地下水補給關系對基坑開挖過程的影響研究

中圖分類號：TU753 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0093-04

Abstract：Thegroundwaterrechargeproblemduringfoundationpitexcavationisoneoftheimportantfactorsaffectingthe safetyandstabilityoftheproject.Changesingroundwaterwillnotonlyafectthebearingcapacityandstabilityofthesoilbut alsodirectlyaffctthedesignandconstructionqualityofthesupportingstructure.Startingfromtheinteractionbetween groundwaterrechargeandfoundationpitexcavationprocess，thispaperanalyzestheinfluenceofgroundwateronthemechanical properties，porewaterpressureandpermeabilitycharacteristicsoffoundationpitsoil.Thispaperdiscussestheposiblerisks causedbyexcessveorinsuffcientgroundwaterrecharge during foundationpitconstruction，andputsforwardcorresponding protectivemeasuresand technical means.Researchhasshownthatreasonablecontrolofgroundwaterrechargeanddrainageisthe keytoensuringthesafetyoffoundationpitexcavation，andscientificconstructionplansandemergencyplansshouldbe formulated based on factors such as engineering geological characteristics and climate change.

Keywords：groundwater；rechargerelationship；foundationpitexcavation;excavationimpact；water-soil interactionmechanism

基坑開挖是城市建設中常見且重要的施工環節，尤其在高層建筑、地下結構和大型基礎設施的建設過程中，基坑的穩定性直接影響工程的安全性和施工進度。在基坑開挖過程中，地下水的變化和流動是不可忽視的因素，尤其是在水文條件復雜、地下水資源豐富的地區。地下水補給關系與基坑開挖過程的相互作用，不僅對基坑的穩定性產生重大影響，還涉及土壤力學、環境保護、工程安全等多個方面。因此，研究地下水補給對基坑開挖的影響，對于提高施工安全性、優化施工方案及降低施工風險具有重要的理論價值和實踐意義。

地下水補給是指地下水源通過滲透、降水、河流滲透等方式補充地下水庫或地下水層的過程。地下水的補給關系受氣候條件、地質結構、周圍環境等因素的影響，在基坑開挖過程中，地下水的流動、補給量及地下水位的變化對土體的穩定性、基坑的支護結構及周圍環境都會產生不同程度的影響。特別是在多雨季節或地下水位較高的地區，基坑開挖可能導致地下水的流動發生劇烈變化，甚至引發土體滑移、基坑坍塌、地下水污染等一系列安全問題2]。

目前，國內外針對基坑開挖過程中的地下水問題已有一定研究，主要集中在地下水位變化、滲透特性、排水系統的設計與管理等方面。然而，地下水補給關系對基坑開挖的影響仍然是一個較為復雜的問題，涉及到地下水流動、土體力學、基坑施工方案等多個因素的綜合作用。因此，本研究旨在探討地下水補給與基坑開挖過程之間的相互關系，分析地下水對基坑施工的潛在影響，并提出合理的地下水管理措施，以確保基坑開挖的安全性和施工效率。

1基坑開挖過程中地下水的作用

1.1地下水對基坑穩定性的影響

在基坑開挖過程中，地下水的存在和流動對基坑的穩定性起著至關重要的作用。地下水不僅直接影響土體的強度、變形和承載能力，還可能導致基坑的變形、坍塌等安全問題]。

地下水的存在會影響基坑土體的有效應力，從而影響土體的強度和穩定性。根據土體有效應力原理，土體的總應力可分為有效應力和孔隙水壓力2部分。地下水位的變化直接影響孔隙水壓力，而有效應力決定了土體的強度和變形特性。有效應力公式為

σ^′=σ-u，

式中： σ^′ 為有效應力； σ 為總應力； u 為孔隙水壓力。地下水位升高時，孔隙水壓力增加，導致有效應力減小，從而使土體強度降低，易發生滑坡或坍塌。

地下水的滲透作用會改變土體的力學性質，尤其是對粒狀土和砂土的影響更為顯著。地下水流動對土體的滲透性和孔隙結構進行重塑，導致土體的密實度發生變化。當基坑開挖接近地下水位時，地下水的滲透作用會對土體結構造成沖刷，降低土體的內聚力和摩擦角，進而影響基坑的穩定性4]。

地下水補給過多時，會導致基坑內的水位升高，增加基坑內外的水壓力差異，產生水土壓力差，這可能導致基坑周圍的土體產生滑移或坍塌現象。水土壓力差的公式表示為

式中： ΔP 為水土壓力差； γ_w 為水的單位重； H_w 為水頭高度。水土壓力差會導致基坑壁土體承受額外的壓力，進而影響支護結構的穩定性。

1.2水土作用機制

水土作用機制是指地下水在基坑開挖過程中與土體之間相互作用的過程，涉及到水對土體的滲透、沖刷、洗掏作用及水與土體力學性質的耦合關系。這些作用在不同的土質和地下水條件下會對基坑穩定性、土體強度及變形產生深遠影響。

1.2.1 水的滲透作用

地下水在基坑開挖過程中滲透到土體內，能夠改變土體的孔隙水壓力，從而影響土體的有效應力。根據Darcy定律，地下水的滲透流速與土體的滲透系數和水頭差相關

式中： q 為滲透流量； K 為土體的滲透系數;A為滲流橫截面積; Δh 為水頭差； L 為水流路徑長度。水流的存在可能導致局部土體的沉降或失穩，特別是在基坑周圍的土層中，地下水的過度流動容易引發土體的剪切破壞。

1.2.2水的沖刷和洗掏作用

在水土相互作用中，地下水的流動會對土體產生沖刷和洗掏作用，沖刷作用和洗掏作用的強度通過土體的流動性指數來衡量，流動性指數較大的土體更容易受到水流的沖刷[5]。

1.2.3水土力學耦合效應

地下水的存在不僅影響土體的有效應力，還會通過水土力學耦合效應影響基坑的穩定性。土體在水的作用下會發生孔隙變化，導致土體的強度和變形特性發生變化。當地下水滲透到土體中時，土體的抗剪強度用摩爾-庫侖準則來表示

τ=c^′+σ^′tan（?^′）

式中： τ 為土體的剪切強度； c^′ 為有效凝聚力； σ^′ 為有效應力； ?^′ 為有效摩擦角。當地下水滲透使土體的有效應力下降時，土體的剪切強度將隨之減小，導致基坑的穩定性降低。

水土相互作用還可能導致基坑底部土層的軟化或沉降，影響基坑的深度和支護穩定性。水流通過土體時不僅改變了土體的應力狀態，還可能導致土體內力分布不均勻，使得基坑開挖區域內的土體出現不穩定現象。

1.3基坑開挖過程中地下水位變化的影響

1.3.1地下水位升高對基坑穩定性的影響

當基坑開挖過程中地下水位升高時，孔隙水壓力隨之增加，導致土體的有效應力減小。根據有效應力原理，土體的強度依賴于其有效應力，而有效應力的變化會直接影響土體的抗剪強度和變形能力。地下水位升高時，孔隙水壓力增大，王體的有效應力會減小，從而降低土體的強度，增加基坑壁或周圍土體的滑移風險。對于顆粒較細的土壤（如黏土），水位的升高可能導致土體變得更加軟弱，容易發生失穩。

地下水位升高還可能引發基坑的土體沉降，特別是在土層中含水量較高的情況下。水位上升時，地下水通過滲透作用對土體產生壓力，可能導致基坑底部王層的壓縮和沉降，進而影響基坑的深度和穩定性。

1.3.2 地下水位降低對基坑穩定性的影響

地下水位的驟然下降可能導致周圍土層發生沉降或出現不均勻沉降，尤其是在有黏性土或軟弱王層的地區。基坑底部或周圍土層的沉降，會導致基坑深度變化、支護結構失穩，甚至引發基坑塌方等安全問題。地下水位降低帶來的沉降效應也通過土體沉降公式來估算

式中： ΔS 為土體沉降量； H 為土層的厚度； ΔP 為地下水位變化引起的水土壓力差； E 為土體的彈性模量。水位的降低可能導致土層的壓縮效應加劇，從而引發不均勻沉降。

1.3.3 基坑開挖過程中水位波動的綜合影響

在實際施工過程中，地下水位并非恒定不變，而是受到降水、抽水、蒸發等多種因素的影響，可能發生波動。這些波動會對基坑的穩定性產生復雜影響。水位的頻繁波動會導致土體反復經歷“滲透一壓縮一滲透\"的過程，造成土體的循環疲勞，進而影響基坑的穩定性和安全性。為了應對地下水位波動帶來的影響，在基坑開挖前需要進行詳細的地下水位測量和預測，分析水位變化對基坑的潛在影響，并設計合適的排水、降水系統和加固措施。

2地下水補給關系與基坑開挖過程的相互影響2.1地下水補給不足對基坑開挖的影響

地下水補給不足對基坑支護結構的負擔也非常顯著。基坑支護結構通常需要抵抗外部水土壓力差和內部土體的變形壓力。當地下水位下降，土體的水壓力減小，基坑支護結構所受到的外部水土壓力較小，但土體內部的水分減少可能導致支護結構的失穩，特別是在土體干裂時，支護結構的穩定性容易受到影響8

支護結構的變形往往伴隨著基坑壁的局部坍塌或土體滑移。地下水補給不足時，支護結構的設計必須考慮到土體的水分變化和干裂現象，從而設計更為堅固和靈活的支撐方案，以防止不均勻沉降導致的結構失穩。

地下水補給不足對施工進度和經濟效益的影響也不可忽視。在缺水地區或水源匱乏的情況下，基坑開挖可能因土體的不均勻沉降和強度變化而受到阻礙。為了避免土體干裂或沉降過大，施工單位可能需要投入更多的時間和資金進行土體加固、排水或灌漿處理，增加了工程的復雜性和成本。

在施工過程中，水位的補給不足還可能導致基坑周圍的土壤硬化或發生其他不穩定現象，施工團隊需要對基坑進行實時監測和修正，這不僅增加了工期，還可能影響整體的項自進度。如果出現地下水補給不足導致的基坑結構不穩定，甚至可能導致施工中斷或重大安全事故。

2.2地下水補給過剩對基坑開挖的影響

地下水補給過剩時，土體的孔隙水壓力增大，導致土體中的水分含量過多，降低了土體的摩擦系數和整體承載力。尤其在高水位的情況下，土體的有效摩擦力減小，基坑支護結構面臨的外部水土壓力也會增大。過量的地下水可能導致土體在基坑邊坡處出現滑移現象，甚至引發基坑的局部塌方或整體失穩。

在黏性土或膨脹土中，地下水補給過剩會導致土體飽和，失去固結性，強度進一步下降，導致支護結構受力不均，進而影響整個基坑的穩定性。為了防止這種情況，需要對基坑周圍土體的承載力進行評估，并采取加固措施，如設置排水系統，降低水位，避免土體的過度飽和。

2.3基坑開挖過程中地下水流動的調節作用

2.3.1地下水流動的調節與排水系統的設計

為了有效調節地下水流動，防止水位變化過大對基坑開挖造成不利影響，合理設計排水系統至關重要。排水系統的設計不僅要保證地下水位的有效控制，還要通過調節地下水流動方向和速度來確保基坑周圍土體的穩定。

排水系統包括降水井、滲水管道、水泵系統等，具體選擇依據基坑周圍的土壤類型、地下水流動條件及工程的特殊需求。排水系統結構示意圖如圖1所示。

圖1中，檐溝與雨水溝這2個部分主要負責收集和引導地表水流向指定的排水管道。通過設立這些溝渠，可以防止雨水積聚在基坑周圍，避免影響土體穩定性。雨水斗收集雨水并通過雨落管將水導入雨水溝或其他排水系統。這些部件確保基坑周圍的地表水快速排出，避免雨水滯留造成土壤浸泡。排出管負責將收集到的地下水和雨水排出至遠離基坑的位置，從而保持基坑的干燥和穩定。連接管則確保各個排水管道之間的順暢連接和水流引導。檢查井用于排水系統的檢查和維護，確保系統暢通無阻。立管通常與檢查井連接，用于排出地下水或將水引導至排水管道中。埋地管作為地下水流動的重要通道，在地下設置，避免暴露造成干擾。檢查口則便于維護和檢查整個排水系統的工作狀況。根據圖1的排水系統結構，地下水流動的調節通過以下方式確保基坑安全：通過設立降水井和滲水管道，可以有效降低地下水位，防止水位過高導致基坑開挖過程中土體的濕潤和飽和，減少土體的不穩定性。水泵系統可以持續排除進人基坑的地下水，保持基坑干燥，避免水流在土體中滯留或加劇不均勻沉降。通過設計這些排水設施，能夠有效調節地下水流動，保持基坑周圍土體的穩定，防正地下水過量進入基坑并造成地基的不均勻沉降和安全隱患。

通過降低地下水位或調節水流速度，排水系統能夠減少基坑開挖過程中土體的飽和程度，降低土體的流動性和不均勻沉降風險。

2.3.2地下水流動的監測與調節策略

基坑開挖過程中，地下水流動的動態變化需要通過實時監測來進行有效控制。監測流程包括地下水位監測、滲透性測試、流量測量等。地下水流動的監測流程如圖2所示。

1）地下水位監測：通過在基坑及其周圍設置水位計，可以實時監測地下水位的變化。水位過高時，及時啟動排水系統，降低水位；水位過低時，可以通過補充水源或調節排水強度，保持適當的地下水位。

2）流量與流速監測：監測地下水流量和流速變化，有助于了解水流的動態特征，及時發現水流過大或過小可能帶來的風險，進而采取適當的水流調節措施。

3）滲透性監測：土體的滲透性受地下水流動的影響，及時評估滲透性變化，有助于了解土體的穩定性及其對地下水流動的響應。

3結束語

地下水補給對基坑開挖過程的影響是一個復雜的地質與水文相互作用的過程，涉及到地下水位變化、土體強度、孔隙水壓力和滲透特性等多個因素。無論是地下水補給不足還是補給過剩，都對基坑穩定性、土體變形及支護結構的安全性產生顯著影響。通過對地下水變化引發的各種地質效應進行詳細分析，本文可以更加清晰地認識到在基坑開挖過程中，如何精準地評估地下水的變化及其對土體的影響，采取合適的防護與治理措施，以確保基坑施工的安全與穩定。因此，合理控制地下水的補給與排水，采取有效的水土保持措施，優化基坑支護結構設計，是確保基坑開挖過程中穩定性和安全性的關鍵。未來的研究應進一步探討地下水補給與基坑開挖之間的相互作用機理，并結合實際案例進行實驗與模擬分析，為基坑工程的設計與施工提供更加科學、精確的技術支持。

參考文獻：

通過對地下水流動的實時監測，能夠及時掌握水流的變化趨勢，并采取相應的調節措施。

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