考慮降雨補給時某深大基坑降水方案設(shè)計及驗算

周德祿徐 凱孫怡清趙茂浪蔡江東，*

1淮陰工學院應用技術(shù)學院（223001）2江蘇興華基礎(chǔ)工程公司（223003）

0 前言

大體量建筑物施工需要跨越較長的時段。盡管在施工組織設(shè)計安排上，技術(shù)人員可設(shè)法避開多種不利氣候條件的影響（如選擇合適的開工時間、回避在冬雨季的土方開挖等），然而由于近幾十年來氣象變化的復雜性，仍有部分地區(qū)基坑工程會經(jīng)受長時間持續(xù)降雨或多時段暴雨侵襲等不利因素的影響（如2020年華東、華南地區(qū)遭受持續(xù)降雨影響）。以某地區(qū)深大基坑降水設(shè)計與施工為例，通過對氣象預測資料充分利用，對該地區(qū)持續(xù)降水滲入量進行估算，在施工初期就調(diào)整了原降水方案（包括重新計算后增設(shè)降水井數(shù)量，增加地表引排和坑底排水保護措施），最后順利保障長時段降雨期間基坑的安全，使得后續(xù)施工按計劃順利進行。

1 基坑降水方案設(shè)計

基坑降水方案設(shè)計以滿足施工要求又不構(gòu)成對周邊環(huán)境不利影響為前提。此外，需考慮必要的應急方案、控制手段以應付可能出現(xiàn)的意外情況，如大的平面及豎向位移、局部坍塌、整體失穩(wěn)等。此外，持續(xù)性降雨、界外水流入等也都屬于這類情形。

某地區(qū)深大基坑工程，基坑平面尺寸約110 m×100 m、平均開挖深度10.2 m。初步方案:基坑采用止水帷幕和雙排樁支護形式（雙排樁通過冠梁和聯(lián)系梁連接）。建設(shè)場地地層以透水性能較好的粉土為主，地下水水位隨季節(jié)變動，平均埋深約地表下1.6～1.8 m。設(shè)計要求水位降到基坑底板下0.5～1.0 m。按平均水頭線計算平均降深9.0 m左右。基坑降水初步設(shè)計按地區(qū)常規(guī)經(jīng)驗并結(jié)合裘布依不完全井理論進行，根據(jù)計算結(jié)果場內(nèi)擬計劃布深井82口、井徑300 mm，平均深度18 m、井距13 m。基坑帷幕外側(cè)施工回灌井兼觀測井8口（井徑300 mm）。但根據(jù)有關(guān)部門對天氣趨勢的預測，施工所在區(qū)域很可能出現(xiàn)歷史上持續(xù)時間很長、雨量較大的降雨，并且會形成洪澇災害。為此，施工單位在收集地區(qū)降水資料、同類型工程施工經(jīng)驗的同時，接受氣象部門的信息服務（主要是降雨量的預測），在原降水設(shè)計基礎(chǔ)上對降水方案進行重新計算與調(diào)整。

2 考慮大量雨水補給時的降水驗算

降雨對基坑降水的影響主要來自兩個方面:①地面匯水流向基坑；②雨水滲透入地下后對土層孔隙水進行補給，從而提升地下水位線。工程所在區(qū)域由于下墊面條件很好（地表植被綠化好），中等以下的降雨特別是持續(xù)性小雨會充分滲入地表以下，對該區(qū)域地下水形成補給，而粉土透水性優(yōu)于黏性土，因此該地區(qū)基坑工程降水必須對這些情況予以充分考慮。

施工單位在設(shè)計基坑降水方案時借鑒該地區(qū)近些年來類似工程經(jīng)驗，在確定降水形式的同時（必要時局部輔以輕型井點），還根據(jù)基坑影響范圍內(nèi)雨水對地下水補給情況進行反復驗算，修正原有的設(shè)計，最終得到了一個合理的降水方案并付諸實施。

2.1 雨水補給范圍調(diào)查

區(qū)域內(nèi)地下水位是水平線，但地表有起伏。施工前對場地周邊環(huán)境的調(diào)查，除考慮地形坡度引起的排水方向外，還重點了解了場區(qū)道路、植被、地下管網(wǎng)分布、雨污管道通淤情況等，最終確定基坑周邊地表徑流匯水面積約400 m×430 m，并據(jù)此結(jié)合氣象部門數(shù)據(jù)計算降雨量（折算成t）。

2.2 雨水補給量計算

根據(jù)氣象部門信息服務資料，2020年該區(qū)域很大概率會受到持續(xù)降雨影響，雨量級別較大，多時段暴雨將是常態(tài)。根據(jù)市政基礎(chǔ)設(shè)施情況調(diào)查和推算，該地區(qū)往年有85%～90%的強降水經(jīng)地表徑流、雨水排泄系統(tǒng)排到影響區(qū)域外。剩余部分滲入地下土層。由于預估降水期很長[1]，因此認定雨季影響下，基坑施工影響區(qū)域內(nèi)土層始終處于飽和狀態(tài)，在一定時段形成較為穩(wěn)定的地下水補給源。因此，區(qū)域降水導致的基坑地下水補給量W可按下式計算:

其中:W——場區(qū)范圍降水補給量，t；D——降雨量,t；P——場地排水量,t；P0——土層持水量,t。

降水量D根據(jù)氣象資料按照平均降水量和場地匯水面積求解。根據(jù)概率推算降雨平均強度55～70 mm/24 h,取中值設(shè)計、按大值計算。場地排水量指地表徑流流出量、地下管線排水等，根據(jù)經(jīng)驗和觀測情況推算。土層持水量可以按照場地土層條件由平均飽和度達到完全飽和時計算求解。勘察報告中土層平均飽和度Sr=0.67、降雨滲透后平均飽和度按Sr=1.00計。此外，根據(jù)土工試驗，持續(xù)降雨后場區(qū)土的由21.7%變?yōu)?6.2%。依據(jù)土的三項體系理論[2]，按下式計算土中含水增加值Δw:

式中，Δw——降雨入滲后土層含水量增加值，t；w0、w1——分別為降雨前和雨水入滲后的土層含水率；ρ0、ρ1——分別為降雨前和雨水入滲后的土層密度，kN/m3。

如果設(shè)定場地90%降水通過徑流或雨水系統(tǒng)排走，并考慮區(qū)域內(nèi)受影響土層厚度（4.5 m），則降雨使土體增加的水量為230 t。事實上，降雨后不同觀測點測得地下水位平均上升0.26 m，即降深需要增加0.3 m。基坑涌水量通常按下式計算:

式中，Q——總涌水量，m3/d；k——滲透系數(shù)，m/d；H——含水層厚度，m；sd——降深，m；R——影響半徑，m；r0——基坑等效半徑。

根據(jù)場地土層滲透條件，以降深9.3 m計，代入計算參數(shù)，得基坑涌水量Q=6 280 t。單井出水量q=則計算可得需布井90口。按地區(qū)常規(guī)經(jīng)驗（氣象條件為降水量偏多年份），并參照當?shù)仡愃乒こ坛晒Φ慕邓┕し桨福ň畯?00 mm、影響半徑6 m、扣除基坑坑角附近2 m距離），按下式計算降水井數(shù)量:

其中，A——基坑面積，R——單井影響半徑，這一結(jié)果與本設(shè)計理論計算結(jié)果基本相當。

結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗并參考理論計算結(jié)果[3]，本工程最終降水方案：坑內(nèi)布井90口，但在基坑四邊各增設(shè)一口觀測井，以備必要時降低止水幕墻外側(cè)附近水位，以緩解疏干井的壓力或進行回灌糾正。增設(shè)降水井方案順利通過專家論證，并且確實保證了基坑在持續(xù)降雨季的正常施工。

2.3 持續(xù)降雨時的施工保障

基坑工程施工應避免在雨季進行，無法避開時就必須對降雨量和周邊匯、排水條件進行調(diào)查，做出合理的降水設(shè)計和排水方案。

2.3.1 做好坑腳排水與防護

墊層施工好的基坑，應該對基坑范圍內(nèi)（包括護坡）的降水及時引排，在坑腳設(shè)置排水溝，按匯水面積和有效距離設(shè)置積水坑，以防坑腳經(jīng)受積水浸泡。

2.3.2 地表截斷引排

基坑附近地表除做滲水防護外，還要設(shè)置截水溝和排水溝，必要時可加設(shè)邊溝。截水溝布置按截斷場地外來水和場地周邊水為原則。排水溝尺寸可以按匯流面積和雨量計算，要求排水順暢，且能及時引排。設(shè)置的截水溝和邊溝，在平時需要加蓋以確保場地平整、安全。降雨時可以按間隔距離翻起上蓋以觀察，掌握溝內(nèi)水流情況。

2.3.3 加大坑內(nèi)深井排水

重力水的一個重要特點是從高處向低處運動，基坑作為區(qū)域負地形其匯水作用顯著，降雨顯然會加重深井排水負擔，因此降雨期間需要加大坑內(nèi)深井排水量，做好深井泵的維護工作。

2.3.4 加強對觀測井的監(jiān)視

基坑止水帷幕外側(cè)的觀測井可以反映深井降水效果和止水帷幕的作用，必要時還可以利用觀測井實施回灌，以削弱基坑降水對周圍環(huán)境的影響。在雨季觀測并比較基坑周邊回灌井水位及其變化情況可以獲得很多有效信息，利于掌握降水區(qū)域全局情況[4]。

3 結(jié)語

基坑工程降水受環(huán)境條件影響較為顯著，施工中應考慮一定的安全儲備和應對方案。特別是在受梅雨季節(jié)影響的地區(qū)，區(qū)域性持續(xù)性降水會成為地下水補給源，而強降水導致的地表水匯流也會對基坑安全構(gòu)成威脅，因此全面強化排水措施和根據(jù)補給增量確定的降水方案會有助于基坑工程的順利施工。