類，控制環境和水資源保護型，且環境保護型相關研究較少并進行研究。馬濤等[9]認為連續墻接縫在局部位置下有薄弱點，為消除危險因素及降低施工過程中的風險，對局部地方采取加固處理。

因此，本文以沈陽市地鐵4號線沈陽北站疏干排水的用水方案為例，進行了有關基坑降水水資源量的分析與計算。使基礎工程順利實施，且在合理取用水資源的情況下使工程項目經濟效益最大化，在不影響環境的情況下合理排水。

2 基本情況

本次研究項目共包括1座主體車站和6處附屬工程包含2個風道、3個出入口及1處換乘通道。項目基坑降水期用水主要分為生產用水和生活用水。根據實際情況，將沈陽市的沈河區、鐵西區、和平區、大東區、皇姑區、于洪區、渾南區、沈北新區、遼中區、蘇家屯區作為本文分析范圍，綜合圍繞工程項目周邊，沈陽市各區域內進行具體且有效的分析。

本次取水以基坑降水井群中心為圓心，以適當的外延后半徑R=1000 m的圓形范圍作為取水影響范圍，影響范圍是3.14 km2，基坑外排水經新建排水主管排入新開河，本次研究劃定的排水影響區域為排水入新開河位置下游10 km范圍。

3 地質條件及合理性分析

3.1 區域水文地質條件分析

沈陽市地鐵4號線沈陽北站工程范圍內的地下水賦存于中粗砂及礫砂等土層中，按埋藏的條件劃分，屬第四系孔潛水，地下水主要補給來源為渾河側向補給及大氣降水垂直入滲補給。本項目場地內含水層厚度H=(實測地下水位標高隔水層頂板標高)=26.0-9.7=16.3 m。沈陽市蓄水工程總庫容為6.30億m3；引水工程供水能力1.24億m3；提水工程供水能力0.70億m3；調水工程總的供水能力為487億m3；全市共有淺水井947萬眼供水能力22.06億m3。沈陽市多年平均蒸發量月分配情況見圖1。

圖1 沈陽市多年平均蒸發量月分配

3.2 取用水量合理性分析

為保證挖掘機與工人在基坑之內無水作業并提高土體強度，防止基坑開挖面發生坍塌，減少基坑開挖底板隆起和圍護結構的變形量，保證基坑周圍建筑物、道路及設施安全，以及主體結構達到一定的抗浮能力前，需對場地基坑進行降水及取用水合理性分析。

由于場地內地下水位較高，為保證基坑范圍內含水土層開挖的干法施工及主體結構的安全施工，需進行基坑降水，具體情況如下：

(1)根據實測結果，場地地下水為水位埋深約為20 m，相當于標高為26 m，車站主體基底標高為9.997 m，則地下水位高于基坑底。

(2)需將地下水位降低至基坑底(包括集水坑)以下0.5 m。根據《建筑與市政工程地下水控制技術規范》(JG112016)第52.1節規定[10]：基坑范圍內的地下水位降至基礎墊層以下應不小于0.5 m，另根據《建筑與市政工程地下水控制技術規范》(JGJ1112016)第517條規定[10]，滿足本工程項目地下結構施工的要求，本項目取用水是必要且合理的。

4 基坑降水水資源量計算

4.1 基坑水位降深的計算

根據工程特點，采用多種地下水控制方法相結合的形式。車站主體擬選用“地下連續墻+坑內疏干+坑外泄壓”的降水方法。

根據降水工期及要求，車站主體與E出入口降水，需將基坑外水位降至標高20 m處，以起到坑外泄壓作用，工期較長，考慮一定的地下水漲幅，基坑水位降深詳見表1。

表1 本項目基坑降水情況一覽

4.2 基坑涌水量的計算

根據基坑降水井布置情況，綜合確定場地含水層為均質含水，基坑涌水量技等效大井法，公式按潛水完整井公式進行計算，根據潛水完整井計算公式[12]得：

(1)

式(1)中:K為滲透系數(m/d)；Q為基坑降水的總涌水量(m3/d)；R為降水影響半徑(m)；Sd為基坑內水位降深(m)；H為潛水含水層厚度(m)；r0為沿基坑周邊均勻布置的降水井群所圍面積等效圓的半徑(m)。

4.3 附屬結構涌水量計算

由于附屬結構1號風道、2號風道、換乘通道、F出入口、H出入口基坑支護結構與既有地下結構距離較近，無法封閉布置降水井，故根據場地情況布置情況，降基坑處地下水位降至基坑底0.5 m。

當換乘通道、H出入口開始降水時，主體結構已停止降水，故坑外水位標高按260 m計算，考慮一定的地下水漲幅，則基坑降深詳見表2。

表2 五處附屬基坑降水情況一覽 m

根據裘布衣計算公式計算基坑外的單井出水量，計算公式[12]如下：

(2)

(3)

式(2)、(3)中:Q為降水的總涌水量(m3/d)；K為滲透系數(m/d)，K=71.4m/d；H為潛水含水層厚度(m)；各附屬基坑外水位漲幅+1.0 m，隔水層頂板標高97 m；R為降水影響半徑(m)；rw為降水井半徑，取0.2 m。計算結果見表3。

表3 五處附屬基坑降水涌水量計算結果

經上計算，本項目基坑施工降水期總涌水量為786.99萬m3+910.38萬m3=1697.37萬m3。

5 取水及退水影響論證

5.1 取水對水資源的影響

經計算得出施工期間總涌水總量為1697.37萬m3，基坑降水主要為第四系孔隙潛水，含水層厚度、埋藏深度較均勻穩定，論證區第四系孔隙水補給來源主要為徑流的側向補給和降水入滲補給。由于項目基坑降水運行時間較短，基坑涌水量較小，故可得出基坑降水對區域水資源的影響時間相對較短，地下水資源量將在降水停止后逐步恢復綜上分析，本次項目基坑降水對區域地下水資源狀況影響是短歷時的、暫時的。

根據地理位置圖查明本次討論區域位于渾河距離為76 km左右，該河段的水功能區為“渾河干河子攔河壩農業用水、飲用水源區”。經計算基坑降水最大影響半徑為8321 m，則明確該水功能區位于影響半徑范圍以外，故此次研究取水對渾河水功能區水質目標及使用功能無影響。由于本次基坑降水為臨時工程，水位降深較小，工期較短，工程結束后水位能夠逐漸恢復初始水位，不會形成長期降落漏斗，由此可得出本次基坑降水對生態系統影響較小。

5.2 退水(排水)總量、主要污染物濃度及排入規律

(1)基坑降水期退水總量為1966 m3，為保護環境節約用水，故考慮采用生活退水及車輛沖洗退水，退水排入污水管網后最終再排入污水處理廠，降水施工期間利用間斷排放的方式經處理達標后再進行排放。

(2)施工期間排水系統統一規劃，由降水井、基坑四周集水干管、沉沙設施、計量設備、排水主管等組成，基坑降水期外排水總量為1696.65萬m3，主要污染物及濃度:根據監測結果，本次所檢測各項指標均優于地表水Ⅳ類質量標準，降水施工期間的排放規律為連續排放。

5.3 退水方案及對水生態的影響

退水考慮采用生活及車輛沖洗退水，排入市政污水管網，應最終排入污水處理廠，處理達標后再進行排放，基坑外排水沉砂后經專項排水管線排入新開河。為確保地下水暗排放，避免污染水體，故考慮設計方案應用現場設置降水井，集水管、沉砂池，并進行覆蓋。基坑降水期間整個項目用水共有2處水源：一是市政管網供給，二是基坑降水利用供給，由于基坑降水利用用水量較小，遠小于基坑涌水量，可知基坑降水利用水源是可靠的。退水為生活及車輛沖洗退水，退水排入市政污水管網，最終排入污水處理廠，處理達標后排放，因此退水對水生態無影響。

外排水排入新開河，根據監測結果，本次所檢測各項指標均優于地表水Ⅳ類質量標準，新開河為城市景觀用水，外排水水質優于新開河水質，由此可分析出排水增加了河道生態流量，有利于沿線生態環境的改善，增加水體自凈能力，并且增加了景觀用水，故基坑排水最終對新開河生態和水質產生積極影響。

5.4 環境保護措施

抽水對建筑基礎或地面環境可能產生兩個方面的影響：一是抽水導致的水位下降相關問題，使土體的自重應力增加而引起沉降量增大[13]；二是地下水滲流引起的滲透破壞，抽水井在確保不抽取含水層中細小顆粒或產生顆粒運移時，對建筑的基礎不會產生影響[14]。因此，建議降水井外包尼龍網密度不宜大于40目，防止含水層細小顆粒被降水井抽出，導致地面和周邊建筑物沉降。為防止特殊情況發生，基坑降水前建設施工單位需擬定完整的基坑周邊地面和周邊建筑物的沉降監測方案并實施。

建立沉降監測網在降水工程實施之前，要根據降水設計中計算的抽水影響范圍和該范圍內的典型建筑布設沉降監測點，在抽水期間要進行連續沉降監測，若累計沉降量接近預警值時，及時上報且采取必要措施。

6 結論與討論

通過采用多種地下水控制方法相結合的形式對沈陽市地鐵4號線沈陽北站站基坑降水，選用“地下連續墻+坑內疏干+坑外泄壓”的降水方法，通過計算得出施工期間總涌水總量。經分析，本可得出結論：

(1)此次研究的項目工程具有階段特性，施工完成后不再取水，故此工程取水對水生態環境影響較小。

(2)退水在處理達標后再進行排放，同時可對地下水資源進行進一步利用，例如排入河道及補充淺層的地下水等，可對環境產生積極影響。

(3)為避免本工程對環境造成沉降等破壞可采取措施，例如實施建立沉降監測網等方法，且接近預警值及時采取相應措施。

對于不同工程降水和排水對區域水資源、水功能區、生態系統及其他用水對環境產生的影響各不相同，當基坑降水量較大時，實際上可以對地下水資源進行合理利用，當某些地區水資源較為短缺時，還可對該地區地下水資源充分利用如農田灌溉、排入河流、場地除塵、車輛沖洗、混凝土養生等，加強施工管理，全面落實各項水資源保護措施，從各個方面把節水放在優先位置使其減少對水資源浪費，對社會產生良好效益，實現綠色環保目標。