基坑降水水資源量分析與利用
——以沈陽地鐵4號線為例

崔臺育，劉宇欣，滕炳麓，王興作，申一順，許騰文

(沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

1 引言

基坑降水是基槽開挖時(shí)必要采取的措施。魏小寒等[1]按照國家相關(guān)政策以某陽光小區(qū)基坑降水用水方案為例，對其基坑降水水資源量分析計(jì)算，所取用的地下水可以攔蓄利用或排入河道補(bǔ)充淺層地下水。楊天忠等[2]、Pahl-Wostl C等[3]對如何有效地保護(hù)與利用基坑降水中的水資源進(jìn)行討論，規(guī)范了建筑工程降水對水資源產(chǎn)生的浪費(fèi)及破壞問題使基坑降水做到少排、減排、不浪費(fèi)。南曉飛[4]根據(jù)黃水閘工程基坑開挖較深及地下水資源較為豐富等特點(diǎn)，在滿足工程建設(shè)情況下對基坑降水合理利用、分配及管理進(jìn)行研究討論。Kranz R等[5]解決了工人生活用水問題、環(huán)保降塵問題、材料養(yǎng)護(hù)用水需求等相關(guān)問題，部分水資源還可充當(dāng)農(nóng)業(yè)用水，為施工企業(yè)降低了成本，落實(shí)了“節(jié)水優(yōu)先”方針。黃樹利等[6]認(rèn)為如今絕大多數(shù)工地幾乎仍然采用市政自來水作為施工用水，且施工中用水效率較低，澆(灑)水方式仍是目前大多數(shù)所采取的方式，地下水作為廢水被排走。工程易出現(xiàn)耗水過高、效能低下、用水過量等問題。通過對基坑降水中的地下水資源及雨水進(jìn)行回收利用可有效提高用水效率。郭楓[7]、桑明輝[8]等認(rèn)為目前基坑工程中的地下水資源分為兩類，控制環(huán)境和水資源保護(hù)型，且環(huán)境保護(hù)型相關(guān)研究較少并進(jìn)行研究。馬濤等[9]認(rèn)為連續(xù)墻接縫在局部位置下有薄弱點(diǎn)，為消除危險(xiǎn)因素及降低施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)，對局部地方采取加固處理。

因此，本文以沈陽市地鐵4號線沈陽北站疏干排水的用水方案為例，進(jìn)行了有關(guān)基坑降水水資源量的分析與計(jì)算。使基礎(chǔ)工程順利實(shí)施，且在合理取用水資源的情況下使工程項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益最大化，在不影響環(huán)境的情況下合理排水。

2 基本情況

本次研究項(xiàng)目共包括1座主體車站和6處附屬工程包含2個(gè)風(fēng)道、3個(gè)出入口及1處換乘通道。項(xiàng)目基坑降水期用水主要分為生產(chǎn)用水和生活用水。根據(jù)實(shí)際情況，將沈陽市的沈河區(qū)、鐵西區(qū)、和平區(qū)、大東區(qū)、皇姑區(qū)、于洪區(qū)、渾南區(qū)、沈北新區(qū)、遼中區(qū)、蘇家屯區(qū)作為本文分析范圍，綜合圍繞工程項(xiàng)目周邊，沈陽市各區(qū)域內(nèi)進(jìn)行具體且有效的分析。

本次取水以基坑降水井群中心為圓心，以適當(dāng)?shù)耐庋雍蟀霃絉=1000 m的圓形范圍作為取水影響范圍，影響范圍是3.14 km2，基坑外排水經(jīng)新建排水主管排入新開河，本次研究劃定的排水影響區(qū)域?yàn)榕潘胄麻_河位置下游10 km范圍。

3 地質(zhì)條件及合理性分析

3.1 區(qū)域水文地質(zhì)條件分析

沈陽市地鐵4號線沈陽北站工程范圍內(nèi)的地下水賦存于中粗砂及礫砂等土層中，按埋藏的條件劃分，屬第四系孔潛水，地下水主要補(bǔ)給來源為渾河側(cè)向補(bǔ)給及大氣降水垂直入滲補(bǔ)給。本項(xiàng)目場地內(nèi)含水層厚度H=(實(shí)測地下水位標(biāo)高隔水層頂板標(biāo)高)=26.0-9.7=16.3 m。沈陽市蓄水工程總庫容為6.30億m3；引水工程供水能力1.24億m3；提水工程供水能力0.70億m3；調(diào)水工程總的供水能力為487億m3；全市共有淺水井947萬眼供水能力22.06億m3。沈陽市多年平均蒸發(fā)量月分配情況見圖1。

圖1 沈陽市多年平均蒸發(fā)量月分配

3.2 取用水量合理性分析

為保證挖掘機(jī)與工人在基坑之內(nèi)無水作業(yè)并提高土體強(qiáng)度，防止基坑開挖面發(fā)生坍塌，減少基坑開挖底板隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量，保證基坑周圍建筑物、道路及設(shè)施安全，以及主體結(jié)構(gòu)達(dá)到一定的抗浮能力前，需對場地基坑進(jìn)行降水及取用水合理性分析。

由于場地內(nèi)地下水位較高，為保證基坑范圍內(nèi)含水土層開挖的干法施工及主體結(jié)構(gòu)的安全施工，需進(jìn)行基坑降水，具體情況如下：

(1)根據(jù)實(shí)測結(jié)果，場地地下水為水位埋深約為20 m，相當(dāng)于標(biāo)高為26 m，車站主體基底標(biāo)高為9.997 m，則地下水位高于基坑底。

(2)需將地下水位降低至基坑底(包括集水坑)以下0.5 m。根據(jù)《建筑與市政工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》(JG112016)第52.1節(jié)規(guī)定[10]：基坑范圍內(nèi)的地下水位降至基礎(chǔ)墊層以下應(yīng)不小于0.5 m，另根據(jù)《建筑與市政工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》(JGJ1112016)第517條規(guī)定[10]，滿足本工程項(xiàng)目地下結(jié)構(gòu)施工的要求，本項(xiàng)目取用水是必要且合理的。

4 基坑降水水資源量計(jì)算

4.1 基坑水位降深的計(jì)算

根據(jù)工程特點(diǎn)，采用多種地下水控制方法相結(jié)合的形式。車站主體擬選用“地下連續(xù)墻+坑內(nèi)疏干+坑外泄壓”的降水方法。

根據(jù)降水工期及要求，車站主體與E出入口降水，需將基坑外水位降至標(biāo)高20 m處，以起到坑外泄壓作用，工期較長，考慮一定的地下水漲幅，基坑水位降深詳見表1。

表1 本項(xiàng)目基坑降水情況一覽

4.2 基坑涌水量的計(jì)算

根據(jù)基坑降水井布置情況，綜合確定場地含水層為均質(zhì)含水，基坑涌水量技等效大井法，公式按潛水完整井公式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)潛水完整井計(jì)算公式[12]得：

(1)

式(1)中:K為滲透系數(shù)(m/d)；Q為基坑降水的總涌水量(m3/d)；R為降水影響半徑(m)；Sd為基坑內(nèi)水位降深(m)；H為潛水含水層厚度(m)；r0為沿基坑周邊均勻布置的降水井群所圍面積等效圓的半徑(m)。

4.3 附屬結(jié)構(gòu)涌水量計(jì)算

由于附屬結(jié)構(gòu)1號風(fēng)道、2號風(fēng)道、換乘通道、F出入口、H出入口基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與既有地下結(jié)構(gòu)距離較近，無法封閉布置降水井，故根據(jù)場地情況布置情況，降基坑處地下水位降至基坑底0.5 m。

當(dāng)換乘通道、H出入口開始降水時(shí)，主體結(jié)構(gòu)已停止降水，故坑外水位標(biāo)高按260 m計(jì)算，考慮一定的地下水漲幅，則基坑降深詳見表2。

表2 五處附屬基坑降水情況一覽 m

根據(jù)裘布衣計(jì)算公式計(jì)算基坑外的單井出水量，計(jì)算公式[12]如下：

(2)

(3)

式(2)、(3)中:Q為降水的總涌水量(m3/d)；K為滲透系數(shù)(m/d)，K=71.4m/d；H為潛水含水層厚度(m)；各附屬基坑外水位漲幅+1.0 m，隔水層頂板標(biāo)高97 m；R為降水影響半徑(m)；rw為降水井半徑，取0.2 m。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 五處附屬基坑降水涌水量計(jì)算結(jié)果

經(jīng)上計(jì)算，本項(xiàng)目基坑施工降水期總涌水量為786.99萬m3+910.38萬m3=1697.37萬m3。

5 取水及退水影響論證

5.1 取水對水資源的影響

經(jīng)計(jì)算得出施工期間總涌水總量為1697.37萬m3，基坑降水主要為第四系孔隙潛水，含水層厚度、埋藏深度較均勻穩(wěn)定，論證區(qū)第四系孔隙水補(bǔ)給來源主要為徑流的側(cè)向補(bǔ)給和降水入滲補(bǔ)給。由于項(xiàng)目基坑降水運(yùn)行時(shí)間較短，基坑涌水量較小，故可得出基坑降水對區(qū)域水資源的影響時(shí)間相對較短，地下水資源量將在降水停止后逐步恢復(fù)綜上分析，本次項(xiàng)目基坑降水對區(qū)域地下水資源狀況影響是短歷時(shí)的、暫時(shí)的。

根據(jù)地理位置圖查明本次討論區(qū)域位于渾河距離為76 km左右，該河段的水功能區(qū)為“渾河干河子攔河壩農(nóng)業(yè)用水、飲用水源區(qū)”。經(jīng)計(jì)算基坑降水最大影響半徑為8321 m，則明確該水功能區(qū)位于影響半徑范圍以外，故此次研究取水對渾河水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)及使用功能無影響。由于本次基坑降水為臨時(shí)工程，水位降深較小，工期較短，工程結(jié)束后水位能夠逐漸恢復(fù)初始水位，不會形成長期降落漏斗，由此可得出本次基坑降水對生態(tài)系統(tǒng)影響較小。

5.2 退水(排水)總量、主要污染物濃度及排入規(guī)律

(1)基坑降水期退水總量為1966 m3，為保護(hù)環(huán)境節(jié)約用水，故考慮采用生活退水及車輛沖洗退水，退水排入污水管網(wǎng)后最終再排入污水處理廠，降水施工期間利用間斷排放的方式經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后再進(jìn)行排放。

(2)施工期間排水系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃，由降水井、基坑四周集水干管、沉沙設(shè)施、計(jì)量設(shè)備、排水主管等組成，基坑降水期外排水總量為1696.65萬m3，主要污染物及濃度:根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，本次所檢測各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于地表水Ⅳ類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，降水施工期間的排放規(guī)律為連續(xù)排放。

5.3 退水方案及對水生態(tài)的影響

退水考慮采用生活及車輛沖洗退水，排入市政污水管網(wǎng)，應(yīng)最終排入污水處理廠，處理達(dá)標(biāo)后再進(jìn)行排放，基坑外排水沉砂后經(jīng)專項(xiàng)排水管線排入新開河。為確保地下水暗排放，避免污染水體，故考慮設(shè)計(jì)方案應(yīng)用現(xiàn)場設(shè)置降水井，集水管、沉砂池，并進(jìn)行覆蓋。基坑降水期間整個(gè)項(xiàng)目用水共有2處水源：一是市政管網(wǎng)供給，二是基坑降水利用供給，由于基坑降水利用用水量較小，遠(yuǎn)小于基坑涌水量，可知基坑降水利用水源是可靠的。退水為生活及車輛沖洗退水，退水排入市政污水管網(wǎng)，最終排入污水處理廠，處理達(dá)標(biāo)后排放，因此退水對水生態(tài)無影響。

外排水排入新開河，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，本次所檢測各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于地表水Ⅳ類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，新開河為城市景觀用水，外排水水質(zhì)優(yōu)于新開河水質(zhì)，由此可分析出排水增加了河道生態(tài)流量，有利于沿線生態(tài)環(huán)境的改善，增加水體自凈能力，并且增加了景觀用水，故基坑排水最終對新開河生態(tài)和水質(zhì)產(chǎn)生積極影響。

5.4 環(huán)境保護(hù)措施

抽水對建筑基礎(chǔ)或地面環(huán)境可能產(chǎn)生兩個(gè)方面的影響：一是抽水導(dǎo)致的水位下降相關(guān)問題，使土體的自重應(yīng)力增加而引起沉降量增大[13]；二是地下水滲流引起的滲透破壞，抽水井在確保不抽取含水層中細(xì)小顆粒或產(chǎn)生顆粒運(yùn)移時(shí)，對建筑的基礎(chǔ)不會產(chǎn)生影響[14]。因此，建議降水井外包尼龍網(wǎng)密度不宜大于40目，防止含水層細(xì)小顆粒被降水井抽出，導(dǎo)致地面和周邊建筑物沉降。為防止特殊情況發(fā)生，基坑降水前建設(shè)施工單位需擬定完整的基坑周邊地面和周邊建筑物的沉降監(jiān)測方案并實(shí)施。

建立沉降監(jiān)測網(wǎng)在降水工程實(shí)施之前，要根據(jù)降水設(shè)計(jì)中計(jì)算的抽水影響范圍和該范圍內(nèi)的典型建筑布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，在抽水期間要進(jìn)行連續(xù)沉降監(jiān)測，若累計(jì)沉降量接近預(yù)警值時(shí)，及時(shí)上報(bào)且采取必要措施。

6 結(jié)論與討論

通過采用多種地下水控制方法相結(jié)合的形式對沈陽市地鐵4號線沈陽北站站基坑降水，選用“地下連續(xù)墻+坑內(nèi)疏干+坑外泄壓”的降水方法，通過計(jì)算得出施工期間總涌水總量。經(jīng)分析，本可得出結(jié)論：

(1)此次研究的項(xiàng)目工程具有階段特性，施工完成后不再取水，故此工程取水對水生態(tài)環(huán)境影響較小。

(2)退水在處理達(dá)標(biāo)后再進(jìn)行排放，同時(shí)可對地下水資源進(jìn)行進(jìn)一步利用，例如排入河道及補(bǔ)充淺層的地下水等，可對環(huán)境產(chǎn)生積極影響。

(3)為避免本工程對環(huán)境造成沉降等破壞可采取措施，例如實(shí)施建立沉降監(jiān)測網(wǎng)等方法，且接近預(yù)警值及時(shí)采取相應(yīng)措施。

對于不同工程降水和排水對區(qū)域水資源、水功能區(qū)、生態(tài)系統(tǒng)及其他用水對環(huán)境產(chǎn)生的影響各不相同，當(dāng)基坑降水量較大時(shí)，實(shí)際上可以對地下水資源進(jìn)行合理利用，當(dāng)某些地區(qū)水資源較為短缺時(shí)，還可對該地區(qū)地下水資源充分利用如農(nóng)田灌溉、排入河流、場地除塵、車輛沖洗、混凝土養(yǎng)生等，加強(qiáng)施工管理，全面落實(shí)各項(xiàng)水資源保護(hù)措施，從各個(gè)方面把節(jié)水放在優(yōu)先位置使其減少對水資源浪費(fèi)，對社會產(chǎn)生良好效益，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保目標(biāo)。