天津基坑抽排水量估算和地面沉降特征研究

2020-07-09董立新王鸿鹏鲁歆彦

天津建设科技 2020年3期

□文/易喆董立新康婧袁杰王鸿鹏鲁歆彦

天津是中国开发地下水最早的城市，20 世纪20年代初，开始抽取地下水，同时出现了地面沉降现象[1～2]；由于过量开采地下水，2010 年以来，沉降速率超过10 mm/a 的国土面积近8 000 km2，最大沉降130～160 mm/a[3～4]。目前，宝坻断裂以南平原区累计沉降量普遍＞0.3 m，最大累计沉降量达3.45 m[5～6]。

为保护地下水资源，防治地面沉降，天津行政区范围深度超过5.0 m 的基坑，应当进行水资源论证并根据论证结果制定地面沉降防治措施[7]。本文依据案例和数值模拟，研究不同区域基坑工程的地下水排泄特征和地面沉降发育特征，提出现行规范水量计算方法的修正系数和地面沉降影响范围，研究成果对天津地区基坑排水地面沉降防治具有一定参考价值。

1 水文地质条件及工程地质分区

1.1 水文地质条件

第四纪以来天津地区曾发生过5次较大范围的海侵，形成5个海侵层。海相、陆相交织分布，构成了含水层格架，决定了地下水的补给、径流、排泄和水文地球化学环境[8～9]。天津市第四系孔隙水划分为4 个含水组：第I 含水组相当于全新统（Q4）和上更新统(Q3)，底界深度可达100 m；第II 含水组相当于中更新统(Q2)，底界深度在180 ～220 m；第Ⅲ含水组大致相当于下更新统上段(Q12)，底界深度300 m；第Ⅳ含水组相当于下更新统下段(Q11)，在隆起区尚包括部分上第三系含水层(N2)，底界深度可达450 m[10～13]。

天津地下工程开挖深度一般在30 m以浅，目前最深基坑31.3 m，开挖面积许多超过数十万平方米，工程桩长达100 m[14]；因此，直接决定基坑涌水量和地面沉降的是100 m 以浅地层的水文地质和工程地质条件。这一深度范围处于第Ⅰ含水组，天津工程界常称为“浅层地下水”，是指地表以下的潜水和潜水～微承压水，可以直接接受大气降水和地表水的补给，其地下水动力特征和水交替条件与其下的3个“深层地下水”明显不同[15]。浅层地下水包括潜水及其下部的微承压水，其埋深一般为1～3 m，主要赋存于粉土及粉细砂层中，以黏性土为相对隔水层。由于微承压含水层粉细砂层与上部地层渗透系数的差异，工程降水时粉细砂层地下水不能及时排出，表现出了工程性承压特性[16～17]。

1.2 基坑地面沉降工程地质分区

根据基坑工程影响深度，取60 m以浅范围地层特征进行分区。根据影响基坑涌水量主要含水层和压缩层分布特征，天津行政区可划分为3个工程地质分区，分区界线大体以宝坻断裂和第三道贝壳堤为界，分别为洪积冲积区（Ⅰ区）、海积冲积区（Ⅱ区）和海积区（Ⅲ区），见图1和表1。

图1 天津基坑工程地面沉降地质分区

表1 天津基坑工程地面沉降地质分区地层特征

Ⅰ区潜水含水层以第Ⅰ陆相层河床～河漫滩沉降层为主，部分区域含水层包括第Ⅰ海相沉积层；相对隔水层为为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ陆相地层；承压含水层为第Ⅲ海相层。本区显著的特征是潜水含水层较厚，渗透系数大，侧向补给丰富；隔水层厚度大，对下覆承压含水层阻隔作用明显。基坑排水以坑内疏干和潜水含水层侧向补给为主，承压含水层越流补给微弱。排水引起地面沉降主要为潜水含水层疏干沉降为主。

Ⅱ区潜水含水层为第Ⅰ陆相层河床-河漫滩沉降层和第Ⅰ海相沉积层；相对隔水层为第Ⅱ陆相层；第一承压含水层为区内普遍分布的一层2～5 m 厚第Ⅲ陆相层粉砂层，其下为第Ⅳ陆相层隔水层；第二承压含水层为第Ⅲ海相层，一般埋深＞55 m。本区显著的特征是潜水含水层不厚，渗透系数中等。涌水主要来自基坑疏干和承压含水层越流补给。排水引起地面沉降主要为潜水疏干沉降和隔水层降压沉降两部分。

Ⅲ区潜水含水层为第Ⅰ海相层；承压含水层为第Ⅳ陆相层的厚层粉砂。本区显著的特征是潜水含水层较厚，含水量大，有效孔隙度小，渗透系数小，出水量小，呈软塑状态，压缩性高。基坑排水主要来自基坑疏干潜水含水层和承压含水层越流补给。排水引起地面沉降主要为潜水疏干沉降，当基坑深度大时存在隔水层降压沉降。

2 基坑涌水量计算

基坑降水水论证的一个主要目的是提供取水量，作为水资源管理行政部门核准合理取水量、颁发采水许可证和收取水资源费的依据。天津基坑工程绝大部分为止水帷幕截断降水目的含水层的封闭式疏干降水基坑，涌水量可按式（1）计算[23]。

式中为基坑降水出水量修正系数；Qw为基坑疏干降水总出水量，m3；Q1为坑内疏干层范围内的出水量，m3；Q2为下伏承压层向坑内的越流涌水量，m3；△hi为i土层中水位变化（降深）值，m；△h1为坑内降水设计的目的水位与越流承压层水头的水头差，m；--kv1为坑内降水设计的目的水位与越流承压层顶间土层的等效垂直渗透系数，m/d；A为基坑开挖面积，m2；μi为i土层给水度；i为基坑最大降水深度范围内所包含的土层数；m为坑内降水设计的目的水位与越流承压层顶间土层的厚度，m；T为降水时间，d；n为坑内疏干层范围内的土层数。

构建3个地面沉降工程地质分区地下水流三维数值模拟模型，模型宽200 m、长300 m、深60 m，分别进行不同基坑开挖深度下的地下水流场数值模拟。见图2。

图2 典型基坑数值模拟流场

由图2可知：Ⅰ区由于潜水层渗透系数大，坑外潜水含水层、下覆相对隔水层与承压含水层地下水均有水量涌入坑底；Ⅱ区坑外下覆承压含水层越流作用明显；Ⅲ区坑外承压含水层越流作用明显。

结合数值模拟结果，确定各工程地质区修正系数α。Ⅰ区α=1.06～1.15，主要修正坑外潜水绕流涌水和承压水越流；Ⅱ区α=1.03～1.08，主要修正基坑外承压含水层越流补给；Ⅲ区α=1.04～1.12，修正基坑外承压含水层补给。

3 地面沉降计算

3.1 工程案例

图3 为基坑边缘（距离2 m）沉降和水位监测实测，所选基坑止水帷幕均截断潜水层。

图3 基坑边缘沉降及水位降实测历时曲线

如图3所示，在基坑开挖前期，坑外水位经历过一个快速下降期，之后趋于平稳。累积地面沉降随着基坑外水位下降持续增大，在水位稳定后有一定程度反弹，其后持续增大，出现此种现象原因，可能与黏土滞后沉降有关。

实际工程监测资料反映，虽然截断潜水含水层，但坑外还是出现一定程度的水位降并导致地面沉降，这是由于天津各地层中普遍存在粉砂、粉质黏土夹层，潜水层的划分具有一定的主观性，其下的地层呈现微透水性所致，实测资料与本文基坑地下水流场数值模拟结果一致。

图4 为基坑主体施工结束时不同距离沉降实测资料。

图4 基坑不同深度最终沉降量实测曲线

如图4所示，沉降最大值经常出现在1.5H（H为基坑开挖深度）处，与水位降变化规律不符。出现水位降和沉降不匹配的现象是由于基坑周围地面沉降具有多因性，沉降受土体开挖、减压降水、结构变形及机械施工等影响，地面沉降观测不能分辨各种沉降量。

3.2 基坑降水引起地面沉降的计算

为探明基坑排水地面沉降规律，在基坑流场数值模拟基础上，根据数值模拟各层水位降低计算结果，计算3个工程地质分区基坑沉降。地面沉降量计算采用分层总和法[24～25]。黏土及粉土层计算

砂层计算

式中：S∞为地面最终沉降量，mm；Qi为黏土或粉土压缩系数，kPa-1；e0为土层原始孔隙比；ΔP为地下水位降低施加于土层的平均荷载，kPa；H为土层厚度，mm；E为砂层弹性模量，kPa。

3 个工程地质分区基坑深度分别为5、10、15 m（分别代表有1、2、3层地下室情况）的沉降和水位计算结果见图5和图6。

图5 基坑不同距离水位降数值模拟曲线

图6 基坑周围沉降数值模拟曲线

由图5可知，在截断潜水含水层的情况下，基坑边缘水位降变化范围27～72 cm。3个分区在3H处，水位降＜5 cm。由图6 可知，基坑边缘由水位降引起的地面沉降为5.3～22.4 mm，在3H处＜0.5 mm。

由于含水层渗透性和压缩性不同，3 个分区水位降和沉降显示不同特征。Ⅰ区潜水含水层渗透系数最高，压缩性最低，呈现水位降最大，但沉降最小的特点；Ⅲ区潜水含水层为淤泥质黏土，渗透性差，含水量大，天然孔隙比高，压缩性高，呈现水位降最小，但沉降最大的特点。以10 m基坑边缘为例，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区水位降分别为60、55、45 cm，而沉降分别为8.6、11.1、18.3 mm。3 个分区在3H处，水位降和地面沉降都非常小，对周边影响很小。出现实际观测与计算沉降值变化趋势不相符的现象，是由于实际观测沉降值包含土体开挖、结构变形及机械施工等影响分量，降水沉降只是工程引起地面沉降的一个分量。