潛水層厚度較小地層基坑降水計算分析

路志南 李瑩萍

(1.甘肅省建筑科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070; 2.蘇交科集團股份有限公司甘肅分公司，甘肅 蘭州 730070)

基坑開挖時，若地下水位高于基坑坑底，則需提前對該地下水位進行降水措施，以保證坑內(nèi)水位低于基坑坑底，保證正常的施工干作業(yè)[1]?；咏邓嬎愀鶕?jù)水位及地質條件不同分為潛水完整井、潛水非完整井、承壓水完整井、承壓水非完整井4種涌水量計算模型，甘肅地區(qū)水位基本位于潛水層卵石層中，涉及的計算主要為潛水完整井與潛水非完整井，后者計算依據(jù)相關基坑涌水量計算公式所得降水井數(shù)量基本能滿足實際降水需要，而對于當淺水層厚度較小的基坑降水設計計算中，一般僅僅計算基坑涌水量除以單井流量計算出的降水井數(shù)經(jīng)常不滿足設計降深要求，需要綜合考慮基坑涌水量后計算基坑內(nèi)各點的實際降深，通過上述連續(xù)試算后最終確定該項目所需降水井個數(shù)、間距等以滿足實際降水要求。

1 工程概況

甘肅某棚戶區(qū)改造安置小區(qū)項目基坑降水項目，該基坑整體形狀為矩形，長約280 m，寬約210 m，開挖深度約6.3 m～9.8 m，開挖基底標高1 862.6 m～1 864.6 m。該基坑南北側為道路，東西兩側為單層～三層民房區(qū)。依據(jù)該項目地勘報告從上至下土層分布為：

④層砂質泥巖(N)：棕紅色，泥質結構，層中含砂量較大，薄層狀構造，泥質膠結。礦物成分主要以黏土礦物(如高嶺石、水云母、蒙脫石等)組成，次為碎屑礦物(石英、長石、云母等)。成巖作用較差，所見巖芯呈短柱狀或散狀，干時堅硬，遇水擾動或暴露地表極易軟化或風化崩解，擾動后易破碎，屬極軟巖，頂部1 m～2 m為強風化，其下為中風化。該層最大勘察層厚為11.1 m(未揭穿)，層面埋深4.7 m～12.0 m，層頂面高程為1 861.65 m～1 866.73 m。

場地地下水類型屬孔隙潛水，主要賦存于第四系卵石層中，流向東北，勘察期間水位高程1 863.69 m～1 865.4 m。

根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規(guī)程及主體施工要求，現(xiàn)場水位降至坑底0.5 m，即本次降水后設計水位標高為1 862.6 m-0.5 m=1 862.1 m。場地地下水主要賦存于卵石層與砂巖層中，降水分為大量抽排基坑內(nèi)卵石層中的地下水和有組織疏排基坑內(nèi)滲出的地下水。該項目基坑平面圖如圖1所示。

2 降水設計

該項目現(xiàn)狀水位標高為1 863.69 m～1 865.4 m，高于坑底標高1 862.6 m～1 864.6 m，采用基坑周邊布置降水管井+坑底設置截排水明溝、降水井進行降水。

2.1 計算參數(shù)取值

卵石層滲透系數(shù)：K=50 m/d。

含水層厚度：H=1 865.4-1 860.4=5.0 m。

基坑設計水位降深：Sd=1 865.4-(1 862.6-0.5)=3.3 m(降至坑底0.5 m)。

井水位降深：Sw=Sd+r0×1/15=3.3+134.73×1/15=12.282>含水層厚度。

此處取Sw=H=5.0 m。

根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規(guī)程，計算降水影響半徑時，Sw不足10.0 m按10.0 m計算，故降水影響半徑：

2.2 降水計算

場地地下水類型屬孔隙潛水，主要賦存于第四系卵石層中，底部砂巖層為相對隔水層，故采用潛水完整井計算基坑涌水量。

降水管井的單井出水能力q0計算：

按干擾井群計算的第j個降水井的單井流量qj通過求解下列線性方程組計算：

其中，Swk為第k口井的井水位設計降深，m；rkj為第j口井中心至第k口井中心的距離，m；當j=k時，取降水井半徑rw；當rkj>R時，取rkj=R，具體關系如圖3所示。

該項目11口降水井聯(lián)立方程組如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

聯(lián)立以上11元1次方程組可得：

q1=301.87,q2=288.72,q3=295.03，q4=256.39,q5=278.74,q6=275.52，q7=283.27,q8=312.96,q9=252.06，q10=253.17,q11=312.18。

水位降深S0按下式計算：

將各降水井流量q代入計算公式，對基坑中間及周邊點位進行降深計算，可得出：采用基坑周邊布置降水管井降水形式，基坑內(nèi)實際降深最淺位置并不在基坑中部，而在基坑周邊某兩降水井連線之間中點處，如圖3所示：基坑內(nèi)中點實際降深為2.21 m，最小降深出現(xiàn)在基坑西北角，1號降水井與11號降水井中間位置，降深為1.84 m。

由此可見經(jīng)涌水量計算布置的降水井數(shù)量最小降深為1.84 m<3.3 m，無法滿足設計降深要求，根據(jù)甘肅地區(qū)以往卵石層項目降水經(jīng)驗，調(diào)整降水井按20.0 m間距布置約47口降水管井如圖4所示。

聯(lián)立方程組：

(12)

(13)

(14)

? ? ?

(47)

解得：

q1= 115.82,q2=96.35，q3=87.42,q4=83.05，??q44=89.36,q45=104.49，q46=139.74,q47=162.26。

各單井出水量相加可得降水井總出水量：

q總=q1+q2+q3+…+q47=4 469.52 m3/d>Q=2 874.39 m3/d，涌水量滿足設計要求。

再驗證基坑內(nèi)各點實際水位降深：

基坑中點水位降深為3.72 m，最小降深位置為西北角46號降水井與47號降水井連線中間，為3.16 m，如圖5所示，略小于設計降深3.3 m，可通過局部設置排水明溝、集水井進行降水基本可滿足要求。

3 結論與建議

采用基坑周邊布置降水管井降水形式，基坑內(nèi)實際降深最淺位置并不在基坑中部，而在基坑周邊某兩降水井連線之間中點處，對于潛水含水層厚度較薄的情況下可采用以下降水措施：

1)大量抽排基坑內(nèi)卵石層中的地下水：采用沿基坑周邊布置管井井點降水，通過每個井點降水井內(nèi)的抽水，使地下水位降至砂巖層面以下一定深度。

對于潛水完整井降水設計計算中，當潛水水位較薄不大于5.0 m時，所需整體降水量不大情況下，單純通過基坑涌水量與單井出水量計算降水井個數(shù)一般間距較大，雖可滿足基坑整體涌水量要求，但各點實際降深均無法達到設計要求，需要配合各點實際降深公式進行計算，可結合實際經(jīng)驗多次試算后最終試算出可以滿足設計要求的最優(yōu)降水井個數(shù)。

通過兩次計算可知基坑周邊布置封閉管井降水情況下，基坑內(nèi)降深最小點不在基坑中點，而在基坑邊兩降水井中間位置。

2)基坑底部二次排水。

有組織疏排基坑內(nèi)滲出的地下水：由于管井井點降水存在一定的間距，砂巖層面存在起伏以及砂巖層具有一定的隔水性，基坑周邊分布的降水井無法排干凈砂巖內(nèi)及砂巖層面降水井滲出的地下水，為防止?jié)B出的地下水浸泡基坑底板下的地基砂巖，在卵石層底與砂巖層面附近設置泄水孔，疏排地下滲水，然后有組織收集并集中疏排至基坑外。

在基坑下沿和建筑外墻外挖明溝寬0.3 m，溝深0.3 m；在基坑中心部位挖小溝將水引至明溝，坡度為10%或在基坑中心挖集水坑，用排污泵將水排出；基坑四周和周邊設置集水坑，深度低于基坑底板-1.0 m。

3)基坑坡頂排水措施。

基坑坡頂上口線外設置一圈排水主管，主管可采用鋼管，匯集坑內(nèi)降水井中水后經(jīng)沉淀池處理后排入市政排水管網(wǎng)。

根據(jù)基坑平面大小及市政雨水口位置設置沉淀池，該項目沉淀池長3 m，寬1.5 m，高1.5 m。沉淀池具體位置根據(jù)市政下水口位置確定。

基坑四周支護范圍內(nèi)的地表應加以修整，采用混凝土硬化地面，并設置適宜的坡度和排水排洪措施，避免地表雨水向下浸入基坑周圍土體，影響基坑土質力學性質從而影響基坑安全?；悠马攽m當加高做成倒坡，便于逕流遠離邊坡。

4)預防措施。

基坑開挖前提前施工降水管井進行降水，降水井運行一段時間出水穩(wěn)定后，核對降水井單井出水量是否滿足設計要求，降水井單井出水量不滿足設計要求時可在基坑中部根據(jù)主體集水坑、電梯井等位置增加適當降水井，增加基坑總涌水量以滿足設計要求。

降水井降水運行初期，部分土粒會隨水泵抽水流出坑外，應量測排水過程中泥沙含量，采取增加過濾網(wǎng)或減小水泵功率、降低抽水速度等措施減小泥沙含量滿足相關要求，避免大量泥沙帶出導致影響周邊環(huán)境。