劉金秀 時(shí)國(guó)松

(1.壽光市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，山東 壽光 262700;2.北京交通大學(xué)海濱學(xué)院，河北 黃驊 061199)

0 引言

降水對(duì)于水位較高的區(qū)域的基坑施工非常重要。沒(méi)有較為干燥的施工環(huán)境，對(duì)于施工速度和質(zhì)量無(wú)法保障。降水作為基坑開(kāi)挖的前置工作，不但施工組織上需要充分考慮，同時(shí)也影響著基坑的穩(wěn)定性，對(duì)基坑安全施工比較重要。降水的時(shí)間長(zhǎng)短和降水深度對(duì)于局部區(qū)域生態(tài)環(huán)境也是有一定影響的，尤其是根須較深的樹(shù)木，長(zhǎng)時(shí)間的降水可能會(huì)導(dǎo)致死亡。在建筑物密集的城市中心地帶開(kāi)挖基坑，降水也會(huì)對(duì)周?chē)ㄖ蛶r土的不均勻沉降起到促進(jìn)作用，也有可能導(dǎo)致建筑物傾斜過(guò)大、傾覆、道路開(kāi)裂等極端工程災(zāi)害發(fā)生。所以降水前一定要充分理解降水原理，以及降水可能導(dǎo)致的不良后果，同時(shí)還要兼顧降水的經(jīng)濟(jì)性。

渤海灣沿海地帶的地下水位和地質(zhì)情況與內(nèi)陸區(qū)域相差很大。如濟(jì)南、石家莊、臨沂等地的水位線在不斷下降，浮動(dòng)比較大，地下幾米至十幾米的都有。而沿海地帶的濰坊、東營(yíng)、滄州等地的地下水有時(shí)候只有一兩米深。地質(zhì)環(huán)境也是有區(qū)別的，魯中和河北西部地區(qū)地下角礫、巖石較多，而沿海地區(qū)基坑幾乎碰不到碎石，粘土、粉土、砂占據(jù)了基坑能夠開(kāi)挖深度的主要地質(zhì)層。

1 降水原理與模型概述

在基坑降水前，我們是無(wú)法預(yù)知基坑總體的涌水量，只能通過(guò)模型計(jì)算?，F(xiàn)在的相關(guān)規(guī)范和計(jì)算方法都是以法國(guó)水力學(xué)家裘布依的水井理論為基礎(chǔ)的。先假定地層均勻一致，也就是說(shuō)每層土的滲透系數(shù)是一致的，同時(shí)地下水在抽水前保持靜止，沒(méi)有暗流。在抽水2 d～6 d 后，水位降落漏斗就會(huì)保持穩(wěn)定。根據(jù)裘布依理論，將豎向沿降落漏斗虛擬成若干個(gè)小的圓柱，小圓柱分的越細(xì)，得到的結(jié)果就會(huì)越準(zhǔn)，以無(wú)壓完整井為例，應(yīng)用微分原理可知:

其中，Q 為涌水量;x 為水井外法向坐標(biāo)，以水井最深處為原點(diǎn);y 為水井豎向坐標(biāo)，以水井最深處為原點(diǎn);K 為滲透系數(shù)。

將式(1)分離變量，然后進(jìn)行定積分計(jì)算，x 的積分區(qū)間［r，R］，y 的積分區(qū)間［h，H］，積分后結(jié)果如下:

其中，H 為含水層厚度;h 為降落漏斗底部至不透水層的距離;R 為降水影響半徑;r 為水井半徑。

然后我們令S=H－h(huán)，S 為井中水位和原有水位差，則涌水量公式可以變換成:

為了把水井模型和基坑聯(lián)系起來(lái)，這里把基坑假想成由降水井點(diǎn)管?chē)傻乃?。基坑的形狀各異，多?shù)不是圓的，沒(méi)有半徑r，從而提出了等效半徑r0，用來(lái)代替r。也就是在基坑長(zhǎng)寬比不是很大的情況下，認(rèn)為基坑是圓的。以井點(diǎn)管?chē)傻拿娣e為圓的面積，計(jì)算等效半徑r0。

其中，A 為井點(diǎn)管?chē)傻拿娣e。

那么式(3)中仍存在一個(gè)未知數(shù)就是降水影響半徑R。其計(jì)算公式?jīng)]有經(jīng)典計(jì)算公式，基本上都是經(jīng)驗(yàn)公式，通常選用庫(kù)薩金或是吉爾哈特的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。這里我們選用庫(kù)薩金的計(jì)算公式舉例說(shuō)明，見(jiàn)式(5)。注意式(5)中R 僅是按單井水位降落漏斗時(shí)的影響半徑，并沒(méi)有考慮基坑的擴(kuò)大效應(yīng)，所以式(3)中的R 應(yīng)該用R+r0替換。

這里可能還有一問(wèn)題就是K 的取值，如果是地下所有土層的滲透系數(shù)是一樣的，這個(gè)公式就適用。實(shí)際上很難遇到各層土的K 相同的情況，不一樣就需要使用加權(quán)平均值的方法。如果質(zhì)疑加權(quán)平均值的正確性，就只能通過(guò)抽水試驗(yàn)測(cè)定一個(gè)綜合滲透系數(shù)。

2 布置與計(jì)算

基坑總的涌水量是在確定好井點(diǎn)管水平布置和高程布置之后才能計(jì)算的。所以井點(diǎn)管的水平布置和高程布置是比較重要的。水平布置的選擇比較多，單排布置、雙排布置、環(huán)形布置等均可以選用，既要考慮基坑形狀，又要考慮經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于沿海地區(qū)的高層建筑而言，由于地下水位比較高，所以選用環(huán)形布置的還是比較多的。有時(shí)候考慮地下水流方向，也可以設(shè)置U 形布置，將開(kāi)口一側(cè)設(shè)置在下游。高程布置的主要目的把基坑中間的水位線降到基底以下安全高程范圍內(nèi)，通常為基底下0.5 m～1 m。由于基坑的降落漏斗曲線是拱形，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)水力坡度數(shù)值(約1/10～1/5)沿預(yù)降基底水位線計(jì)算至井點(diǎn)管位置，可以計(jì)算出井點(diǎn)管的埋深，濾管長(zhǎng)度下延1 m 即可。得到了井點(diǎn)管埋深后，利用式(3)計(jì)算涌水量。如果是非完整井或是承壓井，可按照《建筑與市政工程降水規(guī)范》第六章的有關(guān)公式計(jì)算涌水量。

總的涌水量計(jì)算完成后，下一步就要布置井點(diǎn)管的根數(shù)。之前需要知道單根井點(diǎn)管的抽水能力。將不同類(lèi)型的單根井點(diǎn)管出水量經(jīng)驗(yàn)公式總結(jié)如下。

1)普通輕型井點(diǎn):

其中，d 為井點(diǎn)管直徑，m;l 為井點(diǎn)管長(zhǎng)度，m。

2)其他輕型井點(diǎn):噴射井點(diǎn)，可按工程降水規(guī)范選取。電滲井點(diǎn)可按普通輕型井點(diǎn)公式計(jì)算。

3)管井井點(diǎn):

其中，d'為濾管外直徑，mm;l'為濾管長(zhǎng)度，m;α'為含水層經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，參見(jiàn)降水規(guī)范。

用基坑涌水量除以單根井點(diǎn)管的出水能力，即可得到井點(diǎn)管所需數(shù)量。這里需要注意的是，在布置輕型井點(diǎn)管的時(shí)候考慮排水總管的進(jìn)水口距離是有模數(shù)的，要根據(jù)實(shí)際情況選取。管井沒(méi)有總管，所以無(wú)需考慮。

3 不同降水方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

降水前應(yīng)對(duì)降水區(qū)域進(jìn)行深入的工程勘查，如當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)概況、地下水類(lèi)型、第四系土的性質(zhì)與分布、巖土情況、周?chē)延薪ㄖc市政工程等?；拥慕邓椒傮w上分為兩類(lèi)，一類(lèi)是重力降水，即明排法;另一類(lèi)是強(qiáng)制降水，即井點(diǎn)法。兩種方法在實(shí)際工程中均應(yīng)用廣泛，有時(shí)兩種方法共同使用，形成綜合降排水系統(tǒng)。

明排法即利用四周的排水溝及集水井收集地下涌水，用水泵抽到基坑以外。該方法施工比較簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性較好，對(duì)周邊生態(tài)破壞較少。但隨著基坑開(kāi)挖的不斷進(jìn)行，排水溝也需要不斷加深。當(dāng)涌水量較大或者基坑寬度較大時(shí)，還需要設(shè)置盲溝。如果降水的水位差太大，比較容易發(fā)生流砂、管涌和塌方。一般適用于降深不超過(guò)2 m 的基坑，且不易產(chǎn)生流砂、管涌粘性土、砂土和碎石土層。降水地層的滲透系數(shù)小于0.5 m/d。

井點(diǎn)降水由于能改變基底水流方向，即改變動(dòng)水壓力方向，對(duì)基底具有保護(hù)作用，降水力度大等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。兩種類(lèi)型的井點(diǎn)具有的特點(diǎn)不同，適用范圍也有區(qū)別。

輕型井點(diǎn)適用于滲透系數(shù)不大的深基坑，如粘土、粉質(zhì)粘土和粉土等，滲透系數(shù)在20 m/d 以下。對(duì)于淤泥或是淤泥質(zhì)粘土，如果滲透系數(shù)在0.1 m/d，可采用電滲井點(diǎn)。特別適用于邊坡不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生流砂、流土和管涌的基坑。普通輕型井點(diǎn)的降深不得大于6 m，因?yàn)槠浣邓硎抢谜婵諏⑺畯牡叵鲁槌鰜?lái)，如果降深大于6 m，可考慮采用多級(jí)普通輕型井點(diǎn)，但最大降深也不能超過(guò)20 m，上下相鄰兩級(jí)井點(diǎn)管的高程差不得超過(guò)5 m。如果不采用多級(jí)輕型井點(diǎn)，也可采用噴射井點(diǎn)，最大降深仍不能超過(guò)20 m。如果場(chǎng)地有特殊要求，也可以采用斜井，以減少地下水對(duì)邊坡的沖擊。

管井類(lèi)的抽水強(qiáng)度大，降水能力強(qiáng)，但造價(jià)往往比輕型井點(diǎn)要高出許多。適用于地下水豐沛，且地下土層多為滲透性較強(qiáng)的砂土和碎石土。降水深度超過(guò)20 m 的基坑使用該方法比較經(jīng)濟(jì)。對(duì)于住宅小區(qū)具有整體車(chē)庫(kù)的，管井降水應(yīng)用也比較廣泛。為了提高降水能力，有時(shí)會(huì)在基坑中央范圍內(nèi)也設(shè)置井點(diǎn)。管井在基礎(chǔ)施工完成后需要進(jìn)行封井處理，處理不好容易產(chǎn)生較多工程地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。

4 渤海灣沿海地區(qū)基坑降水適用方法

環(huán)渤海灣區(qū)域城市包括山東、河北、天津、遼寧在內(nèi)的近20 個(gè)地級(jí)及以上城市，但實(shí)際上屬于渤海灣沿海地帶的有大約10 個(gè)城市:濰坊、東營(yíng)、滄州、天津、唐山、秦皇島、葫蘆島、盤(pán)錦、錦州、營(yíng)口。這10 個(gè)城市除秦皇島、葫蘆島的海岸外，均屬于泥灘，向內(nèi)陸延伸幾十千米至上百千米不等。這些區(qū)域雖沿海，工程地質(zhì)環(huán)境比較差，地下10 m 內(nèi)以粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、細(xì)砂為主，普遍的滲透系數(shù)不大。很少出現(xiàn)粗砂、碎石土，在建筑工程可勘察范圍內(nèi)，很難觸及基巖。特殊淤泥或淤泥質(zhì)粘土經(jīng)常出現(xiàn)在不同深度土層中。

渤海灣外的城市借助天然地質(zhì)優(yōu)勢(shì)，早已形成優(yōu)良港口城市，如青島、煙臺(tái)、大連等。天津?yàn)I海新區(qū)的建立，促進(jìn)了渤海灣內(nèi)經(jīng)濟(jì)圈的發(fā)展。同時(shí)渤海灣內(nèi)其他城市也都在加緊發(fā)展海岸經(jīng)濟(jì)，如山東的濰坊濱海經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、河北的渤海新區(qū)等。越來(lái)越多的高層建筑出現(xiàn)在海岸泥灘地帶，生活空間形成地下地上交錯(cuò)縱橫的情況。建筑的地下空間的開(kāi)發(fā)加速發(fā)展，由此帶來(lái)降水問(wèn)題越來(lái)越凸顯。這些地區(qū)水位基本與海齊平，至內(nèi)陸幾十千米其深度也不過(guò)一兩米，所以降水方案的設(shè)計(jì)比較重要。

針對(duì)以上情況，提出以輕型井點(diǎn)為主，大口井為輔，明排兼濟(jì)的綜合降水方案。對(duì)于建筑物不高，沒(méi)有地下室或是人防要求的，單獨(dú)采用明排也可以，寬度過(guò)大，加盲溝輔助。一般高層建筑有單層車(chē)庫(kù)或是人防，可采用一級(jí)輕型井點(diǎn)降水。對(duì)于有多層地下結(jié)構(gòu)的建筑，可以采用多級(jí)輕型井點(diǎn)或是噴射井點(diǎn)。對(duì)于較深土層有淤泥或是淤泥質(zhì)粘土的基坑，采用電滲井點(diǎn)排水?；用娣e過(guò)大，采用大口徑輔助，即在基坑內(nèi)部設(shè)置排水設(shè)備。

降水也會(huì)帶來(lái)不少生態(tài)破壞和自然災(zāi)害，在降水期內(nèi)要時(shí)刻觀察出水水質(zhì)、周邊已有工程沉降開(kāi)裂和生態(tài)平衡等情況。地面沉降過(guò)大時(shí)應(yīng)先停止降水，分析原因后再繼續(xù)。也可采取回灌措施，防止土層固結(jié)沉降。充分做好過(guò)濾措施，嚴(yán)禁排水?dāng)y砂帶土，造成邊坡基底掏空沉降或失穩(wěn)。

5 結(jié)語(yǔ)

降水措施多種多樣，方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮多方面因素，不可一味追求技術(shù)可行性，需要同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。要從原理出發(fā)，通過(guò)充分的現(xiàn)場(chǎng)勘察、滲透試驗(yàn)、精確計(jì)算來(lái)對(duì)比方案，選取適于特定工程的施工方法。對(duì)于渤海灣沿海地區(qū)，優(yōu)先采用輕型井點(diǎn)是必要的。當(dāng)然也不能以偏概全，要從工程實(shí)際出發(fā)確定最優(yōu)方案。

［1］應(yīng)惠清.土木工程施工［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2007.

［2］JGJ/T 111—98，建筑與市政降水工程規(guī)范［S］.

［3］《建筑施工手冊(cè)》編委會(huì).建筑施工手冊(cè)［M］.第5 版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.