富水区降水方案影响要素分析与应用*

李建全，孟 武

(1.天水市城市建设投资中心，甘肃 天水 741000； 2.天水市人民防空办公室，甘肃 天水 741000；3.建材天水地质工程勘察院有限公司，甘肃 天水 741000)

0 引言

基坑降水引起的地面沉降是较复杂且缓慢的过程，是渗流场与应力场耦合作用造成的现象。基坑施工过程中，不良的水文地质会造成流砂、管涌、坑底突涌等危害，所以需控制基坑地下水水位。基坑降水工程经过了长时间的发展，降水与堵水等相关理论技术已在大量工程项目中得到应用。

国内外专家学者针对基坑降水引起的周围地面沉降原因进行了广泛研究。Meinzer[1]在研究地下水过程中于1923年第1次定义了地面沉降概念。Helm[2]结合水位变化与土体应力间的相互关系，提出了因土体应力改变引起的地表沉降问题。谢康和等[3]对成层土中基坑开挖降水引起的土中应力变化及周围地表沉降求解方法进行了研究，认为基坑降水及由此引发的渗流使土中有效应力改变是基坑周围地表发生沉降的根本原因。何世秀等[4]基于抽水引起地层含水层压密原理研究了地表沉降问题，相关研究成果在实际工程中得到了应用。加青双等[5]采用SEEP/W对不同土体渗透系数在不同深度止水帷幕情况下的基坑降水效果进行了分析，认为渗透系数越大，止水帷幕深度越深，降水效果越好。

在工程应用方面，徐永亮等[6]研究了深厚卵石地层超深基坑降水问题，并以实际工程为背景，模拟论证并优化了开放式施工降水方案。刘宏扬等[7]应用理论计算和数值模拟相结合的方法研究了复杂条件下工程降水对减小周边环境影响的控制手段，优化并完善了施工技术。杨强等[8]应用Visual Modflow三维地下水流动模拟软件对实际工程基坑降水进行了模拟分析，实现了降水过程可视化展现。李曙光等[9]研究得出了富水软土地区一次性降水和分步降水工况下的基坑周围地表沉降规律。李莹等[10]采用井点降水法，开展了水利工程中河道软基超大深基坑降水施工方法和质量控制方法研究等，形成了详尽的基坑降水方法。张亚龙等[11]以西安地铁6号线施工为背景，结合理论分析及现场监测研究了降水方案及施工关键参数，得出止水帷幕联合坑内降水工艺能够有效实现饱和软黄土基坑降水的结论。本文依据现有研究成果，以雅鲁藏布江南Ⅰ级阶地某工程为背景，对影响降水效果的因素进行了模拟分析。

1 工程概况

本工程位于西藏山南地区雅鲁藏布江南岸、羊卓雍湖东北部，具有海拔高、受地表水和浅层江湖水影响显著的特点。场区北侧为雅鲁藏布江，水量丰富，但枯、丰水期流量差别较大。

场区地下水水位高，江水与地面的高差小，地形坡降小，排水不畅。场区内含水层主要为砂卵石层，赋存孔隙潜水或微承压水，主要由大气降水、场区南西侧方向的地下及地表径流补给，由地表径流向雅鲁藏布江排泄和人工取水排泄。勘探时测得稳定水位为1.600～2.600m，一般为2.000m，微承压性，承压水头一般≤1.000m。

根据前期勘察资料，丰水期地下水水位一般<0.500m，大雨过后，消水期一般为1～3d。据调查，枯水季节地下水水位下降，降深一般为1～2m，单井出水量>2 500m3/d，砂卵石层渗透系数为150m/d。

2 地下水降水控制方案设计

2.1 控制计算

本工程场地±0.000m标高根据现场确定，场地类别为Ⅱ类，含水层为单层，属降水工程的中等复杂场地。该场地地下水属孔隙潜水，卵石层深部透水性好，各井均按非完整井考虑，采用JGJ 111—2016《建筑与市政工程地下水控制技术规范》规定的公式计算条形基坑涌水量，得到基坑涌水量为61 721.41m3/d，管井单井涌水量为2 593.39m3/d，根据经验，实际单井涌水量仅为理论单井涌水量的50%～80%，本文按50%取值，故实际单井涌水量为1 296.7m3/d，降水井数量为60口。

考虑施工期处于丰水期，地下水水位涨幅为1～2m，计划设置16口基坑降水备用降水井、2口观测井，最终设置80口降水井。根据现场情况，降水井平均间距约为10，15m。

降水井深度可根据基底深度、降水深度、含水层埋藏分布、地下水类型、降水井设备条件及降水期间地下水水位动态变化等因素确定，经计算，降水井深度取-16m。

2.2 控制方案

1)降水井布设

按计算得到的降水井数量沿基坑开挖线外侧1m处环形布设降水井，圈闭整个基坑，整个基坑周长约1 162.18m，降水井按均匀布置原则进行定位，北侧相邻井间距为10m(该侧有护壁)，南侧相邻井间距为15m，东、西侧相邻井间距为14.4m。本文采用大井法计算模型，即将整个基坑看作1口大井，基坑涌水量与抽水井出水量平衡后水位下降，得到降水深度。降水井布置方案如图1所示。

2)降水井结构

单个降水井成井直径一般为800mm，且≥650mm，井身应保持垂直、不缩径。降水井采用螺旋钢管，其外径为377mm，内径为365mm，包括滤水管和盲管。

单个管井布置方式为：底部设置盲管用于沉砂，长度为6m；其上透水层设置滤水管，长度为6m；最顶部设置盲管，长度为4m。

3)降水设备

采用QS型深井潜水泵进行管井降水，出水量约为80m3/h，所用水泵流量为80m3/h，扬程≥20m，额定功率为11～15kW。

3 数值模拟分析

3.1 模型参数

1)土层参数

根据本工程地质勘察报告，假定土体模型潜水层共30m厚，由上而下分别为0.8m厚杂填土层、1.0m厚粉质黏土层、1.5m厚圆砾石层、26.7m厚砂卵石层。地下水水位为-1.500m。土层参数如表1所示。杂填土层主要成分为砂卵石，渗透系数较大。对于渗流降水计算，主要影响因素为土层渗透系数。

表1 土层参数

2)土体模型

考虑基坑降水对周围环境的影响，利用PLAXIS 3D软件建立土体模型，模型长600m、宽100m、深30m，自上而下依次为0.8m厚杂填土层、1.0m厚粉质黏土层、1.5m厚圆砾石层、26.7m厚砂卵石层，如图2所示。

3)井点降水模型

利用PLAXIS 3D软件建立井点降水模型，如图3所示，模型长540m、宽45m，模型长边设置38口井，井间距14.59m，模型短边设置4口井，井间距15m。降水井深度设置为-16m，降水井最大排水量为1 500m3/d，最低降水水位为-15.000m。

4)止水帷幕模型

利用PLAXIS 3D软件建立止水帷幕模型，如图4所示，止水帷幕布设于降水井外侧3m处，模型长546m、宽51m、深25m，为不透水界面。

5)渗流边界模型

土体模型的四周渗流边界条件设置为水头-1.500m且为常量，底部渗流边界条件设置为已关闭，如图5所示。

6)模型网格划分

本模型共划分87 492个单元，如图6所示。

3.2 计算结果

基坑降水主要取决于基坑排水量和补水量，当排水量大于补水量时，基坑水位下降；当排水量等于补水量时，基坑处于稳定渗流状态，基坑水位保持不变；当排水量小于补水量时，基坑水位上升。

计算结果表明，基坑中心降水后，最低水位为-4.160m，满足基坑开挖要求。

4 不同参数对降水深度的影响分析

4.1 止水帷幕设置与否

计算得到未设置止水帷幕时的基坑中心降水后最低水位为-2.630m。与设置止水帷幕的情况相比，可知设置深25m的止水帷幕可使基坑中心降水后的最低水位减小1.53m。

设置土层渗透系数分别为150，200，250m/d，计算得到设置与未设置止水帷幕时基坑中心位置最大降水深度，如表2所示。

表2 不同渗透系数下基坑中心位置最大降水深度

由表2可知，随着基坑土体渗透系数的增大，基坑中心位置最大降水深度呈减小趋势，相同渗透系数下，不设置止水帷幕会影响基坑中心位置降水效果，使中心位置最大降水深度减小。这是因为进行基坑降水时，若不设置止水帷幕，对于渗透系数较大的土层，基坑外的地下水将源源不断地汇入基坑内，使基坑降水达不到理想效果；当设置止水帷幕时，基坑外的水汇入基坑内须绕过止水帷幕，延长了地下水渗透路径，减小了地下水水力梯度，使地下水渗流速度减小，从而降低基坑补水量，当排水量大于补水量时，基坑水位下降。因此，当基坑处于渗透系数较大的土层时，进行基坑降水须设置止水帷幕。

4.2 降水井最大排水量

为研究降水井最大排水量对基坑降水深度的影响，设置降水井最大排水量分别为1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，4 000m3/d，计算得到对应的基坑中心位置最大降水深度分别为-3.89，-4.16，-4.43，-4.72，-4.98，-5.72m，可知随着降水井最大排水量的增加，基坑降水后中心位置最大降水深度近似呈线性关系降低。这是因为当止水帷幕深度一定时，地下水汇流界面高度和渗流路径长度是一定的，基坑补水量主要取决于地下水渗流速度，渗流速度又与止水帷幕内、外的水位差呈线性关系，因此，当线性增大降水井排水量时，基坑排水量随之线性增大，而止水帷幕外水位基本保持不变，在达到稳定渗流的情况下，又因补水界面和渗流路径一定，止水帷幕内、外的水位差随之线性增大，所以基坑中心位置降水深度近似呈线性关系降低。

4.3 降水井数量

为研究降水井数量对基坑降水深度的影响，将降水井数量分别设置为50，60，70，80，90口，计算得到基坑中心位置最大降水深度，如表3所示。

表3 不同降水井数量下基坑中心位置最大降水深度

由表3可知，随着降水井数量的增加，基坑中心位置最大降水深度近似呈线性关系降低。这是因为当止水帷幕深度一定时，地下水汇流界面高度和渗流路径长度是一定的，基坑补水量主要取决于地下水渗流速度，渗流速度又与止水帷幕内、外的水位差呈线性关系，因此，当线性增加降水井数量时，基坑排水量随之线性增大，而止水帷幕外水位基本保持不变，在达到稳定渗流的情况下，又因补水界面和渗流路径一定，故止水帷幕内、外的水位差线性增大，所以基坑中心体位置降水深度近似呈线性关系降低。

4.4 潜水含水层厚度

为研究潜水含水层厚度对基坑降水深度的影响，分别设置潜水含水层厚度为30，35，40，45m，计算得到对应的基坑中心位置最大降水深度分别为-4.16，-3.80，-3.51，-3.27m。当潜水含水层厚度由30m增至35m时，基坑中心位置最大降水深度减小了0.36m；当潜水含水层厚度由35m增至40m时，基坑中心位置最大降水深度减小了0.29m；当潜水含水层厚度由40m增至45m时，基坑中心位置最大降水深度减小了0.24m。当止水帷幕深度固定时，潜水含水层越深，基坑外部向内部补水的汇流界面越高，补水量越大。但潜水含水层越深，地下水渗流路径越长，渗流速度越慢，补水量较少，因此在潜水含水层厚度增幅一定的情况下，其对基坑中心位置降水深度的影响较小。

4.5 止水帷幕深度

未设置止水帷幕时，基坑中心降水后，最低水位为-2.630m。当止水帷幕深度为-15m时，基坑中心降水后，最低水位为-3.020m。当止水帷幕深度为-20m时，基坑中心降水后，最低水位为-3.570m；当止水帷幕深度为-25m时，基坑中心降水后，最低水位为-4.230m。当止水帷幕深度由0m变至-15m时，基坑中心降水后最低水位仅减小了0.39m，降水效果不明显；当止水帷幕深度由-15m变至-20m时，基坑中心降水后最低水位减小了0.55m；当止水帷幕深度由-20m变至-25m时，基坑中心降水后最低水位减小了0.66m。这是因为降水井深度为-20m，在-15～0m深度范围内设置止水帷幕时，虽在一定程度上延长了地下水渗流路径，但对地下水渗流的影响较小，起不到止水效果；在-20～-15m深度范围内设置止水帷幕对地下水渗流的影响较大，同时，止水帷幕越深，地下水从基坑外向基坑内汇流的界面高度越小，所以基坑最低水位降低较多。当止水帷幕深度达-30m时，为落地式止水帷幕，完全隔绝外界地下水向基坑内渗流，基坑中心降水后最低水位降低更多。

5 结语

降水是基坑工程的重要环节，高富水砂砾地层渗透系数较大，在影响半径高达1.5km以上的情况下，本文对地下水控制方案及不同参数对基坑降水效果的影响进行了深入分析，得出以下结论。

1)按是否设置止水帷幕进行了模拟计算，当设置止水帷幕时，基坑外的水汇入基坑内须绕过止水帷幕，延长了地下水渗透路径，减小了地下水水力梯度，使地下水渗流速度减小，从而有效降低了基坑补水量，可较大幅度提高水位降深。

2)随着降水井最大排水量的增加，基坑排水能力增强，基坑降水后，基坑中心位置最大降水深度随之降低。但降水井最大排水量是有限的，不可能无限增加，所以实际工程中，一般通过增加降水井数量的方式达到提高基坑排水能力的目的。

3)当线性增加降水井数量时，基坑总排水量线性增大，当达到稳定渗流时，基坑排水量与补水量相等，而补水界面一定、渗流路径基本保持不变，止水帷幕内、外的水位差线性增大，由于止水帷幕外水位基本保持不变，使基坑中心位置最大降水深度近似呈线性关系降低。

4)随着潜水含水层厚度的增加，降水后基坑中心位置最大降水深度逐渐上升，且上升趋势随着潜水含水层厚度的增大逐渐趋缓。

5)止水帷幕深度对地下水渗流的影响较大，止水帷幕深度越大，地下水从基坑外向基坑内汇流的界面高度越小，所以基坑最低水位降低较多。当止水帷幕为落地式止水帷幕时，完全隔绝了外界地下水向基坑内渗流，基坑中心降水后，最低水位降低更多。