富水區降水方案影響要素分析與應用*

李建全，孟 武

(1.天水市城市建設投資中心，甘肅 天水 741000； 2.天水市人民防空辦公室，甘肅 天水 741000；3.建材天水地質工程勘察院有限公司，甘肅 天水 741000)

0 引言

基坑降水引起的地面沉降是較復雜且緩慢的過程，是滲流場與應力場耦合作用造成的現象。基坑施工過程中，不良的水文地質會造成流砂、管涌、坑底突涌等危害，所以需控制基坑地下水水位。基坑降水工程經過了長時間的發展，降水與堵水等相關理論技術已在大量工程項目中得到應用。

國內外專家學者針對基坑降水引起的周圍地面沉降原因進行了廣泛研究。Meinzer[1]在研究地下水過程中于1923年第1次定義了地面沉降概念。Helm[2]結合水位變化與土體應力間的相互關系，提出了因土體應力改變引起的地表沉降問題。謝康和等[3]對成層土中基坑開挖降水引起的土中應力變化及周圍地表沉降求解方法進行了研究，認為基坑降水及由此引發的滲流使土中有效應力改變是基坑周圍地表發生沉降的根本原因。何世秀等[4]基于抽水引起地層含水層壓密原理研究了地表沉降問題，相關研究成果在實際工程中得到了應用。加青雙等[5]采用SEEP/W對不同土體滲透系數在不同深度止水帷幕情況下的基坑降水效果進行了分析，認為滲透系數越大，止水帷幕深度越深，降水效果越好。

在工程應用方面，徐永亮等[6]研究了深厚卵石地層超深基坑降水問題，并以實際工程為背景，模擬論證并優化了開放式施工降水方案。劉宏揚等[7]應用理論計算和數值模擬相結合的方法研究了復雜條件下工程降水對減小周邊環境影響的控制手段，優化并完善了施工技術。楊強等[8]應用Visual Modflow三維地下水流動模擬軟件對實際工程基坑降水進行了模擬分析，實現了降水過程可視化展現。李曙光等[9]研究得出了富水軟土地區一次性降水和分步降水工況下的基坑周圍地表沉降規律。李瑩等[10]采用井點降水法，開展了水利工程中河道軟基超大深基坑降水施工方法和質量控制方法研究等，形成了詳盡的基坑降水方法。張亞龍等[11]以西安地鐵6號線施工為背景，結合理論分析及現場監測研究了降水方案及施工關鍵參數，得出止水帷幕聯合坑內降水工藝能夠有效實現飽和軟黃土基坑降水的結論。本文依據現有研究成果，以雅魯藏布江南Ⅰ級階地某工程為背景，對影響降水效果的因素進行了模擬分析。

1 工程概況

本工程位于西藏山南地區雅魯藏布江南岸、羊卓雍湖東北部，具有海拔高、受地表水和淺層江湖水影響顯著的特點。場區北側為雅魯藏布江，水量豐富，但枯、豐水期流量差別較大。

場區地下水水位高，江水與地面的高差小，地形坡降小，排水不暢。場區內含水層主要為砂卵石層，賦存孔隙潛水或微承壓水，主要由大氣降水、場區南西側方向的地下及地表徑流補給，由地表徑流向雅魯藏布江排泄和人工取水排泄。勘探時測得穩定水位為1.600～2.600m，一般為2.000m，微承壓性，承壓水頭一般≤1.000m。

根據前期勘察資料，豐水期地下水水位一般<0.500m，大雨過后，消水期一般為1～3d。據調查，枯水季節地下水水位下降，降深一般為1～2m，單井出水量>2 500m3/d，砂卵石層滲透系數為150m/d。

2 地下水降水控制方案設計

2.1 控制計算

本工程場地±0.000m標高根據現場確定，場地類別為Ⅱ類，含水層為單層，屬降水工程的中等復雜場地。該場地地下水屬孔隙潛水，卵石層深部透水性好，各井均按非完整井考慮，采用JGJ 111—2016《建筑與市政工程地下水控制技術規范》規定的公式計算條形基坑涌水量，得到基坑涌水量為61 721.41m3/d，管井單井涌水量為2 593.39m3/d，根據經驗，實際單井涌水量僅為理論單井涌水量的50%～80%，本文按50%取值，故實際單井涌水量為1 296.7m3/d，降水井數量為60口。

考慮施工期處于豐水期，地下水水位漲幅為1～2m，計劃設置16口基坑降水備用降水井、2口觀測井，最終設置80口降水井。根據現場情況，降水井平均間距約為10，15m。

降水井深度可根據基底深度、降水深度、含水層埋藏分布、地下水類型、降水井設備條件及降水期間地下水水位動態變化等因素確定，經計算，降水井深度取-16m。

2.2 控制方案

1)降水井布設

按計算得到的降水井數量沿基坑開挖線外側1m處環形布設降水井，圈閉整個基坑，整個基坑周長約1 162.18m，降水井按均勻布置原則進行定位，北側相鄰井間距為10m(該側有護壁)，南側相鄰井間距為15m，東、西側相鄰井間距為14.4m。本文采用大井法計算模型，即將整個基坑看作1口大井，基坑涌水量與抽水井出水量平衡后水位下降，得到降水深度。降水井布置方案如圖1所示。

2)降水井結構

單個降水井成井直徑一般為800mm，且≥650mm，井身應保持垂直、不縮徑。降水井采用螺旋鋼管，其外徑為377mm，內徑為365mm，包括濾水管和盲管。

單個管井布置方式為：底部設置盲管用于沉砂，長度為6m；其上透水層設置濾水管，長度為6m；最頂部設置盲管，長度為4m。

3)降水設備

采用QS型深井潛水泵進行管井降水，出水量約為80m3/h，所用水泵流量為80m3/h，揚程≥20m，額定功率為11～15kW。

3 數值模擬分析

3.1 模型參數

1)土層參數

根據本工程地質勘察報告，假定土體模型潛水層共30m厚，由上而下分別為0.8m厚雜填土層、1.0m厚粉質黏土層、1.5m厚圓礫石層、26.7m厚砂卵石層。地下水水位為-1.500m。土層參數如表1所示。雜填土層主要成分為砂卵石，滲透系數較大。對于滲流降水計算，主要影響因素為土層滲透系數。

表1 土層參數

2)土體模型

考慮基坑降水對周圍環境的影響，利用PLAXIS 3D軟件建立土體模型，模型長600m、寬100m、深30m，自上而下依次為0.8m厚雜填土層、1.0m厚粉質黏土層、1.5m厚圓礫石層、26.7m厚砂卵石層，如圖2所示。

3)井點降水模型

利用PLAXIS 3D軟件建立井點降水模型，如圖3所示，模型長540m、寬45m，模型長邊設置38口井，井間距14.59m，模型短邊設置4口井，井間距15m。降水井深度設置為-16m，降水井最大排水量為1 500m3/d，最低降水水位為-15.000m。

4)止水帷幕模型

利用PLAXIS 3D軟件建立止水帷幕模型，如圖4所示，止水帷幕布設于降水井外側3m處，模型長546m、寬51m、深25m，為不透水界面。

5)滲流邊界模型

土體模型的四周滲流邊界條件設置為水頭-1.500m且為常量，底部滲流邊界條件設置為已關閉，如圖5所示。

6)模型網格劃分

本模型共劃分87 492個單元，如圖6所示。

3.2 計算結果

基坑降水主要取決于基坑排水量和補水量，當排水量大于補水量時，基坑水位下降；當排水量等于補水量時，基坑處于穩定滲流狀態，基坑水位保持不變；當排水量小于補水量時，基坑水位上升。

計算結果表明，基坑中心降水后，最低水位為-4.160m，滿足基坑開挖要求。

4 不同參數對降水深度的影響分析

4.1 止水帷幕設置與否

計算得到未設置止水帷幕時的基坑中心降水后最低水位為-2.630m。與設置止水帷幕的情況相比，可知設置深25m的止水帷幕可使基坑中心降水后的最低水位減小1.53m。

設置土層滲透系數分別為150，200，250m/d，計算得到設置與未設置止水帷幕時基坑中心位置最大降水深度，如表2所示。

表2 不同滲透系數下基坑中心位置最大降水深度

由表2可知，隨著基坑土體滲透系數的增大，基坑中心位置最大降水深度呈減小趨勢，相同滲透系數下，不設置止水帷幕會影響基坑中心位置降水效果，使中心位置最大降水深度減小。這是因為進行基坑降水時，若不設置止水帷幕，對于滲透系數較大的土層，基坑外的地下水將源源不斷地匯入基坑內，使基坑降水達不到理想效果；當設置止水帷幕時，基坑外的水匯入基坑內須繞過止水帷幕，延長了地下水滲透路徑，減小了地下水水力梯度，使地下水滲流速度減小，從而降低基坑補水量，當排水量大于補水量時，基坑水位下降。因此，當基坑處于滲透系數較大的土層時，進行基坑降水須設置止水帷幕。

4.2 降水井最大排水量

為研究降水井最大排水量對基坑降水深度的影響，設置降水井最大排水量分別為1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，4 000m3/d，計算得到對應的基坑中心位置最大降水深度分別為-3.89，-4.16，-4.43，-4.72，-4.98，-5.72m，可知隨著降水井最大排水量的增加，基坑降水后中心位置最大降水深度近似呈線性關系降低。這是因為當止水帷幕深度一定時，地下水匯流界面高度和滲流路徑長度是一定的，基坑補水量主要取決于地下水滲流速度，滲流速度又與止水帷幕內、外的水位差呈線性關系，因此，當線性增大降水井排水量時，基坑排水量隨之線性增大，而止水帷幕外水位基本保持不變，在達到穩定滲流的情況下，又因補水界面和滲流路徑一定，止水帷幕內、外的水位差隨之線性增大，所以基坑中心位置降水深度近似呈線性關系降低。

4.3 降水井數量

為研究降水井數量對基坑降水深度的影響，將降水井數量分別設置為50，60，70，80，90口，計算得到基坑中心位置最大降水深度，如表3所示。

表3 不同降水井數量下基坑中心位置最大降水深度

由表3可知，隨著降水井數量的增加，基坑中心位置最大降水深度近似呈線性關系降低。這是因為當止水帷幕深度一定時，地下水匯流界面高度和滲流路徑長度是一定的，基坑補水量主要取決于地下水滲流速度，滲流速度又與止水帷幕內、外的水位差呈線性關系，因此，當線性增加降水井數量時，基坑排水量隨之線性增大，而止水帷幕外水位基本保持不變，在達到穩定滲流的情況下，又因補水界面和滲流路徑一定，故止水帷幕內、外的水位差線性增大，所以基坑中心體位置降水深度近似呈線性關系降低。

4.4 潛水含水層厚度

為研究潛水含水層厚度對基坑降水深度的影響，分別設置潛水含水層厚度為30，35，40，45m，計算得到對應的基坑中心位置最大降水深度分別為-4.16，-3.80，-3.51，-3.27m。當潛水含水層厚度由30m增至35m時，基坑中心位置最大降水深度減小了0.36m；當潛水含水層厚度由35m增至40m時，基坑中心位置最大降水深度減小了0.29m；當潛水含水層厚度由40m增至45m時，基坑中心位置最大降水深度減小了0.24m。當止水帷幕深度固定時，潛水含水層越深，基坑外部向內部補水的匯流界面越高，補水量越大。但潛水含水層越深，地下水滲流路徑越長，滲流速度越慢，補水量較少，因此在潛水含水層厚度增幅一定的情況下，其對基坑中心位置降水深度的影響較小。

4.5 止水帷幕深度

未設置止水帷幕時，基坑中心降水后，最低水位為-2.630m。當止水帷幕深度為-15m時，基坑中心降水后，最低水位為-3.020m。當止水帷幕深度為-20m時，基坑中心降水后，最低水位為-3.570m；當止水帷幕深度為-25m時，基坑中心降水后，最低水位為-4.230m。當止水帷幕深度由0m變至-15m時，基坑中心降水后最低水位僅減小了0.39m，降水效果不明顯；當止水帷幕深度由-15m變至-20m時，基坑中心降水后最低水位減小了0.55m；當止水帷幕深度由-20m變至-25m時，基坑中心降水后最低水位減小了0.66m。這是因為降水井深度為-20m，在-15～0m深度范圍內設置止水帷幕時，雖在一定程度上延長了地下水滲流路徑，但對地下水滲流的影響較小，起不到止水效果；在-20～-15m深度范圍內設置止水帷幕對地下水滲流的影響較大，同時，止水帷幕越深，地下水從基坑外向基坑內匯流的界面高度越小，所以基坑最低水位降低較多。當止水帷幕深度達-30m時，為落地式止水帷幕，完全隔絕外界地下水向基坑內滲流，基坑中心降水后最低水位降低更多。

5 結語

降水是基坑工程的重要環節，高富水砂礫地層滲透系數較大，在影響半徑高達1.5km以上的情況下，本文對地下水控制方案及不同參數對基坑降水效果的影響進行了深入分析，得出以下結論。

1)按是否設置止水帷幕進行了模擬計算，當設置止水帷幕時，基坑外的水匯入基坑內須繞過止水帷幕，延長了地下水滲透路徑，減小了地下水水力梯度，使地下水滲流速度減小，從而有效降低了基坑補水量，可較大幅度提高水位降深。

2)隨著降水井最大排水量的增加，基坑排水能力增強，基坑降水后，基坑中心位置最大降水深度隨之降低。但降水井最大排水量是有限的，不可能無限增加，所以實際工程中，一般通過增加降水井數量的方式達到提高基坑排水能力的目的。

3)當線性增加降水井數量時，基坑總排水量線性增大，當達到穩定滲流時，基坑排水量與補水量相等，而補水界面一定、滲流路徑基本保持不變，止水帷幕內、外的水位差線性增大，由于止水帷幕外水位基本保持不變，使基坑中心位置最大降水深度近似呈線性關系降低。

4)隨著潛水含水層厚度的增加，降水后基坑中心位置最大降水深度逐漸上升，且上升趨勢隨著潛水含水層厚度的增大逐漸趨緩。

5)止水帷幕深度對地下水滲流的影響較大，止水帷幕深度越大，地下水從基坑外向基坑內匯流的界面高度越小，所以基坑最低水位降低較多。當止水帷幕為落地式止水帷幕時，完全隔絕了外界地下水向基坑內滲流，基坑中心降水后，最低水位降低更多。