王慶江

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

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降排地下水對(duì)環(huán)境影響的機(jī)理分析

王慶江

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

隨著現(xiàn)代建筑物向空中和地下的深度發(fā)展，基坑工程及其它地下作業(yè)工程起來(lái)越多。在富含地下水的地區(qū)，必然離不開(kāi)降排地下水工作。局部地下水的抽取必然會(huì)引起周邊一定范圍內(nèi)的地下水的連帶下降。不僅會(huì)造成地下水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，更會(huì)造成水位變化范圍內(nèi)地基土物理力學(xué)特性發(fā)生變化，對(duì)降排地下水對(duì)地基土物理力學(xué)特性改變的作用機(jī)理進(jìn)行闡述，從地基自身特性、周邊建筑物結(jié)構(gòu)形式、排水強(qiáng)度影響對(duì)降水作用產(chǎn)生的沉降變形進(jìn)行分析探討，并有針對(duì)性的提出預(yù)防降水活動(dòng)影響的具體措施。

地下水抽??；地基土；敏感因素；預(yù)防措施

1 降排地下水對(duì)地基土物理力學(xué)特性改變的作用機(jī)理

1.1 增加土體內(nèi)部附加應(yīng)力，產(chǎn)生沉降變形破壞

地下水水位在天然狀態(tài)下，地基土體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的固結(jié)沉降作用，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，并與附著其上的建筑物形成了一個(gè)平衡的受力關(guān)系，這種狀態(tài)在外部條件不變的情況下是穩(wěn)定的，因此建在其上的建構(gòu)筑物是安全的。

水對(duì)浸入其中的物質(zhì)都有一個(gè)浮托力的作用。如上所述，在有浮托力作用條件下，水的浮力、地基土承載力與上附建筑荷載處于平衡狀態(tài)。降水活動(dòng)使地下水位下降，在水位降深△H范圍內(nèi)原有的地下水浮托力消失，使地基土體內(nèi)已經(jīng)形成的內(nèi)力平衡狀態(tài)被打破，土體在自重及附加建筑物荷載作用下重新進(jìn)行固結(jié)沉降t，這一過(guò)程的最終結(jié)果是地基土沉降帶動(dòng)上附結(jié)構(gòu)物的沉降變形(見(jiàn)圖片1)。

圖1 不同地下水位狀態(tài)下地基土受力狀態(tài)

1.2 地下水流速加大引起的流土破壞

土體是由眾多的粒徑不等的大小顆粒組成的，天然狀態(tài)下，這些顆粒處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，地下水的自然流動(dòng)緩慢，不會(huì)對(duì)土體顆粒產(chǎn)生明顯的運(yùn)移作用。在人為降排水活動(dòng)作用時(shí)，地下水流速急劇增大，水流的裹攜力也成倍增加，土體顆粒就會(huì)按著先小后大的順序被水流沖運(yùn)移動(dòng)，有的隨水抽出地表排走，有的在另一個(gè)地下空間聚集沉積下來(lái)。失去土體顆粒的部位被掏空便形成了空隙，在重力作用下產(chǎn)生新的固結(jié)沉降。這個(gè)沉降最終作用到地表建構(gòu)筑物上，引起不同程度的沉降變形。

以上兩個(gè)沉降變形同時(shí)產(chǎn)生，發(fā)生時(shí)會(huì)形成疊加作用，使地基土變形量加劇，超過(guò)限值就會(huì)導(dǎo)致附著其上的建構(gòu)筑物產(chǎn)生變形破壞。

2 降水作用產(chǎn)生的沉降變形程度的主要影響因素

從降水作用引發(fā)沉降變形的作用機(jī)理分析，其變形程度主要受地基土自身特性、降排水強(qiáng)度及周邊建構(gòu)筑物基礎(chǔ)形式和主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型影響。

2.1 地基土自身特性

全國(guó)政協(xié)委員、水利部原副部長(zhǎng)翟浩輝，水利部原黨組成員周保志，水利部總工程師汪洪，水利部總規(guī)劃師兼規(guī)劃計(jì)劃司司長(zhǎng)周學(xué)文出席會(huì)議。中組部、中央國(guó)家機(jī)關(guān)工委、中農(nóng)辦、國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部、國(guó)家公務(wù)員局、審計(jì)署、國(guó)務(wù)院法制辦、國(guó)務(wù)院研究室、中國(guó)農(nóng)林水利工會(huì)等部門(mén)的有關(guān)負(fù)責(zé)同志受邀參加會(huì)議。

與降水活動(dòng)相關(guān)的特性主要包括土的類(lèi)型、滲透能力、固結(jié)程度。

1)按土的顆粒級(jí)配及塑性指數(shù)，地基土可分為碎石土、砂土、粉土、粉質(zhì)黏土和黏土。因構(gòu)成這幾類(lèi)土的顆粒粒徑及含量不同，在有地下水流動(dòng)作用時(shí)產(chǎn)生的顆粒運(yùn)移程度也不同。

2)土的滲透能力指標(biāo)是滲透系數(shù)，大小決定了地下水流在土體中的流速。同時(shí)在降水活動(dòng)中，滲透系數(shù)也是確定降水影響半徑的主要指標(biāo)，這在一定程度上決定了降水活動(dòng)影響范圍的大小。

3)土的固結(jié)程度受土體的形成年代影響，同時(shí)也有后期人類(lèi)活動(dòng)作用的影響。分為欠固結(jié)土、固結(jié)土和超固結(jié)土。在降水活動(dòng)作用下，固結(jié)土和超固結(jié)土因固結(jié)程度高，土顆粒間隙緊密，土體密實(shí)，不易受地下水位變化影響，而欠固結(jié)土因顆粒間隙大，土體松軟，自身尚處于固結(jié)沉降變化過(guò)程中，在失水引起的附加應(yīng)力作用下沉降效果更為明顯，因此欠固結(jié)土受降水活動(dòng)作用的影響就比較大。

2.2 降排水強(qiáng)度影響因素

降水強(qiáng)度指標(biāo)主要包括：水位降深、降深速率、外排水量及抽水持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。

就一個(gè)具體的降水工程而言，基坑開(kāi)挖的邊界、深度確定后，水位降深也就確定了。施工組織及施工工期決定了降水速率及持續(xù)時(shí)間。以上這三個(gè)參數(shù)確定后外排水總量也就確定了。

2.3 周邊即有建筑物的結(jié)構(gòu)形式及基礎(chǔ)形式

周邊即有建筑物的結(jié)構(gòu)形式及基礎(chǔ)形式?jīng)Q定了該建筑物的抗變形能力。整體框架結(jié)構(gòu)及剪力墻結(jié)構(gòu)要比一般的磚混結(jié)構(gòu)抗變形能力強(qiáng)；采用樁基等深基礎(chǔ)的建筑物要比筏板、條形基礎(chǔ)等淺基礎(chǔ)的建筑物抗變形能力強(qiáng)。同時(shí)首層建筑物上的接地附屬構(gòu)筑物與主體的聯(lián)接形式也是需要考慮的一個(gè)重要因素。比如首層落地陽(yáng)臺(tái)，如其與主體外墻之間的懸挑式連接風(fēng)度不夠，一旦下附地基土下沉，則陽(yáng)臺(tái)就可能產(chǎn)生下沉開(kāi)裂現(xiàn)象。這種現(xiàn)象多發(fā)生在一些老舊建筑物上，這種變形雖然不會(huì)對(duì)建筑物整體結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生影響，但會(huì)影響建筑的局部使用功能，處理不好會(huì)引發(fā)樓內(nèi)居民對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的矛盾沖突。

3 預(yù)防降水活動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境影響的措施

常規(guī)的預(yù)防措施主要有在降水區(qū)域與被保護(hù)對(duì)象之間設(shè)置回灌井進(jìn)行回灌補(bǔ)給，設(shè)置止水帷幕進(jìn)行隔水保護(hù)等。

回灌補(bǔ)給是利用抽出的地下水通過(guò)回灌系統(tǒng)再回流地下，以減少被保護(hù)對(duì)象周邊一定范圍地下水在降水活動(dòng)影響下的水位降深。因此需要在降水區(qū)域與被保護(hù)對(duì)象之間有足夠的補(bǔ)給空間，距離太近效果可能不太理想。

當(dāng)沒(méi)有回灌補(bǔ)給空間可利用時(shí)，就要采取止水帷幕方式進(jìn)行隔斷保護(hù)了。帷幕形式很多，包括深層攪拌樁式、高壓旋噴樁式、SMW工法樁式、地下連續(xù)墻式。根據(jù)需要兼職經(jīng)濟(jì)合理的原則選用。

工程案例：

濟(jì)南市凱旋新城小區(qū)基坑降水工程中，就發(fā)生了因降水引起周邊區(qū)域地基土沉降而導(dǎo)致附近居民樓產(chǎn)生變形開(kāi)裂問(wèn)題。在該工程的降水設(shè)計(jì)平面布置圖(如圖2)。

圖2 基坑 降水平面布置示意圖

該場(chǎng)區(qū)天然狀態(tài)地下水位埋深為3.65～5.0 m。

以上數(shù)據(jù)參考《凱旋新城巖土工程勘察報(bào)告》(華北有色工程勘察院有限公司編制)

基坑開(kāi)挖深度9.0 m，設(shè)計(jì)基底中心部位降水深度9.5 m，降水井設(shè)計(jì)深度15 m，井徑0.5 m，間距12 m；高壓旋噴樁止水帷幕深度18 m,厚度1.0 m(雙排咬合)。在基坑帷幕線外圍一定位置設(shè)置了適量的回灌井。

表1 地層條件一覽表

僅管在設(shè)計(jì)中已經(jīng)充公考慮了防護(hù)措施(設(shè)計(jì)了止水帷幕及回灌井)。但在降水運(yùn)行過(guò)程中仍發(fā)生了降水區(qū)東側(cè)幾棟六層住宅樓沉降開(kāi)裂的現(xiàn)象。分析原則主要有以下幾個(gè)方面：

(1)地層問(wèn)題。該區(qū)域地基土以粉質(zhì)黏土為土，從現(xiàn)場(chǎng)觀察，這種層具一種濕脹干縮特性，遇水鼓脹，失水收縮。水位下降后，地基體積收縮程度較大，導(dǎo)致較大的地基沉降。

(2)與鄰近工程降水產(chǎn)生疊加作用。距該施工場(chǎng)區(qū)約100 m的西北方向有一跨經(jīng)十西路的京滬鐵路互通立交橋，本工程開(kāi)工一年前立交橋形成后，橋下有一泵房一直在用水泵排水。排水期間立交橋西南約300 m處5#、6#住宅發(fā)生沉降變形開(kāi)裂現(xiàn)象。在施工降水與橋下排水疊加作用下，加劇了上層欠固結(jié)黃土狀粉質(zhì)黏土的二次固結(jié)沉降，從而導(dǎo)致總沉降量超過(guò)安全值而產(chǎn)生建筑物變形開(kāi)裂。

(3)止水帷幕效果差。止水帷幕施工時(shí)由于立交橋下抽水導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域地下水形成一條由東向西流動(dòng)的過(guò)水通道，且帷幕范圍內(nèi)還有一層強(qiáng)透水的卵石層，因此高壓旋噴樁成樁質(zhì)量較差，止水效果不理想。

(4)回灌井受場(chǎng)地限制，效果不理想。降水井與住宅樓間距離僅有約20m左右，還有圍墻綠化帶等，回灌井因距離太近不能發(fā)揮作用。

(5)淺基礎(chǔ)抗變形能力差。東側(cè)1#、2#、3#住宅樓采用的是筏板式淺基礎(chǔ)，且一樓陽(yáng)臺(tái)只采用條形基礎(chǔ)坐于地表，與主體結(jié)構(gòu)無(wú)剛性連接。降水時(shí)一樓陽(yáng)臺(tái)與主體連接處開(kāi)裂最為嚴(yán)重。樓的主體則產(chǎn)生較明顯的不均勻沉降引起的變形。而降水區(qū)南側(cè)與施工區(qū)平行的4#住宅樓由于基礎(chǔ)形式為夯擴(kuò)樁基地，首層陽(yáng)臺(tái)未落地，在整個(gè)降水期間未發(fā)生明顯沉降。

4 結(jié)語(yǔ)

降水對(duì)周邊環(huán)境的破壞作用多是由多個(gè)因素引起的，因此在施工前進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)查研究，進(jìn)行周密的設(shè)計(jì)計(jì)算是非常重要的?，F(xiàn)在開(kāi)發(fā)出了利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)整個(gè)降水活動(dòng)進(jìn)行沉降模擬的軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)可以近似模擬出降水影響范圍內(nèi)任意一點(diǎn)的地表沉降狀態(tài)，從而可以為降水安全運(yùn)行指引方向。

[1]巖土工程勘察規(guī)范.(GB50021-2001).

[2]建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范.(JGJ79-2012).

[3]姚天強(qiáng)，石振華.基坑降水守冊(cè).中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[4]吳林高.工程降水設(shè)計(jì)施工與基坑滲流理論.北京人民交通出版社.

[5]華北有色工程勘察院編制.凱旋新城巖土工程勘察報(bào)告.

2016-12-09

王慶江(1972-)，男，河北涿州人，高級(jí)工程師，主要從事基坑降水及邊坡支護(hù)工作。

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