袁橋西站深基坑承壓水風險評價研究

周蘇紅，彭小莉，燕 珍，尹 崢

(1.徐州市水利建筑設計研究院有限公司，江蘇 徐州 221000；2.徐州市水利工程建設監理中心有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

水利工程建設是城市化進程的重要體現，出于環保角度考慮，其周邊的一系列工程建設都需要盡可能地降低對環境的負面影響。通常情況下，深基坑施工之前，必須利用技術手段適當降低淺層含水層的水位，用來控制基坑的變形程度。但如果工程所處區域的淺層土含水量較高，就需要額外采取真空預降水的方式，以提高土層的滲透性。根據經驗來看，深基坑的施工周期往往相對較長，由數月至一年不等，在此期間需要保證承壓水的水位持續保持在安全閾值范圍內[1-3]。此外，對于深基坑而言，承壓水是一項重要的安全因素，一旦對承壓水的參數判斷有誤，極易出現坑底突涌現象，因此，對深基坑承壓水風險展開全面評價研究具有重要意義。

1 工程概況

袁橋西站位于袁橋閘上奎河西岸，是奎河上建設最早的排澇泵站之一，其土層以粉土和淤泥質壤土為主，同時，發震規律受華北地震群規律支配。由于使用年限較長，擬對泵站原拆原建。泵站設計流量為15.0m3/s，選用4臺立式軸流泵。水泵單機流量3.95m3/s，揚程3.75m，總裝機容量為860KW。

由于袁橋西站地形復雜，交通繁忙，泵站布置受現場實際地形約束較大，采用側向進水側向出水的布置形式，進水池通過圓弧扶壁翼墻引導水流平順進入流道，進水池底板高程由28.00m漸變至27.40m；站身采用堤后式塊基型結構。泵站總長18.7m，寬12.50m，單座泵室凈寬3.5m，隔墩厚為0.9m，機組中心距4.4m；泵站底板高程為27.40m，開敞式進水，水泵后設置ω隔墻，控制室地面高程34.50m；站上出水采用鋼筋砼封閉式出水池，總長18.7m，出水池凈寬6.8m，出水池底板頂高程30.30m，頂高程34.0m。由于該泵站距離故黃河較近，奎河下一般非汛期水位均在30.0m以下，而黃河常水位36.2m，故地下承壓水位較高。

在上述參數信息的基礎上，展開對袁橋西站深基坑承壓水風險研究。

2 深基坑承壓水風險評價

2.1 識別水位降深變化規律

在深基坑工程中，通常會使用止水帷幕作為工具，在大多數時候，地下水滲流環境會出現一些階段性的變化。尤其是在抽水井投入使用后，深基坑的內、外水位也會發生一定變化。包括導水系數在內的水文地質參數，能夠體現出水位降深的變化規律。在本次施工中，袁橋西站以圓形基坑滲流為主，采取無量綱的計算形式。在已知水位降深與抽水井之間的距離條件下，特征水位降深的計算公式為：

(1)

式中，G—特征水位降深，m；η—抽水時間，s；?—導水系數，m/s；σ—基坑半徑，m。為了能夠更直觀地體現水位隨著時間呈現出的變化，在保持抽水量不變的情況下，以止水帷幕未改變承壓含水層為前提，分別描述各個時段的水位變化。在抽水階段的早期，水位降深基本相同，并且在止水帷幕未起作用之前，深基坑內的抽水量都是由坑內的承壓水組成[2-4]。由于水量有限，通常情況下此狀態的持續時間相對較短。根據抽水井的半對數坐標，得出無量綱形式下，總水位降深的計算公式：

(2)

式中，L—總水位降深，m；φ—抽水井的深度，m。當止水帷幕插入深基坑內后，承壓含水層的深度與水位降深之間呈正相關的關系。此階段的抽水量不單是坑內的承壓水，還包括一部分的基坑外部的承壓水，當抽水量全部都變成深基坑外的井水時，標志著水位降深的變化將進入下一個階段。

2.2 設計深基坑小應變硬化土本構模型

考慮到不同的應力路徑對深基坑土體的影響，臨河側的土體大多數都會呈現出中間寬、兩邊窄的特點。即便是開挖初期的水平位移現象并不是十分明顯。但隨著時間推移，會逐漸顯現出一些特殊的特征。從深基坑的總體變形特征來看，當開挖深度與水位同時變大后，擋土墻的水位位移也會隨之變大，此種背景下，對支撐結構的強度要求也會隨之變高[5-7]。當土體的應力增量出現硬化現象時，深基坑的加載模量計算公式為：

(3)

式中，T—基坑的加載模量，N/m2；γ—深基坑周圍土體的有效粘聚力，N/m2；ε—應力相關系數，N/m2；l—支撐剛度模量，N/m2；μ—偏應力，N/m2。考慮到剪切應力與剛度之間的反比例關系，對平面尺寸較大的深基坑中心區域土層進行描述，則土體孔隙比與開挖有效應力之間的關系為：

(4)

式中，h—土體孔隙比與開挖有效應力之間的關系，N/m2；λ—垂直方向的有效應力，N/m2；f—深基坑周圍的土體孔隙比；α—壓縮指數。由于在本次袁橋西站的施工過程中，承壓水的波動均值與幅值波動周期有相似之處，因此在設計深基坑小應變硬化土本構模型時，暫時忽略土體的孔壓響應現象。同時，在模型中引入初始剪切模量系數，則模型的數學表達公式為：

(5)

式中，F—深基坑最小應變硬化土本構模型；β—初始剪切模量系數，N/m2；δ—深基坑周圍土體的閾值剪應變系數。而通常情況下，水平位移區間在3.96～5.25mm之間，但是如果深基坑的兩側擋土墻擠壓變形較為明顯，則會超出標準區間，在這種條件下就需要及時采取干預手段。

2.3 計算承壓含水層安全系數

由公式(1)—(2)可知，對于深基坑的抽水而言，固結系數與承壓水的變化有一定關聯。尤其體現在承壓水的變化周期上，以弱透水層為標志，承壓水的壓力變化越緩慢。也就是說在開挖過程中，滲流路徑的衰減會導致承壓水在流經弱透水層后，會逐漸向深基坑內的方向靠攏。根據承壓水層的結構可知，當固結系數保持不變時，超靜孔壓通常能夠與線性假定結果保持一致，在拋除相位差的情況下，承壓含水層的變化會更為顯著。在深基坑內存在完整井水時，無限承壓含水層的均質和等厚無明顯增大，則深基坑內含水層的滲透系數計算公式為：

(6)

式中，s—深基坑含水層的滲透系數，m/s；Ψ—實測水位降深持續時間，s；H—井內承壓含水層的厚度，m。根據公式(5)可知，在深基坑開挖時，在土體不斷卸荷的影響下，擋土墻與土體之間的荷載變化都可能引起基坑失穩，因此，需要用計算的方式，進一步量化袁橋西站的深基坑安全狀態。如果土體已經達到了極限破壞狀態，則必須采取二次加固的方式，以確保施工安全。根據深基坑土體的折減系數，得出含水層安全系數的計算公式：

(7)

式中，Q—含水層安全系數；ξ—土的擋土墻的彎矩，N·m；α—增量乘子。根據公式(7)的計算結果，在袁橋西站的周邊劃定河坡建設的面積以及設置水荷載區間。在同樣大小的外力荷載條件下，通過加密坡腳處繞點的方式，控制縫隙大小。

2.4 明確風險等級隸屬度

深基坑承壓水風險評價環節主要是通過識別風險因素，然后對各項風險加以評估，從而對各項風險展開評價。結合袁橋西站的施工特征和具體步驟，能夠基本判斷出影響最終施工安全的因素主要可以概括為3個層面，分別是施工管理風險、承壓含水層風險以及環境風險。根據不同的風險事件，以具體數據為標準，建立風險指標等級。并計算各項指標的隸屬度，以得出最終的風險評價結果，具體見表1。

表1 風險評價指標

根據表1可知，將一級風險指標定義為R，將二級指標定義為W，并根據最大隸屬度原則，對上述指標進行隸屬度計算，具體為：

(8)

式中，P—隸屬度；Y—風險源造成的損失，元；M—風險源出現的概率，%。結合上述2級指標的表現特征，能夠對深基坑承壓水風險進行定義，并制定應對措施。同時，根據P值的大小，對各項可能存在的風險加以詳細量化。一些相對影響不大的風險，可以采取干預管理措施，不需要投入過多精力。而對于一些風險較高的事件，則主要是施工開始之前就進行評估，并加以規避。

3 案例分析

由袁橋西站的深基坑具體項目可知，其支撐體系采用砼支撐+鋼支撐的5道混合支撐的模式，具體參數見表2。

表2 袁橋西站深基坑支撐體系

考慮到在實際工程中涉及到的施工因素，薄弱面深度是影響施工安全的一項重要參數。因此，在本環節主要通過出逸比降與坑底弱透水層厚度的變化規律，確定薄弱面深度的閾值，如圖1—2所示。

圖1 出逸比降

根據施工原理以及本次袁橋西站的具體參數可知，出逸比降保持在6以下為安全區間，由圖1能夠看出，當薄弱面深度為5m時最符合要求。而圖2中能夠看出，當薄弱面深度為5m時，坑底弱透水層厚度達到最大，能夠保證袁橋西站深基坑不出現突涌問題。因此，在綜合各項風險因素后，本次施工將薄弱面深度控制在5m左右，安全系數較高。

圖2 坑底弱透水層厚度

4 結語

本次研究以袁橋西站深基坑的承壓含水層為對象，分析其在施工過程中可能存在的風險。并通過構建風險指標和計算隸屬度的方式，明確了各項風險因素的量化結果。為相關的工程建設研究，提供了新的可行性思路。未來的研究方向將更加集中于對相關案例的數據收集，以豐富研究結果。