天津基坑抽排水量估算和地面沉降特征研究

□文/易 喆 董立新 康 婧 袁 杰 王鴻鵬 魯歆彥

天津是中國開發地下水最早的城市，20 世紀20年代初，開始抽取地下水，同時出現了地面沉降現象[1～2]；由于過量開采地下水，2010 年以來，沉降速率超過10 mm/a 的國土面積近8 000 km2，最大沉降130～160 mm/a[3～4]。目前，寶坻斷裂以南平原區累計沉降量普遍＞0.3 m，最大累計沉降量達3.45 m[5～6]。

為保護地下水資源，防治地面沉降，天津行政區范圍深度超過5.0 m 的基坑，應當進行水資源論證并根據論證結果制定地面沉降防治措施[7]。本文依據案例和數值模擬，研究不同區域基坑工程的地下水排泄特征和地面沉降發育特征，提出現行規范水量計算方法的修正系數和地面沉降影響范圍，研究成果對天津地區基坑排水地面沉降防治具有一定參考價值。

1 水文地質條件及工程地質分區

1.1 水文地質條件

第四紀以來天津地區曾發生過5次較大范圍的海侵，形成5個海侵層。海相、陸相交織分布，構成了含水層格架，決定了地下水的補給、徑流、排泄和水文地球化學環境[8～9]。天津市第四系孔隙水劃分為4 個含水組：第I 含水組相當于全新統（Q4）和上更新統(Q3)，底界深度可達100 m；第II 含水組相當于中更新統(Q2)，底界深度在180 ～220 m；第Ⅲ含水組大致相當于下更新統上段(Q12)，底界深度300 m；第Ⅳ含水組相當于下更新統下段(Q11)，在隆起區尚包括部分上第三系含水層(N2)，底界深度可達450 m[10～13]。

天津地下工程開挖深度一般在30 m以淺，目前最深基坑31.3 m，開挖面積許多超過數十萬平方米，工程樁長達100 m[14]；因此，直接決定基坑涌水量和地面沉降的是100 m 以淺地層的水文地質和工程地質條件。這一深度范圍處于第Ⅰ含水組，天津工程界常稱為“淺層地下水”，是指地表以下的潛水和潛水～微承壓水，可以直接接受大氣降水和地表水的補給，其地下水動力特征和水交替條件與其下的3個“深層地下水”明顯不同[15]。淺層地下水包括潛水及其下部的微承壓水，其埋深一般為1～3 m，主要賦存于粉土及粉細砂層中，以黏性土為相對隔水層。由于微承壓含水層粉細砂層與上部地層滲透系數的差異，工程降水時粉細砂層地下水不能及時排出，表現出了工程性承壓特性[16～17]。

1.2 基坑地面沉降工程地質分區

根據基坑工程影響深度，取60 m以淺范圍地層特征進行分區。根據影響基坑涌水量主要含水層和壓縮層分布特征，天津行政區可劃分為3個工程地質分區，分區界線大體以寶坻斷裂和第三道貝殼堤為界，分別為洪積沖積區（Ⅰ區）、海積沖積區（Ⅱ區）和海積區（Ⅲ區），見圖1和表1。

圖1 天津基坑工程地面沉降地質分區

表1 天津基坑工程地面沉降地質分區地層特征

Ⅰ區潛水含水層以第Ⅰ陸相層河床～河漫灘沉降層為主，部分區域含水層包括第Ⅰ海相沉積層；相對隔水層為為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ陸相地層；承壓含水層為第Ⅲ海相層。本區顯著的特征是潛水含水層較厚，滲透系數大，側向補給豐富；隔水層厚度大，對下覆承壓含水層阻隔作用明顯。基坑排水以坑內疏干和潛水含水層側向補給為主，承壓含水層越流補給微弱。排水引起地面沉降主要為潛水含水層疏干沉降為主。

Ⅱ區潛水含水層為第Ⅰ陸相層河床-河漫灘沉降層和第Ⅰ海相沉積層；相對隔水層為第Ⅱ陸相層；第一承壓含水層為區內普遍分布的一層2～5 m 厚第Ⅲ陸相層粉砂層，其下為第Ⅳ陸相層隔水層；第二承壓含水層為第Ⅲ海相層，一般埋深＞55 m。本區顯著的特征是潛水含水層不厚，滲透系數中等。涌水主要來自基坑疏干和承壓含水層越流補給。排水引起地面沉降主要為潛水疏干沉降和隔水層降壓沉降兩部分。

Ⅲ區潛水含水層為第Ⅰ海相層；承壓含水層為第Ⅳ陸相層的厚層粉砂。本區顯著的特征是潛水含水層較厚，含水量大，有效孔隙度小，滲透系數小，出水量小，呈軟塑狀態，壓縮性高。基坑排水主要來自基坑疏干潛水含水層和承壓含水層越流補給。排水引起地面沉降主要為潛水疏干沉降，當基坑深度大時存在隔水層降壓沉降。

2 基坑涌水量計算

基坑降水水論證的一個主要目的是提供取水量，作為水資源管理行政部門核準合理取水量、頒發采水許可證和收取水資源費的依據。天津基坑工程絕大部分為止水帷幕截斷降水目的含水層的封閉式疏干降水基坑，涌水量可按式（1）計算[23]。

式中 為基坑降水出水量修正系數；Qw為基坑疏干降水總出水量，m3；Q1為坑內疏干層范圍內的出水量，m3；Q2為下伏承壓層向坑內的越流涌水量，m3；△hi為i土層中水位變化（降深）值，m；△h1為坑內降水設計的目的水位與越流承壓層水頭的水頭差，m；--kv1為坑內降水設計的目的水位與越流承壓層頂間土層的等效垂直滲透系數，m/d；A為基坑開挖面積，m2；μi為i土層給水度；i為基坑最大降水深度范圍內所包含的土層數；m為坑內降水設計的目的水位與越流承壓層頂間土層的厚度，m；T為降水時間，d；n為坑內疏干層范圍內的土層數。

構建3個地面沉降工程地質分區地下水流三維數值模擬模型，模型寬200 m、長300 m、深60 m，分別進行不同基坑開挖深度下的地下水流場數值模擬。見圖2。

圖2 典型基坑數值模擬流場

由圖2可知：Ⅰ區由于潛水層滲透系數大，坑外潛水含水層、下覆相對隔水層與承壓含水層地下水均有水量涌入坑底；Ⅱ區坑外下覆承壓含水層越流作用明顯；Ⅲ區坑外承壓含水層越流作用明顯。

結合數值模擬結果，確定各工程地質區修正系數α。Ⅰ區α=1.06～1.15，主要修正坑外潛水繞流涌水和承壓水越流；Ⅱ區α=1.03～1.08，主要修正基坑外承壓含水層越流補給；Ⅲ區α=1.04～1.12，修正基坑外承壓含水層補給。

3 地面沉降計算

3.1 工程案例

圖3 為基坑邊緣（距離2 m）沉降和水位監測實測，所選基坑止水帷幕均截斷潛水層。

圖3 基坑邊緣沉降及水位降實測歷時曲線

如圖3所示，在基坑開挖前期，坑外水位經歷過一個快速下降期，之后趨于平穩。累積地面沉降隨著基坑外水位下降持續增大，在水位穩定后有一定程度反彈，其后持續增大，出現此種現象原因，可能與黏土滯后沉降有關。

實際工程監測資料反映，雖然截斷潛水含水層，但坑外還是出現一定程度的水位降并導致地面沉降，這是由于天津各地層中普遍存在粉砂、粉質黏土夾層，潛水層的劃分具有一定的主觀性，其下的地層呈現微透水性所致，實測資料與本文基坑地下水流場數值模擬結果一致。

圖4 為基坑主體施工結束時不同距離沉降實測資料。

圖4 基坑不同深度最終沉降量實測曲線

如圖4所示，沉降最大值經常出現在1.5H（H為基坑開挖深度）處，與水位降變化規律不符。出現水位降和沉降不匹配的現象是由于基坑周圍地面沉降具有多因性，沉降受土體開挖、減壓降水、結構變形及機械施工等影響，地面沉降觀測不能分辨各種沉降量。

3.2 基坑降水引起地面沉降的計算

為探明基坑排水地面沉降規律，在基坑流場數值模擬基礎上，根據數值模擬各層水位降低計算結果，計算3個工程地質分區基坑沉降。地面沉降量計算采用分層總和法[24～25]。黏土及粉土層計算

砂層計算

式中：S∞為地面最終沉降量，mm；Qi為黏土或粉土壓縮系數，kPa-1；e0為土層原始孔隙比；ΔP為地下水位降低施加于土層的平均荷載，kPa；H為土層厚度，mm；E為砂層彈性模量，kPa。

3 個工程地質分區基坑深度分別為5、10、15 m（分別代表有1、2、3層地下室情況）的沉降和水位計算結果見圖5和圖6。

圖5 基坑不同距離水位降數值模擬曲線

圖6 基坑周圍沉降數值模擬曲線

由圖5可知，在截斷潛水含水層的情況下，基坑邊緣水位降變化范圍27～72 cm。3個分區在3H處，水位降＜5 cm。由圖6 可知，基坑邊緣由水位降引起的地面沉降為5.3～22.4 mm，在3H處＜0.5 mm。

由于含水層滲透性和壓縮性不同，3 個分區水位降和沉降顯示不同特征。Ⅰ區潛水含水層滲透系數最高，壓縮性最低，呈現水位降最大，但沉降最小的特點；Ⅲ區潛水含水層為淤泥質黏土，滲透性差，含水量大，天然孔隙比高，壓縮性高，呈現水位降最小，但沉降最大的特點。以10 m基坑邊緣為例，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區水位降分別為60、55、45 cm，而沉降分別為8.6、11.1、18.3 mm。3 個分區在3H處，水位降和地面沉降都非常小，對周邊影響很小。出現實際觀測與計算沉降值變化趨勢不相符的現象，是由于實際觀測沉降值包含土體開挖、結構變形及機械施工等影響分量，降水沉降只是工程引起地面沉降的一個分量。

4 結論

1）根據影響基坑涌水量主要含水層和壓縮層分布特征，把天津行政區劃分為3個工程區，分別為沖積洪積區、沖積海積區和海積區。

2）根據工程案例和數值模擬結果，提出了3 個基坑工程地面沉降工程地質分區水量計算的修正系數。

3）根據工程案例和數值模擬結果，給出了截斷潛水含水層情景下天津不同分區、不同基坑挖深條件下地下水位和地面沉降變化幅值，初步揭示了天津基坑抽水引起地面沉降的變化特征。特征顯示在截斷潛水含水層情況下，基坑降水引起周圍環境水位降和地面沉降的范圍基本在3H以內。