双层地基排水减压和基坑降水设计

杜林

（安徽省水利水电勘测设计院，合肥 230000）

双层地基排水减压和基坑降水设计

杜林

（安徽省水利水电勘测设计院，合肥 230000）

双层地基常由于弱透水层的阻水作用，使得下卧强透水层水压较大，以致地基发生渗透变形破坏，故双层地基上修建泵站应特别重视排水减压设计。同时基坑开挖减小了弱透水层厚度，坑底易发生流土等渗透破坏。结合龙滩庵泵站工程设计实例，以双层地基减压井渗流计算为依据，论述了双层地基修建泵站时的排水减压和基坑降水设计，工程施工和实际运用均得到了进一步验证。

双层地基；泵站；降水；减压井；渗流稳定

排涝泵站多临河而建，地基通常受到河湖相沉积、河道演变等影响，地层较复杂。上部分布壤土等弱透水层，下卧砂层、卵砾石层等强透水层的二元地层结构最为常见。在双层地基上修建泵站，应特别重视上部弱透水层阻水作用造成下卧强透水层水压较大的影响，特别是泵站的前池部位，弱透水层厚度大幅减小，下卧强透水层水压过大，极易造成前池地基渗透破坏，进而危及站身及其他建筑物稳定，故在双层地基上修建泵站，地基渗流分析和计算不能采用单一地层一维理论计算，应按双层地基模型计算，并根据计算成果做好前池的减压设计，降低地基中的渗透水压力。同时由于基坑开挖，在四周渗流作用下基坑形同减压沟井，如何有效降低基坑内地下水位，保证基坑稳定和干地施工是工程顺利施工至关重要的环节。

本文结合龙滩庵泵站工程设计实例，采用基于前池简化为减压井的双层地基渗流计算成果，论述了在双层地基上修建泵站时，前池两侧布置减压深井同时，前池底板布置大孔径排水孔的工程措施，对地基渗流稳定起到了很好的减压效果。文中也论述了结合减压井设计布置降水深井的基坑降水设计方案，保证了工程的顺利施工。

1 工程概况

龙滩庵泵站位于舒城县杭埠镇圩区丰乐河右岸，是一座以排涝为主的泵站，泵站设计抽排流量16.0m3/s，选用5台立式轴流泵和1台立式潜水泵，总装机2180kW，工程规模为中型泵站。泵站设计采用堤后式布置，湿室型泵房，沿顺水流向依次布置引水渠、进水闸、前池、泵房、压力水箱、排涝控制闸、穿堤涵洞和出口防洪闸。

站址处地层自上而下主要分布有重粉质壤土、淤泥质重粉质壤土、细中砂层、砂砾石层和泥质砂岩层，各层渗透系数建议值分别为K重=2.0E-5cm/s，K淤= 4.0E-6cm/s，K砂=1.0E-3cm/s，K砾=5.0E-2cm/s，泥质砂岩层为相对不透水层。

勘测期间观测地下水埋深0.60m，地下水类型主要为孔隙潜水和孔隙承压水。孔隙潜水主要分布于上部壤土层，为主要含水层，其补给源主要为地表水和大气降水。孔隙承压水主要分布在下部细中砂、砂砾石层中，具有一定的承压水头，其补给来源主要是远处地表径流和降水。

2 减压设计

根据地质勘察成果，龙滩庵站址处上层重粉质壤土和淤泥质重粉质壤土为弱透水层，可转换为单一均质土层，细中砂层、砂砾石层可转换为强透水性的单一均质土层，转换后土层渗透系数取等效渗透系数［2］，等效渗透系数比值大于100，为典型双层地基结构。泵站建基面主要位于重粉质壤土层，站身及前池段直接坐落在砂基上，站基范围内渗流出逸主要集中在前池出流。根据该地区相关工程经验［3］和渗流分析初步结果，站基抗渗稳定不能满足设计要求，而枯水期地下潜水水位一般也在8.8m高程，对前池检修时的站基抗渗稳定构成威胁。由于砂砾石层厚度较厚（局部孔未钻穿），设计截渗难以取得成效，故工程设计时采用排水减压措施，以降低渗流位势。

根据工程布置特点，减压措施主要为设置减压井。布置的减压井主要有两种：①利用部分施工期降水深井（7#～11#井，位置如图2），后期改建为永久减压井，在深井井口建井盖，并采用管道引至前池，汛期利用其自排，前池检修时利用其抽排。②在泵站前池底板上布置φ500@2.0m×2.5m大口径排水孔，孔内填20～40mm级配碎石，前池底板底部在细中砂层顶面，按反滤原则层铺中砂、瓜子片和碎石，增大前池底板的透水性，考虑前池作为减压沟井。

渗流分析计算主要采用文献［1］中减压井理论进行计算，以站身和前池为中心，分析位势分布。本工程设计时重点计算了考虑减压措施后的站身前池的位势分布，也计算了未设排水减压措施下的位势分布。

2.1 前池简化为减压井

前池大部分建基面直接坐落在砂基上，布设反滤层和排水孔后可简化为减压短沟进行计算。根据文献［1］短沟渗流计算时将其视作异形井分析，异形井的等效井径根据沟长、沟宽确定。短沟简化为不完整井，井半径按式（1）计算：

式中 r0为不完整井井半径（m）；a为短沟半沟长（m）；b为短沟半沟宽（m）。

本次计算简化时以前池平面中心为中点沿顺水流向和垂直水流向将前池分为四块进行单独简化，简化后前池可视为四眼减压井。

2.2 双层地基中群井减压计算

前池简化为四眼减压井，加上深井改造的永久减压井构成群井井列，计算采用双层地基中群井渗流理论公式计算泵站站址处位势分布，则：

式中 h为渗流场中群井的水头分布；f（H1，H2，…，L1，L2，…，x，y）为打井前双层地基的水头分布函数；H1，H2，…为渗流场的边界水位；L1，L2，…为渗流场形状和大小的尺度；x，y为渗流场中点位坐标；φ（L1，L2，…，xn，yn，x，y）为n#井的无量纲势函数；N为井的总数；n为井的编号；Qn为n#井的流量；xn，yn为n#井的井位坐标；k为含水层渗透系数；T为含水层厚度。

上述公式求解非常繁琐，手算难度较大，根据文献［1］中减压沟井理论，设计时直接采用计算程序计算，站身、前池处渗流位势计算结果如图1。

图1 站身、前池处渗流位势

2.3 计算结果分析

经计算，在不考虑减压井作用下前池渗流位势60%～80%，泵站设计工况下，剩余水头7.1～ 9.4m，当工程布置减压井措施后前池剩余位势5%～ 7.5%，泵站设计工况下，前池剩余水头0.6～0.9m，可见采用设计的排水减压措施可极大降低地基的渗流水压力，而且减压效果十分明显。当工程布置减压井措施后前池砂层出逸坡降0.1～0.15，地基渗流是稳定的。

3 基坑降水设计

泵房及前池基坑开挖平均底宽41.8m，长73m，建基面高程0.5～3.5m，根据地质资料，地下水位高程8.80m，比建基面高8.30～5.30m。考虑站址处主要含水层为砂层及砂砾石层，渗透系数分别为0.86，43m/d。根据施工需要地下水位需降至建基面以下不小于0.5m，本次基坑降水最小设计降深8.80～ 5.80m，参考类似工程经验，本工程宜采用深井降水，设计降水井采用完整井，井底坐落在泥质砂岩相对不透水层。

3.1 基坑涌水量计算

基坑涌水量主要取决于基坑各地层渗透系数、地下水位及基坑面积，计算公式大都含有经验因素，规范及手册略有不同，本文采取3种公式计算，如表1。

表1 基坑涌水量计算成果

对比表1中的3种计算公式，《水利水电工程施工手册》计算时考虑了基坑底部与四周坑壁涌水量，《水利水电工程施工组织设计手册》和JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》均仅计算基坑底部涌水量，只是公式推导模型有所不同。JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》采用了承压水完整井模型，按基坑四周分部深井，将深井按大井简化后得出简化模型。考虑本工程中基坑涌水主要为基坑底部，四壁为弱透水层涌水量极少，本次设计推荐采用JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》计算成果，即基坑涌水量按17870m3/d计算。

3.2 单井出水能力计算

降水深井直径采用0.4m，滤水管长17.7m，单井出水能力计算按JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》计算，如式（4）：

式中 q为单井出水能力（m3/d）；rs为过滤器半径（m）；l为过滤器进水部分的长度（m）；k为含水层渗透系数（m/d）。

经计算，降水深井单井出水能力2740m3/d。

3.3 降水深井数量确定

降水深井数量根据基坑涌水量与单井出水能力计算，并考虑一定的富余量，经计算，降水深井数量至少需要8眼。根据工程平面布置及地质资料，初步拟定降水深井间距20m，泵房四边各布置2眼，前池段并排布置3眼，共布置降水深井11眼。深井布置如图2。

图2 深井布置

3.4 群井影响下的单井流量计算

基坑降水时由于群井效应，单井流量均小于单井理论出水量。群井影响下单井流量可按文献［4］公式计算：

式中 q为按干扰井群计算的降水井单井流量（m3/d）；k为含水层渗透系数（m/d）；H为含水层厚度（m）；sw为井水位的设计降深（m）；R为降水影响半径（m）；rw为降水井半径（m）；r0为井群等效半径（m）；j为第j口深井；n为井的总数。

经计算，考虑群井影响后单井流量1470m3/d，据此选定合适的深井泵进行基坑降水，选定深井泵抽水能力80m3/h，抽水能力1920m3/d，满足基坑降水要求。

3.5 降水深度复核

水位降落漏斗在群井效应作用下，两个降水井之间及基坑中部的中心点处为水位最高点，根据降水深度与降水影响半径，分别计算受降水漏斗影响的降水高差。经计算，两降水井间最大水位差0.15m，低于建基面0.65m，基坑中部最大水位差0.30m，低于建基面0.5m，降水深度均满足要求。

4 结语

龙滩庵泵站为双层地基结构，前池底板坐落在砂层上，经过基于双层地基模型的渗流计算，论证了前池采用减压措施的重要性，结合减压设计，简述了基坑深井降水设计，工程施工和实际运用均收到了良好效果。设计采用的减压措施在底板上布置大孔径排水孔，不仅可以增加底板的渗透性，增加排水减压效果，而且不易淤堵，即使淤堵也便于检修维护，减压效果保障率较高，可供类似工程参考和借鉴。

［1］安徽省水利科学研究所.多层地基和减压沟井的渗流计算理论［M］.北京：水利出版社，1980.

［2］毛昶熙.渗流计算分析与控制（第二版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［3］谈松曦，王力理，丁美松.新河口泵站地基渗流现象的分析［J］.安徽水利科技，1999（1）：3-8.

［4］JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程［S］.

［5］本书编委会.水利水电工程施工手册（第一版）［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［6］水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册（第一版）［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

（责任编辑：尹健婷）

Drainage and dewatering design of double layered foundation

DU Lin
（AnhuiWater Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute，Hefei230000，China）

The double layer foundation due to water resistance effect of aquitard，the pressure of underlying strong permeable layer is larger，the foundation has been damaged by seepage deformation，so the construction of pumping station on the double layer foundation should pay special attention to drainage design.The excavation of foundation pitwill reduce the aquitard thickness，the pit bottom is easy to soil flow.This paper takes Longtan-an station engineering design as the example，based on the seepage calculation of relief wells on the double layer foundation，the drainage and dewatering design of pumping station construction on the double layer foundation is discussed.The construction and application have

good results，the design has been further verification.

double layered foundation；pumping station；dewatering；reliefwell；seepage stability

TV223.5

：B

：1672-9900（2017）04-0056-04

2017-04-28

杜 林（1982-），男（汉族），河北邯郸人，工程师，主要从事水工结构设计工作，（Tel）18956059803。

位和流量）的优化协调，这种优化协调不是孤立的，必须结合水泵机组设备的性能参数来优化，对二者的合理运用，尽力创造一个梯级泵站区间平衡状态，即区间流量匹配，水位相对稳定状态。