多層承壓水層條件下大型泵站基坑降水技術(shù)研究

張文杰

（安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 合肥 230022）

1 概述

1.1 工程簡況

引江濟(jì)淮樅陽樞紐泵站長江側(cè)前池連接泵室與引水渠，采用正向進(jìn)、出水，由渠底高程-0.3m 以斜坡接至泵站底板高程-5.43m。前池順?biāo)鞣较蚩傞L55.92m，底寬度為53.6m。泵站為堤身式塊基型泵站，兩側(cè)采用引堤與廣濟(jì)圩江堤連接。泵房順?biāo)飨蜷L36.8m，包括中間廠房段和上、下游閘門控制段。菜子湖側(cè)前池連接泵室與下游排洪進(jìn)水閘，采用正向進(jìn)、出水，由排洪進(jìn)水閘底高程4.10m 以1 ∶4 斜坡接至泵站底板高程-5.43m。前池底寬度在泵站端為53.6m，閘室端為47.0m，順?biāo)鞣较蚩傞L70m。

1.2 水文地質(zhì)條件

本工程地下水類型為孔隙水，孔隙潛水主要儲(chǔ)存于人工填土及①、②層粉質(zhì)壤土、淤泥質(zhì)土中，主要受大氣降水補(bǔ)給，且與地表水存在一定的水力聯(lián)系；孔隙承壓水主要儲(chǔ)存于②4、③、⑤2、⑥1層砂性土層中；即②層淤泥質(zhì)土、④、⑤層重粉質(zhì)壤土透水性較弱，具有隔水作用，為相對(duì)隔水層。承壓水分為3 個(gè)含水層，第一承壓含水層由②4層粉細(xì)砂、砂壤土組成，厚度0.4～7.0m，第二、三承壓含水層由③、⑤2、⑥1層細(xì)、中砂組成。厚度分別為0.45～6.80m、0.50～15.60m，該兩個(gè)含水層埋藏較深，與附近溝塘、長河水力聯(lián)系較弱，其層頂板局部在夾江及長江主河道有出露，與長江有一定的水力聯(lián)系。

2 基坑復(fù)雜因素分析及降水方案的優(yōu)選

2.1 地質(zhì)條件的復(fù)雜因素分析

泵站主體結(jié)構(gòu)基坑范圍包括泵房、長江側(cè)前池、菜子湖側(cè)前池等，長約163m，寬約60m，基坑開挖深度約15m 以上。上下游側(cè)還有引水渠，如此又深又長的基坑，必須有可靠的降水措施以保證其安全。站址處基坑深度范圍內(nèi)地層自上而下分別是淤泥層、第一承壓含水層、隔水層、第二承壓含水層、隔水層、第三承壓含水層。泵站基坑緊鄰長江，基坑坑底高程遠(yuǎn)低于長江水位，基坑地下水壓力和水位受到長江水影響。若不認(rèn)真對(duì)待如此大范圍復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，極有可能發(fā)生基坑邊坡失穩(wěn)，也有可能因超過土體抗剪強(qiáng)度引起邊坡坍塌。基坑底部也是薄弱部位，有可能在承壓水作用下?lián)舸┗祝@是降水工程考慮的主要因素。

2.2 泵站基坑降水方案的優(yōu)選

2.2.1 總體降水方案

根據(jù)泵站基坑水文地質(zhì)條件分析，泵站基坑上下游側(cè)分別是長江、湖泊，與長江水、湖水相接。左右側(cè)均為堤防，與航道水流、河道水流相鄰。泵站基坑四周均存在地表水，基坑三層承壓水層雖然相隔，互不相通，但深井鉆孔后形成“連通管”效應(yīng)，促使三層承壓水相通。僅是采用單一的普通降排水措施或采用單一的截滲墻截滲措施，均難以達(dá)到基坑降排水要求。經(jīng)多方案比選，宜采取墻體截滲與坑外降壓、坑內(nèi)疏干相結(jié)合的基坑一體化降排水體系。

2.2.2 截滲墻優(yōu)選

用于截滲的墻體屬于臨時(shí)性工程，應(yīng)采用施工進(jìn)度快、造價(jià)低廉的墻體。第一、二承壓水層位于基坑深度范圍內(nèi)，地下水滲流通道直接與基坑相通。第三層地下水滲流通道位于基坑底部較薄的不透水土層以下，是能擊穿基底不透水層的滲流層。因此，墻體應(yīng)具有能截?cái)嗳龑映袎核畬印B入基底下部較厚的相對(duì)不透水層的墻體，經(jīng)分析，宜使用水泥土截滲墻。

2.2.3 降水方式的優(yōu)選

水泥土截滲墻是土與水泥經(jīng)攪拌的結(jié)合體，其致密性較差，在水頭差作用下仍具有一定的滲流，且易被擊穿，截滲墻兩側(cè)水頭差應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，則需要在截滲墻外側(cè)采取降壓措施，降低截滲墻兩側(cè)壓力差。由于該工程地下水較為豐富，地下水滲流系數(shù)較大，宜采用排水量大、降水深度大、降水效果較好的深井降壓措施。降水方案剖面圖見圖1。

圖1 降水方案剖面圖

3 確定基坑降水設(shè)施布置方案及驗(yàn)算

3.1 技術(shù)性條件設(shè)定

泵站地處長江邊，與長江水及周邊水系為互補(bǔ)關(guān)系，其水位基本一致，基坑場地地下水位為3.00m，基坑原地面平均高程為7.0m。結(jié)合泵站各部位建基面高程情況分析可知，泵室基坑最深，基底高程為-8.0m。第三層承壓水層底部高程為-18m。

3.2 水泥土截滲墻布置

3.2.1 水泥土截滲墻布置

泵站站房、上下游前池是泵站的核心部位，基坑開挖深度大，截滲墻宜沿著建筑物周邊布置一圈。沿地面標(biāo)高處的基坑外邊線周邊以外約3m 處布置水泥土截滲墻，形成封閉截滲墻體，截滲墻底部深入相對(duì)不透水層以下2m。墻頂高程設(shè)計(jì)為▽-0.60m，墻底高程設(shè)計(jì)為▽-24.5m，進(jìn)入⑩3層微～新鮮泥質(zhì)粉砂巖1.50m。

3.2.2 水泥土截滲墻厚度確定

截滲墻厚度的計(jì)算采用下式計(jì)算：

式中：

δ—截滲墻最小厚度；

ΔH—截滲墻兩側(cè)水頭差；

[J]—水泥土截滲墻允許滲透坡降，齡期28d 滲透坡降取50。

泵站⑤2層高程一般-12～-18m，承壓水頭高度約25m，⑤2層水位高程▽7.00～13.00m，將截滲墻內(nèi)側(cè)水位控制在-10.00m，泵站基坑截滲墻兩側(cè)水頭差為17～23m，取最大值23m 計(jì)算。

截滲墻厚度：δ≥23/50=0.46m=46cm。

為增加水泥土截滲墻的剛度，改善水泥土截滲墻的受力狀態(tài)，同時(shí)考慮到與機(jī)械設(shè)備尺寸相適應(yīng)，水泥土截滲墻取80cm 厚，截滲墻水泥摻量設(shè)計(jì)為18%。

3.2.3 水泥土截滲墻成墻方法

依據(jù)截滲墻厚度、深度、水泥摻量等參數(shù)，擬采用雙輪銑施工工藝。每幅墻體長度設(shè)計(jì)為2.8m，間距為2.5m（咬合0.3m）。施工平臺(tái)布置于原地面高程▽7.00m 處。

3.3 降水深井布置

3.3.1 坑外降壓井布置

在截滲墻外側(cè)距離墻體8m 處布置降壓深井，平均間距約30m，沿墻體周邊布置一圈，形成完整的降壓體系。降壓深井施工平臺(tái)為原地面，上段井管隨挖土深度增加而逐段拆除。為盡可能降低基坑深度，原地面普遍向下開挖一層后再放坡開挖，形成的降壓井井口高程為1.00m，井長為21m，井底高程-20.00m，見圖2 所示。

圖2 管井構(gòu)造及地質(zhì)柱狀圖

3.3.2 坑內(nèi)疏干井布置

水泥土截滲墻內(nèi)部則是泵站基坑，仍有少量地下水經(jīng)截滲墻滲流或經(jīng)截滲墻底部繞滲進(jìn)入基坑，則需要在基坑內(nèi)部設(shè)置少量疏干深井，確保坑內(nèi)地下水位降低至坑底0.5m以下。根據(jù)基坑平面尺寸大小，宜布置5 口疏干井，臨上游側(cè)布置3口井，臨下游側(cè)布置2 口井。疏干井間距為20.00m 左右，井底高程▽-20.00m，與外部降壓井底高程一致。

3.4 坑外降壓深井排水量驗(yàn)算

該工程基坑雖然有三層承壓水層，兩層之間為隔水層，但由于深井成孔后形成連通效應(yīng)，三層承壓水壓力分布呈線性狀，與同一層承壓水的壓力分布類似，可以將三層承壓水層視同一層承壓水層作為計(jì)算依據(jù)。根據(jù)泵站基坑降壓深井布置、承壓水條件等，應(yīng)采用承壓完整井基坑涌水量計(jì)算方法，計(jì)算簡圖見圖3 所示。

圖3 承壓完整井基坑涌水量計(jì)算示意圖

根據(jù)抽水試驗(yàn)成果，泵站基坑土體綜合滲透系數(shù)為31.03m/d（3.6×10-2cm/s），平均影響半徑為155.64m。

承壓水完整井基坑涌水量計(jì)算公式如下：

式中：

Q—基坑計(jì)算涌水量（m3/d）；

K—土體綜合滲透系數(shù)，31.03m/d；

M—承壓層含水層厚度，20m；

s—設(shè)計(jì)水位降深，假定從0m 降低至-5m，取5m（深井水位控制在-5.00 高程）；

R—影響半徑，155.64m；

r0—基坑換算半徑，m。

泵房處開挖最深，高程為-7.53m，基坑長約156m，寬度約160m，則換算半徑：

單井管最大出水量q計(jì)算公式如下：

式中：

q—單井管最大出水量，m3/d；

d—井點(diǎn)管濾管直徑，0.40m；

l—井點(diǎn)濾管長度，正常抽水期間，其有效濾管長度約為5m；

K—土體綜合滲透系數(shù)，31.03m/d。

井管的理論數(shù)量：n=1.1Q/q=19323×1.1/1282≈17（口），實(shí)際布置26 口井，超過理論需要量，滿足要求。

安裝潛水泵作為抽水設(shè)備，各井配備200QJ80-22/2 水泵各1 臺(tái)，各臺(tái)水泵額定出水量為80m3/h，每日有效工作時(shí)間為20h，核算26 口深井抽水量。

nqh=26×80×20=41600m3/d＞Q=19323m3/d

抽水設(shè)備滿足抽排水要求。

4 基坑降水期監(jiān)測及降水效果

4.1 降水期對(duì)基坑的監(jiān)測

在深井圈外側(cè)附近和基坑內(nèi)適當(dāng)位置布置臨時(shí)測壓管，監(jiān)測降水期基坑地下水位的變化值，以判斷基坑內(nèi)地下水位是否達(dá)到下降預(yù)期高程，同時(shí)判斷基坑范圍以外區(qū)域地下水位的變化是否會(huì)影響到附近建（構(gòu)）筑物的安全。

4.2 基坑降水效果

通過對(duì)水文地質(zhì)條件和站址處各種條件的分析研究，找出影響基坑降水的各種復(fù)雜因素，確定基坑降水方法及具體的布置方案。施工監(jiān)測結(jié)果表明，施工期間的地下水位始終保持在基底0.5m 以下，基坑降水對(duì)周邊各種設(shè)施未造成不利影響，確保了施工安全■