深厚透水性地層中大型深基坑降水方案設計探討

定培中，肖 利，李 威，陳華貴

(1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010;2.湖北省南水北調引江濟漢工程建設管理處，湖北荊州 434020)

1 研究背景

近年來，水利建設領域的深基坑工程越來越多。例如，南水北調中線工程就有很多跨(穿)河建筑物，需要開挖深基坑才能施工。此類基坑面積大，透水性覆蓋層厚，開挖深度已接近或達到承壓水層，致使基坑涌水嚴重，必須采取有力措施降低基坑水位，才能保證基坑干燥便于施工，同時需避免坑底承壓水頭過高導致滲透破壞。實踐中，由于受到各方面條件的限制和基礎資料匱乏等因素的影響，很多基坑的降水設計要么過于簡單，要么與實際水文地質條件不符，導致基坑降水出現諸多問題，這些問題已經引起重視。但如何掌握詳盡準確的地質資料，依據工程特點進行合理有效的降水設計，是深基坑施工中的一個技術難題。

長江科學院近年來為南水北調中線工程中的多個深厚透水性地層中的大型深基坑降水提供了方案論證服務。在這個過程中，通過現場降水試驗和室內數值模擬計算，對深基坑降水的設計方法進行了比較深入的研究，提出了有效可行的基坑降水方案供業主選擇，在工程實施中取得了良好的效果［1－3］。本文以引江濟漢進口段泵站節制閘基坑、漢江興隆圍堰基坑和穿漳河倒虹吸工程南岸基坑為例，簡要介紹深基坑降水的試驗和計算分析成果，基于這些研究成果的基坑降水設計都取得了成功。

2 深厚透水性地層中大型深基坑降水的工程特點

南水北調中線工程中有很多大型跨(穿)河建筑物，基坑位于深厚透水性地層中，其工程特點歸納如下:

(1)基坑瀕臨江河，其地基呈典型的二元結構，上部由透水性弱、力學強度低的黏性土層組成，下部由透水性強的砂、礫、卵石層構成。下部土層不僅透水性比上部土層大若干數量級，而且透水層厚度較大，均在50 m以上。同時地下水直接受江水補給。如漢江興隆水利樞紐壩址區覆蓋層中砂礫石層、粉細砂層具有中-強透水性，厚度大于50 m，局部厚度超過60 m。穿漳河倒虹吸工程砂礫石層為強透水地基，深達60 m。引江濟漢工程進口段基坑粉細砂、砂卵石層厚度達70 m。

(2)基坑規模大，挖深大。漢江興隆圍堰基坑總面積約205萬m2，基坑開挖深度10～20 m;穿漳倒虹吸南岸基坑面積5萬m2，最大開挖深度22 m;引江濟漢進口段泵站節制閘基坑面積8.5萬m2，最大開挖深度24 m。

(3)基坑施工時間長，低水位保持時間長，有的甚至跨越幾個汛期。如漢江興隆圍堰基坑、引江濟漢進口段泵站節制閘基坑，都需經過2～3個汛期的開挖施工階段。

由以上3個特點可以看出，由于基坑瀕臨江河含水層深厚且滲透性強，地下水補給迅速。基坑面積大且開挖深，造成基坑單位時間內的涌水量大，降水困難。而基坑施工工期長，需要長期保持較低地下水位，更加增大了降水的難度。汛期高水位作用下難度加大，有相當大的防洪風險。

3 基坑降水方法及設計實例

目前比較成熟的深基坑降水方法主要有以抽排為主的純井點降水法、以防為主的截水法和以防為主、防排結合的帷幕+排水法等。方案設計時應針對工程地質情況、工期要求、成本控制、降水效果等因素，認真評判各方法的優缺點，選擇合適的降水方案［4－7］。

3.1 引江濟漢進口段泵站節制閘基坑

該基坑面積約5.4萬m2，最大開挖深度24 m，基坑底板全部或局部為粉細砂層或砂卵石層(見圖1)。因砂層中富含承壓水，天然地下水位較基礎底板高出較多，承壓水頭高約16～20 m。方案設計時，首先在基坑現場進行了8口井的單井和群井抽降水試驗。試驗抽水井包括2口花管段位于粉細砂層的淺層抽水井和2口花管段位于砂卵石層的深層抽水井，另設4口觀測井。試驗中利用單井降水試驗確定地層水文地質參數和單井排水能力，復核原地勘報告中的有關參數;并根據不同組合條件下的群井抽水試驗成果，分別評價深層群井抽水和淺層群井抽水的降水效果。試驗成果以及三維數學模型擬合計算，認為試驗區域內粉細砂層滲透系數約為8.23×10－3cm/s，砂卵石層滲透系數約為8×10－2cm/s，比原地勘資料大了約1個數量級。通過數模計算，提出了純井點降水、帷幕灌漿結合井點降水以及全封閉式防滲墻方案［1］，經比選后確定實施了純井管降水方案。其主要內容為:沿泵站節制閘基坑周圍布置52口降水井，降水井呈單排布置，井間距20 m。井內徑325mm，井深約35 m，每口井內放置一臺額定抽水能力為150 m3/h的潛水泵進行抽水。見圖2。

降水井施工完畢后每天保持40口以上的井24 h不間斷抽水，經過約2個半月的抽水，將基坑內地下水位由30～32 m(黃海高程)降至并穩定在約13 m(黃海高程)，有效地保證了基坑干燥施工。各降水井日抽水總量約4.8～6.3萬m3/d，與數值計算預測基坑抽水量接近。

圖1 引江濟漢進口段地質剖面Fig.1 Geological profile of the entrance region of water diversion project from Changjiang River to Hanjiang River

圖2 引江濟漢進口段基坑降水井布置圖Fig.2 Layout of dewatering wells of foundation pit at the entrance region

3.2 漢江興隆圍堰基坑

漢江興隆圍堰工程區內地層主要為第四系沖積層。兩岸漫灘表層出露全新統粉質壤土或粉質黏土等弱透水性土層，向下透水性逐漸增大，依次分布粉細砂、砂礫石層;在河床部位粉細砂層直接出露，其下臥有一層透水性較弱的含泥粉細砂層，再向下為粉細砂、砂礫石層。典型縱剖面(廠房軸線)的土層分布示意圖見圖3。

三維數模滲流場計算結果表明，在設置全封閉式防滲墻條件下，當基坑未開挖時，地下水向河床的最低處自然排泄［3］。當漢江右岸圍堤處未設置防滲墻時，由于端部繞滲作用的影響，右岸灘地部位的地下水位仍然較高，維持在30.4～31.0 m之間，主要對廠房和船閘基坑有不利的影響，而泄水閘基坑位于天然河床內，其基坑內地下水位基本低于29.3 m。圈式全封閉防滲可使整個基坑域內的地下水位基本保持在26.5～28.7 m(圖4)，說明深入基巖的圈式全封閉垂直防滲墻滲控效果較好。工程實施時采用了該方案。

圖3 漢江興隆圍堰基坑地質剖面圖Fig.3 Geological profile of cofferdams of Hanjiang Xinglong Project

圖4 全封閉式垂直防滲砂礫石層頂板等水頭線分布圖Fig.4 The water head contours of top plane of sand gravel with full seepage cut-off wall

3.3 穿漳河倒虹吸工程一期南岸基坑

穿漳河倒虹吸工程為明挖式現澆混凝土有壓箱涵，工程采用二期導流方案，一期南岸基坑面積約4.8萬m2，最大開挖深度22 m，至基坑底面形成16.8 m的地下水頭。一期基坑下臥地層為由古河床演變而來的深達60 m的砂礫石層，見圖5。方案設計時，首先在基坑現場進行了8口井規模的單井和群井抽降水試驗，抽降水試驗的工作方法與引江濟漢工程類似。根據試驗成果以及三維數學模型擬合計算，認為試驗區域內土層滲透系數為8×10－1cm/s［8］。并以此按照實際基坑條件和設計水位條件，建立施工期三維基坑降水模型。對降水方案的降水效果進行比較研究后認為:降水管井(群)和懸掛止水帷幕+降水井2種方案均可滿足基坑降水要求。業主最終選定帷幕灌漿結合輔助明排的方案，其帷幕布孔孔距2 m，分3排梅花形布置，帷幕灌漿深度一直到相對不透水層［9］。灌漿布孔示意圖見圖6。

圖5 穿漳工程地質剖面圖Fig.5 Geological profile of Zhanghe River-Crossing Project

圖6 穿漳河工程南岸基坑灌漿帷幕布孔圖Fig.6 Layout of grouting holes of the curtain in the south foundation pit of Zhanghe River-Crossing Project

4 深基坑降水方案設計及實施過程中的問題及分析

4.1 地質資料的不準確造成降水方案變化

由于基坑降水方案設計一般在水利工程施工設計階段進行，如仍依據初設階段的地質資料，會存在地質資料精度不夠的問題。在不準確的地質資料基礎上設計的降水方案，在實施過程中，往往與工程實際條件相差甚遠，導致被迫更改設計。

以引江濟漢進口段泵站節制閘基坑為例，原地質資料提供的含水層滲透系數:粉細砂層為1.00×10－5～1.23×10－3cm/s，砂卵石層為1.00×10－3～1.00×10－2cm/s，招標設計中擬通過較少的井點降水即可。而通過現場降水試驗得到的滲透系數:粉細砂層為0.8×10－2～2.4×10－2cm/s，砂卵石層為2.0×10－2～8.0×10－2cm/s。而三維數模計算成果表明:采用井點降水方案時，基坑排水量隨含水層滲透系數呈線性增長關系，因此本工程中，由于地層滲透系數比原地勘成果增大了一個數量級以上，造成采用純井點降水方案時排水量增長巨大，降水方案中所需的井點數大大增加。

穿漳河倒虹吸工程中透水地層厚度原資料為14～42 m，招標設計時擬采用平均深度為28 m的地下連續防滲墻，而施工進場后地質鉆孔確定平均厚度超過50 m，防滲墻的施工成本和難度都大大增加，被迫改用帷幕+排水法。漢江興隆圍堰基坑防滲墻施工時也發現原認為的相對不透水層實際上是半透水層，從而導致防滲墻的厚度加深。

4.2 各降水方案技術特點比較

由于不同降水方案的施工工藝與方法的不同，各降水方案存在其固有的技術特點，表1從施工難度、對環境影響以及經濟性等方面對各降水方案進行了比較。

表1 各降水方案技術特點對比Table 1 Comparison among the technical characteristics of the three dewatering schemes

4.2.1 純井點降水法

純井點降水具有工藝簡單，總體費用低，布井方案調整靈活等優點。缺點是:①對環境影響大:管井強排水時產生一個大降深漏斗，造成周圍相當大區域內地下水水位下降。有可能導致基坑邊坡失穩、地面變形、建筑物差異沉降等問題，同時，對周邊的民用飲水、灌溉等也有影響［10］;②管井長期運行后易產生淤堵，排水能力降低;③對供電要求高，停電對排水效果影響大:引江濟漢進口段泵站節制閘施工的降水井，連續抽水3個月以后，單井出水能力由平均90～100 m3/h下降到50～60 m3/h，停電5 h內場區地下水位回升超過50cm。因此，在純井點降水方案設計時，必須合理計算井流量、深度及間距，既保證降水漏斗不過深，又保證長期運行時有一定的排水能力儲備;另外，還需結合場區水文地質情況及基坑圍護形式，確定是否設置回灌井、地下截滲墻、隔水帷幕等措施，以保證地基安全;同時要加強對地下水位、邊坡穩定、差異沉降等的監測工作。

4.2.2 截水法

截水法主要由地下連續墻形成防滲墻體，配合開挖時明排，具有技術上穩妥可靠、閉氣好、排水量小等特點。幾乎不會因地下水位變動以及土體固結引起的地基變形而對環境產生影響，有利于基坑邊坡及周圍建筑物的穩定。缺點是造價高昂，含水地層厚度大時施工難度大，進度慢。漢江興隆圍堰基坑防滲墻的直接施工費用已經超過其主體工程費用。

4.2.3 帷幕+排水法

帷幕+排水法造價介于純井點降水和截水法之間，布孔、補灌也較靈活，但其造孔、護壁、灌漿施工難度較大，特別是在大粒徑砂卵石地層上，成孔困難。由于強透水地層往往級配差、粒徑大、孔隙率高、滲徑短，因此灌漿材料必須具有抗分散性、抗沖刷性、早強、速凝等。在施工前必須通過灌漿試驗來確定施工工藝、漿料配比等。

由于帷幕體滲透系數多為i×(10－4～10－5)cm/s，為半透水體，而施工中難以避免墻體搭接不均，出現集中滲漏點，因此，仍會出現對周圍地下水環境影響的問題。穿漳河南岸基坑帷幕灌漿施工完畢后，仍發現有周圍民用井內水枯竭、民房出現拉裂等現象。

5 結語

本文所列舉的3個基坑，都具有透水層厚、規模大、挖深大的特點，根據各工程地質條件和周圍環境的差異，分別采用了純井管降水方案、圈式全封閉垂直防滲墻方案以及帷幕灌漿結合輔助明排的方案，實踐證明都達到了較好的降水效果。根據這3個工程以及其它多個工程的研究及體會，總結出以下3點認識:

(1)對于大型深基坑，傳統的降水方法從理論和技術上都可以解決，但要做不同方案的技術經濟比較，選擇經濟合理、技術可靠的方案。

(2)基坑的地質條件尤其是土層的滲透系數的準確性是降水方案成功與否的關鍵，一定要有準確的地質勘測和判斷。

(3)現場降水試驗和三維滲流分析是降水方案設計有力的輔助手段，對于大型深基坑是一個不可或缺的環節。

(4)在工程施工中必須做好監測工作，發現問題可及時采取補救措施，以保證工程安全。

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［2］肖 利，張 偉，定培中.南水北調穿漳工程基坑降水試驗及降水方案研究［R］.武漢:長江科學院，2010.(XIAO Li，ZHANG Wei，DING Pei-zhong.Worksite Dewatering Test and Dewatering Plans for the Foundation Pit at Zhanghe River-Crossing Tunnel［R］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，2010.(in Chinese))

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