朱 家 宏

(河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016)

我國地域遼闊，各地工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件差異性很大。在長三角等沿海地區(qū)，分布著大量的深厚軟土地層，這些地層土體含水量高，土體抗剪強(qiáng)度低，地下水水位埋深淺，存在著高水頭承壓水。根據(jù)大量的工程實(shí)踐，這些地區(qū)的基坑工程事故，多數(shù)是由于基坑工程設(shè)計施工中，沒有處理好地下水的問題，地下水控制成為基坑工程成敗的關(guān)鍵。因此深入了解基坑工程中的地下水問題，以及相應(yīng)的地下水控制技術(shù)是確?；庸こ贪踩年P(guān)鍵。本文對基坑工程中常見的地下水問題進(jìn)行了分析，并對相關(guān)的設(shè)計控制方法、風(fēng)險問題進(jìn)行了探討。

1 深基坑抗?jié)B流穩(wěn)定性問題

在基坑工程中，由于基坑開挖預(yù)降水，基坑側(cè)壁內(nèi)外常形成一定的水頭差，一般容易發(fā)生流土破壞，基坑工程設(shè)計中通常采用設(shè)置基坑止水帷幕，通過設(shè)置一定深度止水帷幕，達(dá)到滿足抗流土破壞的目的。

基坑工程中，管涌現(xiàn)象也時有發(fā)生，比如基坑止水帷幕漏水甚至止水帷幕整體失效，則基坑外側(cè)的地下水通過止水帷幕的孔隙中滲漏，水流夾帶基坑外圍的細(xì)顆粒流入基坑，將外圍的土體掏空，造成基坑外圍地表大面積沉降下陷、基坑周邊房屋開裂。

對于不同水文地質(zhì)條件，常采用設(shè)置不同插入深度的止水帷幕，一般將止水帷幕按照端部是否進(jìn)入相對隔水層，可分為懸掛式止水帷幕和封閉式止水帷幕[1]。

在深厚含水層的情況下，除了特別復(fù)雜敏感的環(huán)境條件限制以外，受經(jīng)濟(jì)條件的限制，一般采用懸掛式止水帷幕較多，對于此種類型的止水帷幕設(shè)置深度，既要滿足抗?jié)B流的影響，同時還需考慮降水對周邊環(huán)境的影響，盡量做到按需降水。

2 深基坑抗突涌穩(wěn)定性問題

當(dāng)基坑開挖深度內(nèi)存在承壓水含水層時，由于承壓水水頭往往高于基坑內(nèi)待開挖的土體開挖面，當(dāng)開挖深度內(nèi)的土體自重，不足以平衡承壓水水頭壓力時，基坑內(nèi)承壓水含水層，在向上的水頭壓力下水體會沖破基坑底板土體造成突涌破壞，同時會發(fā)生噴水冒砂的現(xiàn)象，由于噴出的水流帶出土體中的細(xì)顆粒，會造成基坑周邊大面積沉降下陷、基坑周邊道路開裂沉降、房屋開挖變形。

在深基坑工程中，由于承壓水突涌造成的工程事故時有發(fā)生，例如2009年發(fā)生的上海地鐵四號線董家渡段隧道地層塌陷等[2]，雖然采用各種措施進(jìn)行了修復(fù)，例如地下水回灌等措施，但仍然給國家造成了不小的損失。

3 深基坑工程地下水降水設(shè)計

3.1 基坑降水的作用

基坑降水是基坑土方開挖過程中，確?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)安全的必要措施，其主要的作用為[3]：

1)防止基坑側(cè)壁因地下水在水頭壓力下發(fā)生滲流破壞。

2)消除或減少作用在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的靜水壓力與滲透壓力，提高基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3)為基坑土體開挖及主體結(jié)構(gòu)施工，提供干作業(yè)面，方便施工。

4)滿足主體結(jié)構(gòu)抗浮要求。

3.2 深基坑降水設(shè)計

深基坑降水設(shè)計是基坑工程支護(hù)設(shè)計的一部分，降水設(shè)計應(yīng)根據(jù)基坑工程為滿足主體結(jié)構(gòu)施工的開挖深度、基坑開挖深度范圍內(nèi)含水層水文地質(zhì)條件確定具體的設(shè)計方案，以達(dá)到疏干開挖深度范圍內(nèi)的土體、降低含水層水頭滿足基坑抗突涌安全要求，同時基坑降水還需配合土方開挖，滿足基坑分期、分區(qū)開挖土方的要求?；咏邓鶗又苓呍斐梢欢ǖ牟焕绊懀S著降水的進(jìn)行，地下水影響半徑范圍內(nèi)水頭會有一定的降低，根據(jù)土力學(xué)有效應(yīng)力原理，土體的重度會從浮重度增大到接近于飽和重度，從而在降水影響范圍內(nèi)產(chǎn)生附加沉降。

基坑降水設(shè)計計算，可根據(jù)相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行計算，按照現(xiàn)行基坑規(guī)范推薦的“大井法”公式，但由于規(guī)范公式無法考慮一些比較復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，如含水層厚度變化、邊界條件不規(guī)則、基坑設(shè)置了止水帷幕等情況，實(shí)際應(yīng)用中一些基坑降水方案設(shè)計往往根據(jù)場地的地質(zhì)條件，建立三維地下水滲流模型，并采用數(shù)值方法進(jìn)行設(shè)計計算，比較符合實(shí)際情況。

根據(jù)地下水動力學(xué)原理，依據(jù)場地實(shí)際的水文地質(zhì)工程條件，可將求解地下水水流流動、水頭分布的問題，概化為一定的水文地質(zhì)概念模型。然后根據(jù)與工程場地具體的水文地質(zhì)條件，建立與之相適應(yīng)的地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型[4-6]：

其中,kx,ky,kz分別為滲透系數(shù)在x,y,z方向上的分量,m/d；h為點(diǎn)(x,y,z)在t時刻的地下水水頭,m；W為單位體積井流量,L/d；h0為模型計算區(qū)域的初始水頭,m；h1為第一類邊界的水頭值,m；Ss為地下水的貯水率,L/m；t為時間,d；Ω為計算的區(qū)間范圍；Γ1為第一類邊界。

對整個滲流區(qū)網(wǎng)格剖分后，可采用相關(guān)的數(shù)值方法，如有限差分或者有限單元方法將上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，得到數(shù)值模型，以此為基礎(chǔ)運(yùn)用計算程序軟件，例如visual modflow，GMS等，結(jié)合抽水試驗資料，對模型參數(shù)進(jìn)行識別、檢驗，從而得到能代表實(shí)際含水層的地下水流模型，然后進(jìn)行基坑降水設(shè)計計算、預(yù)測不同時間尺度上的基坑降水引起的地下水水頭分布、基坑水位降深變化情況。

基坑降水引起的地面沉降變形，主要結(jié)合太沙基一維固結(jié)理論、比奧固結(jié)理論，實(shí)際工程應(yīng)用上一般先根據(jù)上述地下水流模型計算出各含水層中的水位變化，根據(jù)各含水層的水位變化情況，計算各土層的有效應(yīng)力的變化，再計算各土層的變形量，各土層的變形量之和即為地表沉降量。實(shí)用中基坑降水引起的周邊沉降情況，一般可采用JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程的公式進(jìn)行計算[7]:

其中，s為基坑降水引起的土體沉降量，m；Ψw為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；Δσzi′為基坑降水引起的地面下第i土層中點(diǎn)處的附加有效應(yīng)力，kPa；Δhi為第i層土的土層厚度，m；Esi為第i層土的壓縮模量，kPa；應(yīng)取土的自重應(yīng)力至自重應(yīng)力與附加有效應(yīng)力之和的壓力段的壓縮模量值。

基坑降水對周邊環(huán)境的不利影響主要是由降水漏斗引起的周邊建筑物、地下管線的不均勻沉降造成的，可根據(jù)具體情況在基坑外設(shè)置一定數(shù)量的回灌井設(shè)施，進(jìn)行地下水回灌，保持需要保護(hù)的部位的地下水水位不變，以消除基坑降水所產(chǎn)生的地表變形危害。

4 結(jié)語

本文結(jié)合相關(guān)工程規(guī)范，對深基坑工程設(shè)計施工中的地下水問題以及相應(yīng)的控制技術(shù)，進(jìn)行了分析探討，深基坑工程中的設(shè)計施工中，必須對水的問題有一個清晰的認(rèn)識，才能確?；庸こ瘫旧砑爸苓吔ㄖ锏陌踩?/p>

1)深基坑工程設(shè)計中，需考慮基坑地下水抗?jié)B流穩(wěn)定性，滿足流土、管涌及抗突涌安全驗算。

2)基坑降水設(shè)計，需根據(jù)場地實(shí)際的水文地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計計算，同時降水深度應(yīng)按需進(jìn)行，確保基坑周邊環(huán)境變形在容許的范圍內(nèi)，對于一些大型、基坑周邊環(huán)境復(fù)雜的工程，可采用地下水三維數(shù)值模擬，建立水文地質(zhì)數(shù)值模型進(jìn)行設(shè)計計算，必要時可結(jié)合地下水回灌系統(tǒng)，使基坑周邊的變形在允許的范圍以內(nèi)，以達(dá)到確保基坑周邊環(huán)境安全。