考虑降雨补给时某深大基坑降水方案设计及验算

周德禄徐 凯孙怡清赵茂浪蔡江东，*

1淮阴工学院应用技术学院（223001）2江苏兴华基础工程公司（223003）

0 前言

大体量建筑物施工需要跨越较长的时段。尽管在施工组织设计安排上，技术人员可设法避开多种不利气候条件的影响（如选择合适的开工时间、回避在冬雨季的土方开挖等），然而由于近几十年来气象变化的复杂性，仍有部分地区基坑工程会经受长时间持续降雨或多时段暴雨侵袭等不利因素的影响（如2020年华东、华南地区遭受持续降雨影响）。以某地区深大基坑降水设计与施工为例，通过对气象预测资料充分利用，对该地区持续降水渗入量进行估算，在施工初期就调整了原降水方案（包括重新计算后增设降水井数量，增加地表引排和坑底排水保护措施），最后顺利保障长时段降雨期间基坑的安全，使得后续施工按计划顺利进行。

1 基坑降水方案设计

基坑降水方案设计以满足施工要求又不构成对周边环境不利影响为前提。此外，需考虑必要的应急方案、控制手段以应付可能出现的意外情况，如大的平面及竖向位移、局部坍塌、整体失稳等。此外，持续性降雨、界外水流入等也都属于这类情形。

某地区深大基坑工程，基坑平面尺寸约110 m×100 m、平均开挖深度10.2 m。初步方案:基坑采用止水帷幕和双排桩支护形式（双排桩通过冠梁和联系梁连接）。建设场地地层以透水性能较好的粉土为主，地下水水位随季节变动，平均埋深约地表下1.6～1.8 m。设计要求水位降到基坑底板下0.5～1.0 m。按平均水头线计算平均降深9.0 m左右。基坑降水初步设计按地区常规经验并结合裘布依不完全井理论进行，根据计算结果场内拟计划布深井82口、井径300 mm，平均深度18 m、井距13 m。基坑帷幕外侧施工回灌井兼观测井8口（井径300 mm）。但根据有关部门对天气趋势的预测，施工所在区域很可能出现历史上持续时间很长、雨量较大的降雨，并且会形成洪涝灾害。为此，施工单位在收集地区降水资料、同类型工程施工经验的同时，接受气象部门的信息服务（主要是降雨量的预测），在原降水设计基础上对降水方案进行重新计算与调整。

2 考虑大量雨水补给时的降水验算

降雨对基坑降水的影响主要来自两个方面:①地面汇水流向基坑；②雨水渗透入地下后对土层孔隙水进行补给，从而提升地下水位线。工程所在区域由于下垫面条件很好（地表植被绿化好），中等以下的降雨特别是持续性小雨会充分渗入地表以下，对该区域地下水形成补给，而粉土透水性优于黏性土，因此该地区基坑工程降水必须对这些情况予以充分考虑。

施工单位在设计基坑降水方案时借鉴该地区近些年来类似工程经验，在确定降水形式的同时（必要时局部辅以轻型井点），还根据基坑影响范围内雨水对地下水补给情况进行反复验算，修正原有的设计，最终得到了一个合理的降水方案并付诸实施。

2.1 雨水补给范围调查

区域内地下水位是水平线，但地表有起伏。施工前对场地周边环境的调查，除考虑地形坡度引起的排水方向外，还重点了解了场区道路、植被、地下管网分布、雨污管道通淤情况等，最终确定基坑周边地表径流汇水面积约400 m×430 m，并据此结合气象部门数据计算降雨量（折算成t）。

2.2 雨水补给量计算

根据气象部门信息服务资料，2020年该区域很大概率会受到持续降雨影响，雨量级别较大，多时段暴雨将是常态。根据市政基础设施情况调查和推算，该地区往年有85%～90%的强降水经地表径流、雨水排泄系统排到影响区域外。剩余部分渗入地下土层。由于预估降水期很长[1]，因此认定雨季影响下，基坑施工影响区域内土层始终处于饱和状态，在一定时段形成较为稳定的地下水补给源。因此，区域降水导致的基坑地下水补给量W可按下式计算:

其中:W——场区范围降水补给量，t；D——降雨量,t；P——场地排水量,t；P0——土层持水量,t。

降水量D根据气象资料按照平均降水量和场地汇水面积求解。根据概率推算降雨平均强度55～70 mm/24 h,取中值设计、按大值计算。场地排水量指地表径流流出量、地下管线排水等，根据经验和观测情况推算。土层持水量可以按照场地土层条件由平均饱和度达到完全饱和时计算求解。勘察报告中土层平均饱和度Sr=0.67、降雨渗透后平均饱和度按Sr=1.00计。此外，根据土工试验，持续降雨后场区土的由21.7%变为26.2%。依据土的三项体系理论[2]，按下式计算土中含水增加值Δw:

式中，Δw——降雨入渗后土层含水量增加值，t；w0、w1——分别为降雨前和雨水入渗后的土层含水率；ρ0、ρ1——分别为降雨前和雨水入渗后的土层密度，kN/m3。

如果设定场地90%降水通过径流或雨水系统排走，并考虑区域内受影响土层厚度（4.5 m），则降雨使土体增加的水量为230 t。事实上，降雨后不同观测点测得地下水位平均上升0.26 m，即降深需要增加0.3 m。基坑涌水量通常按下式计算:

式中，Q——总涌水量，m3/d；k——渗透系数，m/d；H——含水层厚度，m；sd——降深，m；R——影响半径，m；r0——基坑等效半径。

根据场地土层渗透条件，以降深9.3 m计，代入计算参数，得基坑涌水量Q=6 280 t。单井出水量q=则计算可得需布井90口。按地区常规经验（气象条件为降水量偏多年份），并参照当地类似工程成功的降水施工方案（井径300 mm、影响半径6 m、扣除基坑坑角附近2 m距离），按下式计算降水井数量:

其中，A——基坑面积，R——单井影响半径，这一结果与本设计理论计算结果基本相当。

结合地区经验并参考理论计算结果[3]，本工程最终降水方案：坑内布井90口，但在基坑四边各增设一口观测井，以备必要时降低止水幕墙外侧附近水位，以缓解疏干井的压力或进行回灌纠正。增设降水井方案顺利通过专家论证，并且确实保证了基坑在持续降雨季的正常施工。

2.3 持续降雨时的施工保障

基坑工程施工应避免在雨季进行，无法避开时就必须对降雨量和周边汇、排水条件进行调查，做出合理的降水设计和排水方案。

2.3.1 做好坑脚排水与防护

垫层施工好的基坑，应该对基坑范围内（包括护坡）的降水及时引排，在坑脚设置排水沟，按汇水面积和有效距离设置积水坑，以防坑脚经受积水浸泡。

2.3.2 地表截断引排

基坑附近地表除做渗水防护外，还要设置截水沟和排水沟，必要时可加设边沟。截水沟布置按截断场地外来水和场地周边水为原则。排水沟尺寸可以按汇流面积和雨量计算，要求排水顺畅，且能及时引排。设置的截水沟和边沟，在平时需要加盖以确保场地平整、安全。降雨时可以按间隔距离翻起上盖以观察，掌握沟内水流情况。

2.3.3 加大坑内深井排水

重力水的一个重要特点是从高处向低处运动，基坑作为区域负地形其汇水作用显著，降雨显然会加重深井排水负担，因此降雨期间需要加大坑内深井排水量，做好深井泵的维护工作。

2.3.4 加强对观测井的监视

基坑止水帷幕外侧的观测井可以反映深井降水效果和止水帷幕的作用，必要时还可以利用观测井实施回灌，以削弱基坑降水对周围环境的影响。在雨季观测并比较基坑周边回灌井水位及其变化情况可以获得很多有效信息，利于掌握降水区域全局情况[4]。

3 结语

基坑工程降水受环境条件影响较为显著，施工中应考虑一定的安全储备和应对方案。特别是在受梅雨季节影响的地区，区域性持续性降水会成为地下水补给源，而强降水导致的地表水汇流也会对基坑安全构成威胁，因此全面强化排水措施和根据补给增量确定的降水方案会有助于基坑工程的顺利施工。