富水砂层市政管网基坑降水特性研究

2020-01-06陈思宇黄团伟

资源信息与工程 2019年6期

陈思宇，黄团伟

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410000)

0 引言

随着国内水环境污染形式日益严峻，水环境的综合治理工程近年来呈爆发式涌现，其中污水市政管网的建设在多地已全面铺开。市政管网基坑与其他工程类的基坑相比，具有鲜明的特征。其基坑周边环境复杂、地下管线众多、建筑物对变形敏感性高。因此，选择科学的基坑降水方案显得尤为重要。

1 工程概况

本工程为东莞市某镇2018～2020年截污次支管网建设工程，主要采用开挖支护方式进行施工，场地现状自然地面标高4.5～5.5 m，基坑开挖深度4.0～6.0 m，支护结构拟采用9～12 m长的钢板桩支护。场地内存在富水砂层，表部的杂填土含建筑垃圾或人工块石，钢板桩施工过程中可能存在难以下沉的现象，必要时应采取引孔的措施。

2 工程地质、水文地质条件

2.1 工程地质条件

根据地质勘察报告，场地土层按地质成因类型可划分为：第四系人工填土层(Q4ml)、第四系冲积层(Q4al)和残积黏性土层(Qel)，各岩土层物理力学指标建议值见表1，自上而下依次如下：

(1)杂填土：稍湿，松散～稍密，填料以黏性土为主，局部夹有建筑垃圾和生活垃圾，填料较为复杂，层厚0.80～1.00 m，平均0.90 m；

(2)粉质黏土：灰黄色，湿，可塑，土质较均匀，韧性中等，干强度高，有光泽，无摇震反应，场地内广泛分布，层厚0.40～6.00 m，平均4.25 m；

(3)粉细砂：灰黄色，饱和，松散～稍密，石英质为主，颗粒较均匀，级配不良，含淤泥质，局部夹薄层状淤泥质土，层厚1.00～6.40 m，平均2.68 m；

(4)中粗砂：灰白色，饱和，稍密～中密状，石英质为主，颗粒较均匀，级配不良，含少量黏粒，层厚0.60～8.90 m，平均3.24 m；

(5)粉质黏土(Qel)：褐红色，稍湿，可塑～硬塑，局部坚硬，土质较均匀，由基岩风化残积而成，遇水易软化。局部钻孔有分布，层厚0.70～2.70 m，平均1.8 m。表1为各岩土层物理力学指标建议值。

表1 各岩土层的物理力学指标建议值

2.2 水文地质条件

场地地下水类型主要为赋存于粉细砂层及中粗砂的孔隙水(略具承压性)，以及填土层中的上层滞水，地下水主要接受大气降水下渗补给及周围地表水侧向补给，以蒸发及地下径流的方式向场区沟渠道排泄。粉细砂及中粗砂属中等透水层，含水层厚度较大，含水介质孔隙度大，连通性好，上覆弱透水地层、略具承压性，含水量较丰富。场区钻孔地下稳定水位埋深为1.20～1.80 m，标高0.20～0.50 m，根据地区经验，地下水位变化幅度小于1.0 m。

3 基坑降水类型

基坑降水类型的分类是基于基坑对地下水的控制措施与含水层的工程地质特性。基坑工程对地下水的处理措施主要为降水和止水，常见的基坑降水类型有如下4种：

(1)无止水结构的基坑外降水。基坑场地周边无对沉降变形敏感的建构物，基坑四周没有施作止水结构，降水井设置在基坑的外边。

(2)完全止水结构的基坑内降水。基坑四周施作止水帷幕，且止水帷幕穿过含水层，深入至不透水地层中。此类方法的原理是通过延长地下水的渗流路径，降低基坑内外地下水的水力联系，从而减小基坑内降水对周边建构筑物的影响。

(3)承压水地层止水结构的基坑外降水。基坑周边施作止水帷幕，但帷幕未深入到承压含水层中，基坑外面布设降水井，降水井未穿透承压含水层。由于承压水具有承压性，具有一定的压力水头，基坑开挖是一个不断卸荷的过程，随着坑内土体的不断开挖，承压含水层的覆盖层不断减少，若承压水的水头压力大于上覆土的自重压力时，基坑易产生突涌。此类降水井的主要目的是释放承压水的水头压力，降低坑底突涌的风险。

(4)承压水地层止水结构的基坑内降水。基坑周边施作止水帷幕且深入到承压含水层内，基坑内布设降水井，且井底深入承压含水层。这种降水方案既有降低承压水的水头作用又有疏干坑内土体的含水量。

4 基坑降水设计

4.1 基坑涌水量估算

本基坑工程支护结构采用钢板桩支护，且钢板桩深入下部不透水地层。根据钢板桩支护结构的特点可知，钢板桩兼有支护与止水的作用。根据场地的工程地质与水文地质条件可知，场地地下水位于两层不透水地层之间，地下水具有微承压性，基坑底位于细砂层中，地下水的水量较丰富，本次基坑降水属于承压水地层止水结构的基坑内降水，其类型为封闭型疏干降水，示意图如图1所示。

基坑涌水量的估算：

Q=μ×A×S

(1)

式(1)中：μ为疏干含水层的给水度，黏土的给水度一般为0.02～0.035，粉砂的给水度一般为0.10～0.15，细砂的给水度一般为0.15～0.20；A为基坑开挖面积；S为基坑开挖至设计深度时疏干层中的平均水位降深。

场地地下水原始平均水位埋深1.50m，对应的标高为3.50m，取基坑开挖处自然地面平均标高5.0 m，基坑开挖深度按最大值6.0 m计算，根据基坑施工要求，基坑降水设计应将地下水水位降至坑底以下1 m，相应的水位高程约为-2.0 m，水位降深为5.5 m，降水对象包括赋存与填土，粉质黏土层中的上层滞水，粉细砂层中的微承压水。

图1 封闭型疏干降水示意图

综合考虑基坑开挖所揭露各土层的厚度及其给水度的特征，各地层的平均给水度值为0.16；基坑开挖面积约为16.0 m2；代入(1)式：

Q=0.16×16.0×5.50=14.08 (m3)

(2)

4.2 疏干井的设计

考虑场地含水层的工程地质特性及基坑涌水量大小，降水方案采用轻型井点降水。轻型井点即将井点管埋设于含水层中，井点管可根据降水要求既可埋设于基坑的四周，也可仅埋设于基坑的一侧，利用集水弯管将井点管的上端与集水管相连接，将各集水支管与集水总管相连，集水总管与真空水泵和离心水泵相连接，启动降水设备，在真空泵吸力的作用下，地下水通过滤水管网流入集水管与集水总管中，将系统内的空气排除后，在离心水泵的作用下经其排水管网排至基坑外，从而将基坑内的地下水水位降至设计标高。此降水方法不但设备简单，使用灵活，而且在粉细砂含水层中降水能防治流沙现象的发生。

(1)每根井点管的最大出水量qmax：

(3)

式(3)中：qmax为单根井点管允许的最大出水量(m3/d)；rw为滤水管的半径(m)，一般为19～25 mm；L为滤水管的长度(m)，一般为5～9 m；k为疏干地层的渗透系数(m/d)。

将场地地层的渗透系数、井点管的相关参数代入上式可得：

(4)

(2)井点管的设计数量：

(5)

即井点管的数量n=2。

4.3 轻型井点降水施工工艺

轻型井点的降水施工工艺主要如下：

(1)定位：以降水方案的降水井平面布置图为基准，综合考虑场地现场的实际情况，确定降水井的平面位置。

(2)开沟：在基坑周边的地表面开挖一条宽0.3 m，深0.3 m的水沟，为排放冲孔用水；若表层杂填土较厚，应将杂填土清除至老土，以便于插管。

(3)冲孔：采用高压水枪冲孔，孔深应超过支管的长度0.5 m左右。

(4)置管：成孔后将支管下入孔中。

(5)填砂：将磨圆度较好，级配一般的粗、中砂回填至孔中，孔口上部采用黏土封填。

(6)安装：安装各支管与总管，将总管与抽水设备相连接。

(7)铺设排水管道。

(8)基坑内布设水位观测井。

4.4 地下水控制效果

评判基坑降水方案的效果可采用在基坑内布设监测井，将监测所得到的地下水水位与降水设计拟达到的水位进行比对，评判基坑降水的效果。根据监测井的水位数据得知，基坑施工期间，井内水位在拟设计降深水位标高±0.20 m范围内波动，基坑土方开挖施工过程中未出现渗透破坏的现象，基于基坑周边的监测数据，降水亦未造成周边建构筑物产生显著沉降，降水对基坑外部的地层产生的扰动较小，建构筑物的沉降在允许范围内。本项目采用钢板桩+轻型井点降水方案在富水砂层市政管网基坑应用中取得了良好的效果。