基坑工程水文地质勘察设计与应用

2018-02-19兰韡

建筑施工 2018年9期

关键词：水文地质含水层土层

兰韡

上海广联环境岩土工程股份有限公司上海 200444

1 常用基坑工程水文地质勘察的目的

工程水文地质勘察着眼于建设工程场区及周边一定范围内的地下水渗流规律研究，综合应用多种技术手段，着重于查明场区特殊水文地质条件、揭示和判别潜在的地下水风险以及评估地下水控制可能诱发的工程周边环境变形。

2 基坑工程水文地质勘察设计

根据地下工程的性质，初步分析基坑工程建设过程中可能存在的地下水风险后，应针对性地进行基坑工程水文地质勘察设计。

2.1 工程地质补充勘察设计

工程地质补充勘察设计应遵循如下原则：

1）布点范围应涵盖整个水文地质测试场区以求获取精确的土层分布状况。

2）布点间距不大于30 m，以15 m为宜。水文地质测试场区中心范围应适当加密。

3）勘探深度应当大于最底部的测试土层10.0 m以上。

2.2 水文地质测试设计

2.2.1 抽水试验设计

根据不同的抽水试验目的，抽水试验设计一般参照如下原则：

1）求解水文地质参数——采用单井抽水多井观测的方式，观测井数量不少于3口。具备条件时，抽水井应尽可能采用完整井；采用非完整井时，同层各观测井的过滤器长度宜相等并安置在同一含水层深度。

2）判别不同土层之间的水力联系——一般采用群井抽水多井观测的方式。在测试土层中选择含水丰富、出水量大的地层布设抽水井，并在测试土层中分别布设不少于2口观测井。

3）判别抽水效果——又可分为判别不同井结构抽水效果和判别不同井数抽水效果。对于前者一般采用不同的井结构进行单井抽水试验，测量井的流量和等距离相同结构观测井的水位降深等来判别；对于后者，一般从单井开启逐渐增加抽水井数来观测不同井数抽水情况观测井的水位降深。单井抽水时间不宜少于24 h；群井各阶段抽水时间不宜少于24 h，总抽水时间不宜少于7 d。

2.2.2 回灌试验设计

回灌[1-2]又分为自然回灌和加压回灌。一般采用单井回灌来了解主要的回灌参数，包括不同回灌压力下的回灌流量、回灌影响范围，以及定期回扬后流量的变化。

回灌试验设计可遵循如下原则：

1）回灌试验井宜呈直线布设，井数量不少于3口，井间距应小于同含水层抽水井间距。

2）在止水帷幕深度范围内，回灌井深度宜深不宜浅，滤管位置应尽量布设在含水层上部。

3）回灌井单个回灌流程持续时间不少于7 d。

实际试验时，往往将抽水试验与回灌试验相结合用于研究在抽水及回灌共同作用下的地下水渗流规律。试验时先抽水后回灌，回灌井宜布设在抽水井的干扰范围之外。

2.2.3 孔隙水压测试设计

孔隙水压孔应布设在水文地质测试井群外围，为了保证孔隙水压孔测试的可靠性，在等距位置上宜布设2个以上对比孔，因此孔隙水压力测试布设应不少于2条直线，监测半径不宜小于30 m；对于特殊位置可增加孔隙水压力测试孔。

同时，为了保障隔水效果，每个孔隙水压测试孔内孔隙水压力传感器的数量不宜多于5个。厚度小于30 m的土层埋设数量以1个为宜，埋深位置以层中为宜；对于厚度大于30 m的土层，可分别在土层厚度1/3、2/3的位置埋设传感器。不同土层的孔隙水压力计间应采用黏土球进行止水。

2.3 周边环境沉降监测设计

2.3.1 周边地表沉降监测

以水文地质测试井群中心为中心，地表沉降监测点布设应不少于2条直线，监测范围宜不小于70 m，测点间距一般为10 m。沉降反应特别敏感的试验区也可呈网格状布设。

地表沉降监测点布设时还应与孔隙水压孔、分层沉降监测孔相对应，一般在布设孔隙水压监测孔、分层沉降监测孔的周边应布设地表沉降监测点，以便能和分层沉降数据参照分析。

2.3.2 地下管线沉降监测

在重要的地下管线部位布设地下管线监测点，以水文地质测试井群中心引垂线与管线相交点为中心点，监测半径不小于70 m；测点间距一般为15～20 m。

2.3.3 建筑物沉降监测

建筑物沉降监测点则一般布设在建筑物四角。长度较长的建筑物则在长边方向约每20 m增加一个监测点。

2.3.4 土体分层沉降监测

分层沉降孔的布设与孔隙水压孔平面位置对应布设，在测试土层上也要相互对应。分层沉降孔内的磁环或多点位移计一般布设在各层层底，最底部的磁环和多点位移计应布设在地下水渗流影响深度范围以下。

3 基坑工程水文地质勘察数据分析

3.1 工程地质补勘成果分析

工程地质补勘获得的数据主要用于确定土层性质和界定土层界面，以静力触探为例：

1）确定土层性质：将测得的静力触探探头阻力与深度曲线分段后进行分析，黏土层一般为阻力较小、摩阻比较大的曲线段所代表的土层；砂土层则为阻力大、摩阻比较小、曲线多呈急剧变化的锯齿状。

2）界定土层界面：静力触探头匀速贯入过程中，锥尖阻力在到达临界深度前不断增大，到达临界深度后锥尖阻力基本变为恒值；继续贯入到下一层时，锥尖阻力会产生变化。因此可以根据这种变化的规律来界定土层界面。

如果采用的是双桥孔压静力触探，则还能够根据贯入引起的超孔隙水压力的消散过程及完全消散时的静止孔隙水压力，可以更好地帮助判断地层分布。

3.2 水文地质测试数据分析

3.2.1 求解含水层水文地质参数

利用单井抽水试验[3]的观测井水位数据，可以根据相关公式求解水文地质参数：渗透系数、释水系数及单井影响半径等。

3.2.2 判别含水层水力联系

根据抽水时其他含水层观测井的水位降深或孔隙水压孔的变化可以判别含水层之间的水力联系。

根据工程实际经验，判别含水层之间存在水力联系一般可参照如下条件：

1）观测井有明显的水位变化或孔隙水压孔有明显的孔隙水压力变化。

2）含水层之间的水位变化或孔隙水压变化存在相关性，即观测井含水层水位变化的规律与抽水含水层的水位变化规律较为一致。

3.2.3 判别抽水效果

1）单井结构。通过对比出水量以及观测井的水位降深效果来判别不同井结构的降水效果优劣，从而便于选择不同的降水井结构。

2）井数区别。通过开启不同试验井时的观测井水位降深了解降水效果，从而指导按需降水的工况设计。

3.2.4 回灌的数据分析

1）回灌流量。根据水文地质测试获得的流量数据可以指导回灌设计的重要参数。在不同的回灌状态下回灌井的回灌流量均有不同。一般来说，纯回灌的回灌流量小于抽灌一体时的回灌流量，比值为1/3～1/2；抽灌一体时回灌井越靠近抽水井，回灌量也越大；加压回灌流量大于纯回灌流量。

2）回灌半径。回灌半径即回灌井最大的水位抬升影响范围。回灌半径与回灌压力和回灌流量有关。根据回灌试验确定的回灌半径，有助于有效设计回灌井的间距以及回灌井与受保护的建筑物之间的距离。回灌半径一般以纯回灌时的回灌半径为参考。

3.3 周边环境沉降数据分析

3.3.1 地面沉降监测

通过基坑工程水文地质勘察获取的地面沉降数据能够分析降水引起的地面沉降规律，例如地面沉降速率、降水引起的地面沉降范围；结合回灌试验同时可分析回灌控制地面沉降的效果。

3.3.2 地下管线和建筑物沉降监测

地下管线和建筑物的沉降数据能够反映出降水时地下管线或建筑物承受变形的能力，以便根据数据及时采取合理的预控措施。

由于管线和建筑物的沉降是由于管线底部的地基土先沉降后再引起管线或建筑物基础的沉降。对于承受变形能力强的管线和建筑物在地基土沉降后未必立即发生沉降。除了关心沉降的累计值还应当特别注意沉降的差异率，防止差异沉降引起管线或建筑物的开裂。

3.3.3 土体分层沉降

土体分层沉降能够分层测量各层土体的变形，能够分析降水引起的深层构筑物的变形。每层土体的沉降等于上一土层的沉降值减去下一土层的沉降值。最顶部土层的沉降值应与邻近的地表沉降值相一致。土体分层沉降与孔隙水压力的变化值相匹配分析，可以估算土体的固结系数。

4 基坑工程水文地质勘察综合评价应用

基坑工程水文地质勘察目的不仅是获取一些测试数据，更重要的是根据测试成果之间的相关性进行综合评价，用于指导工程设计。

利用基坑工程水文地质勘察成果，可以综合评价的内容有以下几点。

4.1 评估地铁基坑工程降水的风险

1）潜在（微）承压性土层突涌风险：对于一些未在工程地质勘察中查明性质的土层，通过岩土工程补充勘察进一步确定土性后，结合水文测试中的土层地下水位、出水量以及与相邻土层相互的水力联系进一步判别土层的水文特性。一般经鉴别为粉土及粉土以上颗粒、地下水位明显高于该土层分界顶面且出水稳定的土层，可视作具有（微）承压性。经工程水文地质勘察后判别具有（微）承压性土层，在进行工程设计时需进行抗突涌稳定性验算，不能满足要求的应当采取降水或其他有效的泄压措施。

2）安全水位降幅：根据补充勘察探明的含水层层顶以及实测的含水层水位，重新计算基坑开挖时的安全水位降幅。

3）基坑降水的可行性[4-5]：评判基坑降水的可行性又包括两方面，一方面是根据单井和群井抽水时观测井的水位降深，结合重新计算后的安全水位降幅，判断后续基坑开挖时降水能否满足安全水位降幅的要求；另一方面根据降水井的流量以及抽水设备的配置评估工程现场的排水能力、供电能力能否满足工程的需求；例如在上海青草沙长江原水过江管工程长兴岛工作井，通过水文测试了解到基坑安全水位降幅为24.2 m，而单井抽水时流量达到90 m3/h，观测井水位降幅仅1.4 m。如要满足基坑安全水位降幅则理论需要18口井，基坑总涌水量达1 620 m3/h，设备总用电功率达666 kW，场地排水和用电都难以满足降水需求，需要通过其他的措施减少排水量和降低用电总功率。

4）降水引起周边环境变形的风险：根据工程水文地质勘察中的环境变形监测数据，可以推测后期基坑降水过程引起的周边环境变形值。如推测变形值大于环境变形控制值，则应当采取有效的措施以减少降水对环境的影响。

4.2 指导地铁基坑降水设计

通过工程地质补充勘察获取的含水层构造以及水文地质测试获取的水文地质参数，建立地铁基坑水文地质渗流模型，可以模拟地铁基坑降水效果以指导地铁基坑降水设计，包括地铁基坑竖向隔水帷幕深度的建议。

4.3 指导基坑降水沉降控制

基坑降水引起的土体沉降计算方法有多种，最为简单的即通过数值模型求解出含水系统各土层的水位降深，然后根据太沙基有效应力原理，采用分层综合法计算沉降。利用这个原理，可以在基坑工程水文地质勘察中通过分层孔隙水压测量和分层沉降数值反演各土层沉降计算参数或经验修正系数，然后再利用反演后的土层沉降计算参数或经验修正系数结合基坑降水的数值模拟分析结果进一步细致地估算各分层土体的沉降。

按照估算结果，在基坑正式实施前，可以进一步采取有效的坑外水位控制措施。例如结合回灌试验的结果，在受保护的建（构）筑物附近，根据建（构）筑物基础的持力层，针对性地采取回灌措施控制基坑降水过程中的分层土体水位降幅。