湖東二級泵站基坑降水方案設計

白柯含

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，合肥 230088）

1 工程概況

湖東二級泵站位于安徽省樅陽縣湯溝河入長江口處，主要功能是抽排湯溝河水入長江。該站建成于1986 年，現狀裝機3 臺共465 kW，設計抽排流量8.1 m3/s。由于現狀泵站規模小，洪水外排能力不足，不能滿足流域排泄洪水要求，擬在原址進行拆除重建。新建后的湖東二級泵站設計抽排流量30 m3/s，安裝5 臺1400ZLB-85（+2°）型立式軸流泵，總裝機容量2500 kW。工程主要建筑物包括進水前池、攔污檢修閘、泵房、壓力水箱及排澇出水涵，出水涵與現狀湖東閘穿堤涵洞相接，外河側防洪閘及出水連接段維持現狀[1]。

2 地質條件

湖東二級泵站處地層在可揭露范圍內，從上至下依次為:人工填土層，以重粉質壤土為主，層厚1.10～10.00 m；①層重、中粉質壤土，微透水性，層厚1.5 m；②層淤泥質重、中粉質壤土，弱～微透水性，局部夾砂壤土，層厚0.40～10.60 m；②1層砂壤土，中等透水性，局部分布，層厚0.60～2.20 m；③層砂壤土，中等透水性，層厚4.30～7.50 m；④層細砂，中等透水性，揭露層厚2.80～23.50 m；⑤層含砂礫卵石，強透水性，未揭穿，揭露最大層厚7.95 m。降水設計所需各土層參數見表1。

表1 土層滲透特性參數表

勘察場地范圍內，地下水類型按埋藏條件可分為孔隙潛水和孔隙承壓水。孔隙潛水主要分布于淺部粉質壤土、淤泥質土及人工填土層中，主要受大氣降水和地表水補給。孔隙承壓水主要貯存于③層砂壤土、④層粉細砂及⑤層含砂礫卵石中，為區內主要含水層，④層粉細砂在長江深泓中已出露，故與長江有較強的水力聯系。

3 基坑降水設計

3.1 基坑底板穩定性驗算

湖東二級泵站前池及站身底板褥墊層需開挖至4.5 m 高程，位于②淤泥質中、重粉質壤土層，由于下部③層砂壤土及④層粉細砂存在孔隙承壓水，需對基坑進行抗突涌穩定性驗算。④層細砂層在長江深泓中已出露，與長江有較強的水力聯系，承壓水位根據施工期長江水位確定。抗突涌穩定性驗算公式[2]如下:

式中:Fs為突涌穩定安全系數，對于大面積開挖應大于1.2；H 為坑底至承壓水層頂板的土層厚度，約5.5 m；γs為H 范圍內土層的平均重度，取18.7 kN/m3；Hω為承壓水頭高度，約12 m；γω為水的重度，取10 kN/m3。

經計算Fs=0.857，基坑存在突涌破壞風險，為保證土方開挖及底板澆筑等下部結構施工時基坑的滲透穩定，湖東二級泵站施工期須采取措施降低承壓水頭。

3.2 深井降水方案

根據工程地質和水文地質條件、基坑周邊環境要求，并結合主體工程地基處理措施，擬采用深井降低基坑承壓水頭[3]。坑內設計水位按建基面以下0.5 m 考慮約為4.0 m，各井距離基坑中心位置約30 m，坑內水位降落坡降按1/8 考慮，各井內水位約為0.5 m，施工期承壓水位按長江側設計水位取11.0 m，各井設計降深為10.5 m。根據抗突涌驗算結果，基坑土方開挖至8.0 m高程即開始進行降水井施工。

深井具體布置如下:沿湖東二級泵站基坑兩側各布置6口深井，共12口深井（編號為J1～J12）。深井布置間距約15 m，開孔直徑0.9 m，井管內徑0.4 m。井口高程8.0 m，井底高程-6.0 m，井深14 m。每孔深井各配置100QJ5-36/9 深井潛水泵一臺，流量5 m3/h，揚程36 m，配置電機功率1.1 kW。降水前應進行抽水試驗，根據測壓管觀測結果控制管井泵運行。各井平面位置圖見圖1。

圖1 湖東二級泵站降水計算平面圖

3.3 降水計算

降水計算時，首先根據各井位置估算滿足坑內水位要求的各井降深，再按干擾井群計算得到各井出水流量，并在基坑內不同位置選擇檢驗點反算降深是否滿足設計要求。

圖中J1～J12標注為降水井位置，各井出水流量按承壓非完整井干擾井群公式[4]（2）計算。

式中:Sm為第m口井的井水位設計降深，m；qj為第j口井的單井流量，m3/d；M為承壓水含水層厚度，m，取為30 m；k為含水層滲透系數，m/d，取各含水土層的加權平均滲透系數，約為0.9 m/d；R為影響半徑，m，可按R=10Smk 取值；rjm為第j口井中心至第m口井中心的距離，m，可通過各井位置平面坐標計算得到，當j=m 時，應取降水井半徑rw，當rjm＞R 時，應取降水井半徑rjm=R；l為濾水管長度，取6 m；n為降水井數量，取12。

可利用Excel 軟件自帶的矩陣求解功能對方程組進行計算，計算結果見表2。

表2 湖東二級泵站降水計算成果

出水量的計算結果顯示，各井所配潛水泵功率完全能夠滿足降水需求。

對坑內任意位置的水位降深計算可采用公式（3）。

式中:rij為第j 口井中心至計算點的距離，m；當rij＞R時，取rij=R。

對坑內各位置選擇檢驗點計算后，降深結果均大于7.0 m，能夠滿足基坑干地施工的要求。

3.4 降水引起的沉降量計算

湖東二級泵站基坑兩側民房密布，且距離較近，施工期降水將可能引起周圍民房的不均勻沉降。因此需對降水引起的基坑外建筑物地基沉降量進行評估計算。沉降計算采用分層總和法[5]，計算公式（4）為:

式中:S為地層沉降量，cm；Δp為降水引起的土層附加應力，MPa；H為計算土層的厚度，cm；E為計算土層的壓縮模量，MPa。

本次工程降水所涉及地層主要為②層淤泥質粉質壤土層和④層細砂層，其中④層細砂層完全位于降水面以下，不會產生明顯的固結沉降，且為低壓縮性，沉降量可省略不計。關于土層厚度的取值，通常僅計算降水面至原地下水位線之間的沉降量[6]，本工程降水位的變化范圍主要位于②層淤泥質粉質壤土層，該層為高壓縮性，因此主要針對該部分沉降量進行計算。

粘性土中附加應力Δp采用公式（5）計算:

式中:k 為孔隙貫通率修正系數；ΔH 為計算點的水位下降值，m；γw為水的重度，kN/m3。

孔隙貫通率k難以求得，可采用給水度μ代替，μ=n-α；孔隙度n 可通過孔隙比e 換算得到；持水度α根據土層性質按經驗可取為0.2。

沉降計算點（編號為A1、A2、B1、B2）位置見圖1，計算點處的水位降深可利用前文干擾井群公式計算，計算點A1、A2、B1、B2 水位降深分別為5.3、4.4、5.4、4.8 m，最終沉降量分別為2.8、1.9、2.9、2.3 cm。

計算點A1、A2之間距離約為15 m，B1、B2之間距離約為8.5 m，對應傾斜率分別為6×10-4、7×10-4，差異沉降引起的傾斜在《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）的允許值之內。

3.5 防止降水不利影響的措施

沉降計算結果顯示，雖然降水引起的差異沉降不足以對建筑物穩定造成影響，但沉降量絕對值依然較為顯著，可進一步考慮通過減少坑外降深從而對沉降量進行控制。考慮到本工程基坑兩側采用雙排鋼筋砼灌注樁的邊坡支護型式，在第一排樁間設置高壓旋噴灌漿，客觀上可形成懸掛式截水帷幕的作用，切斷坑內降水井所形成降落漏斗的外延部分，減少兩側的降水影響范圍，這顯然是對減小周邊地面沉降有利的。因此，支護樁施工時應保證樁間灌漿的施工質量，在需要保護的民房范圍內，可考慮采用高壓擺噴灌漿等型式在支護樁成墻兩端適當延長帷幕長度。降水時要隨時注意抽出的地下水是否有渾濁現象，為防止抽水帶走土層中的細顆粒增加周圍地面沉降，應選用合適的回填砂濾料。加強對周邊地面沉降的監測，必要時，可增設回灌水系統，維持基坑外地下水位。

4 結語

上部為淤泥質軟土下部為細砂的地層條件在沿江泵站工程中具有相當的典型性。施工過程中，不可避免的需要對砂層承壓水進行控制。以往估算基坑出水量采用的簡化大井法與實際降水結果存在較大的差異，不能體現井點平面布置對降水效果的影響。本文采用的干擾井群公式更能符合實際情況，可根據計算結果調整各井平面位置及降深從而達到合適的降水效果。同時，通過對基坑外水位降深的計算，利用相應的沉降理論公式求得周邊建筑物的沉降量和傾斜率，可較精確地對基坑周邊建筑物的穩定性進行評估。進一步采取相應的控制沉降措施，優化設計方案。