滲流風險識別與控制對工程影響分析

韓桃明，趙振晉，王先忠，陳 亮，楊秀峰

(1.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省特殊巖土環境控制工程技術研究中心，河南 鄭州 450008)

1 概述

地下水是指埋藏在地表以下各種形式的重力水。地下水是能夠自由流動的水，當存在水頭差時，就會從水頭高處向低處滲流，在巖土體中容易產生滲透變形破壞。因此地下水是巖土工程領域中的重要自然因素，地下水滲流對巖土工程設計、施工及環境的影響最大也最復雜。地下水滲流破壞影響著工程周圍人民生命財產的安全、影響著工程項目安全順利建設，對社會穩定和經濟可持續發展有著重要的意義[1]。許多重大的工程問題都是由于地下水滲流引起的，而解決這些問題的關鍵就在于地下水滲流的風險識別與控制。

2 地下水滲流破壞風險

首先，地下水在自然界中普遍存在，地下水及其滲流在地下巖土中是客觀存在，而工程建設的基礎一般位于巖土層中，因而地下水及其滲流是一種自然風險；其次，地下水滲流引起的巖土體變形破壞可能發生并造成損失，甚至重大損失，也可能不發生，不造成損失；再次，地下水位隨年度及季節變化，項目實施的各個階段對地下水位及其滲流控制的要求是不同的，不同行業對地下水滲流控制的要求也不同，同時不同巖土體的滲透性也不同[2]。地下水及其滲流對于項目的有關各方可能會有不同的風險，而且對于不同主體的影響是不同的甚至是截然相反的。地下水及其滲流滿足風險的性質，是一種客觀存在的自然風險和外部風險，在工程建設時是影響工程建設的一種重要風險，且是不可避免的。因此在項目實施的過程中應識別分析地下水滲流的風險及其影響。采取經濟合理的控制措施，減輕風險。

3 地下水滲流破壞風險識別

地下水滲流風險識別時應注意借鑒以往工程經驗，特別是已完工項目的成功經驗[3]。同時可運用“逆向思維”方法來審視分析地下水滲流破壞的各因素，尋找地下水滲流造成項目損失的各種風險因素或其組合。地下水滲流的過程是一個能量轉換的過程，遵守能量守恒方程。因此在滲流破壞風險分析時應對影響地下水滲流能量轉換的各種因素進行分析，識別出各風險因素的影響大小。

地下水滲流與巖土體孔隙、裂隙、顆粒組成等物理力學作用密切相關，地下水滲流影響巖土體的應力狀態，而應力狀態又改變使巖土體中孔隙、裂隙發生變化，從而使地下水流動的水力特征發生了變化[4]。因此在地下水滲流作用下巖土體的滲透變形特征是根據土的顆粒組成、密度和結構狀態等因素綜合分析確定。土顆粒的組成不同，因地下水滲流而引起的滲透變形類型也不同。

地下水滲流破壞風險識別時首先要了解場區的地下水位情況，包括上層滯水、潛水和承壓水的水位高程、埋深，以及與工程建基面的關系。其次要了解工程場區的巖土性狀，因不同巖土體，滲透變形類型不同。若場區為無黏性土和黏性土，當滲透力大于土的有效重度時，土粒處于懸浮狀態而形成流土破壞；當場區為無粘性土，且缺失中間粒徑時，土的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中流動，以至流失，逐漸形成管形通道而形成管涌破壞[5]；當場區存在2種不同粒徑組成的巖土層，地下水滲流沿層面帶走細顆粒而形成接觸沖刷破壞；當場區巖土層層次分明，存在滲透系數相差很大的兩層土，當地下水滲流垂直于層面運動，將細顆粒帶入粗粒層中時而形成接觸流失破壞；當場區地基為弱透水層，而下部承壓含水層中承壓水頭較高，大于上覆土體的有效重度時形成基底隆起或突涌破壞[6]。另外，應對場區周邊環境進行調查，識別出場區附近影響地下水滲流破壞的地埋管道、地表水體等外部風險。

4 地下水滲流風險控制措施

地下水滲流風險控制對巖土工程的質量、安全、造價、地下水環境的影響比較大，若發生事故對社會影響也較大，因此在工程建設時特別是基坑、邊坡等容易造成地下水滲流破壞的工程建設時更應注意地下水滲流的風險控制。由于地下水滲流與巖土體孔隙、裂隙、顆粒組成等物理力學性質密切相關，因此地下水滲流控制時要充分考慮巖土體的孔隙、裂隙、顆粒組成等物理力學性質，根據場地巖土性狀來采取適當的控制措施。

地下水滲流總體控制措施為“上游擋，下游排”[8]，包括①采用不透水材料或者完全阻斷土中的滲流路徑；②增加滲透路徑，減小水力坡降；③在滲流出逸處布置減壓、壓重或反濾層防止流土或管涌的發生。目前應用最廣、最為成熟的地下水滲流控制方法主要為降水(減少水力坡降)和隔水(阻斷滲流路徑)2大類。采用降水方案(減少水力坡降)進行地下水控制，必要時還需進行回灌，以減小降水對周邊環境的影響，同時也減小水資源的浪費。

地下水滲流風險控制的具體措施包括：

(1)當場區巖土層為黏性土、砂土和碎石土地層，含水層較薄，降水深度較小(一般不超過2m)，且不易產生流土和管涌等變形破壞現象時可采用明排的降水方法。

(2)當巖土層的滲透系數為0.1～20m/d，降水深度不超過6m時，可用真空井點降水，同時可采用坑內明排相結合的方法。

(3)當巖土層的滲透系數為0.1～20m/d時，且主要為上層滯水或水量不大的潛水，降水深度不超過20m時可采用噴射井點，同時可采用坑內明排相結合的方法。

(4)當巖土層的滲透系數為1.0～200m/d時，水量較大的潛水或承壓水含水層，降水深度超過5m時，可采用管井降水，同時可采用坑內明排相結合的方法。

(5)當基坑坑底為不透水層或弱透水層，其下為承壓水層時，基坑開挖后，下伏的承壓水可能使基坑底部出現突涌、隆起、流土等破壞時。應采用管井降水進行減壓。

(6)當存在多層含水層，且下部含水層的水位低于上層水位時，可以通過井孔或砂井等將上層水導滲到下層含水層中，如混合水位滿足降水要求，則可自然降低地下水位，如混合水位不滿足降水要求，可通過管井抽降下層地下水實現降低地下水位的目的。也可以采用抽滲結合的方法，達到更好的效果。但采用導滲井時應注意淺層地下水對下部地下水的污染問題。

(7)若采用降水方法進行地下水的滲流控制，不可避免會造成場區周圍的地下水位降低，從而使其地基土的有效應力增加，產生新的固結沉降。由于受影響區域地下水下降的幅度不同，以基坑為中心呈漏斗狀，其地基土產生的固結沉降也不均勻，因此易造成對周圍受影響區域內建筑物的破壞，尤其在軟土地區更為明顯。為減少這類影響，可在場區降水的同時，周邊采取回灌的措施，維持需要保護區域的地下水位基本不變，以達到保護周圍建筑物安全的目的。

(8)當采用降水方法時應加強對排水地點周邊環境的調查，以防止場區降水倒流而形成二次滲流破壞。

(9)隔水方法幾乎不受工程地質和水文地質條件的限制，當場區為軟弱土或臨近大型地面水體時尤為適用，可在場區開挖前環繞場區四周作封閉的隔水帷幕，阻止地下水向基坑內滲流，同時可采用降水方法控制坑內的地下水水位，以達到坑內無水作業，控制地下水滲流的目的[9]。

由于工程場區巖土性狀、周邊環境及支護形式各不相同，地下水滲流風險控制時應綜合考慮各因素的影響，往往是采用多種控制相結合的方法來進行地下水滲流控制。

5 地下水滲流破壞案例

某項目位于平原新區，建筑面積約為160000m2，地下面積暫約47000m3，場地呈長方形，規劃用地東西寬約240m，南北長約260m，周長約1000m。項目西側、東側和北側為規劃道路，現狀場地3面均為耕地，而南側為市政道路，道路西側不通。

場地地貌單元為黃河沖積平原，地面高程約83.95～84.59m，最大高差0.64m。場地為耕地，上部一般有30cm的耕植土，下部為粉土局部夾粉砂厚約5m，其下為厚約7m的粉質黏土，粉質黏土下部為粉土和粉細砂。場地實測地下水初見水位位于自然地面下5.6～7.6m左右，穩定地下水位位于地表下5.9～8.1m左右，絕對標高76.42～78.25m。

基坑設計深約5.0～5.75m，基坑南側采用懸臂樁、掛網、噴混凝土支護，其余3側采用放坡、土釘墻的支護方式。基坑坑內采用降水井降水方案。基坑邊坡巖性主要為粉土局部夾粉砂，基坑底巖性主要粉質黏土。

基坑南側市政道路雨水管道距南側基坑邊垂直距離約5m，基坑開挖施工時基坑降水通過集水管全部排入鄰邊雨水管道中，但因雨水管道不通，且密封不嚴，管道距基坑較近，且下部為粉質黏土層為相對隔水層，因此雨水管道中的水通過滲漏滲入上部粉土及粉砂層中，形成上層滯水，后基坑剛開挖至坑底，加以第2天晚上降雨影響，坑內外形成約4m高的水頭差，在坑底出現了土體的滲透破壞現象為流土(砂)，如圖1所示。冠梁外側土體出現沉陷裂縫，道路瀝青路面出現裂縫寬約1cm的裂縫。在第28天護坡混凝土出現開裂，在此期間基坑降水依然是排入市政雨水管道。第32天在基坑外側部分采用了攪拌樁對坑壁進行了支護補強，但攪拌樁施工軸線距冠梁約1.5m，攪拌樁施工過程中使冠梁彎曲變形，護坡樁內土體坍塌，如圖2所示。再次坍塌后施工人員將基坑降水全部集中排往距基坑約200m的排水溝中，并將基坑附近雨水管道中的積水進行了抽排，后基坑未再出現坍塌現象。

圖1 滲透破壞初期

圖2 護坡樁間土體坍塌

基坑底部為弱透水層，邊坡為粉土和粉砂為弱-中等透水層，由于基坑降水排入雨水管道，使管道水位升高，管道水滲入地下形成上層滯水，從而使基坑內外形成水頭差，邊坡土體處于飽和狀態，土體的c、φ值大大降低，同時邊坡土體由于護坡樁施工被擾動，在壓力水頭下，邊坡出現滲透變形破壞，破壞形式為流土(流砂)，如此惡性循環，最終導致基坑邊坡坍塌；基坑外攪拌樁的施工距冠梁太近(約1.5m)，攪拌樁施工時的微弱擠壓力導致冠梁變形。施工震動使邊坡土體擾動破壞，加快了基坑邊坡的坍塌速度。

6 結語

綜上所述，地下水滲流破壞風險與影響地下水滲流的各因素相關，因而在風險識別時應從場區地下水水位、巖土性狀及其組合，以及周邊環境特征依次進行分析識別，并應注重各種因素的相互組合情況。地下水滲流控制總體措施為“上游擋，下游排”，具體控制措施為明排降水、井點降水、減壓、導滲、回灌和隔水帷幕。但由于地下水滲流破壞風險往往是多種因素的組合，因此在實際工作中應根據場區地下水滲流風險識別情況，采取一種或多種控制方法進行地下水滲流控制。