李良琦，邱莉婷，馬福恒，俞揚峰

（1.河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程建設管理局，河南 鄭州 450008；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

臨江河地區(qū)的場地地貌大多呈典型雙層結構，下部強透水土層的透水性往往比上部弱透水土層大幾個數(shù)量級，且直接受江河水補給［1］。該區(qū)域工程建設的基坑降水問題一直備受關注，采用傳統(tǒng)的明挖降水方案，難以滿足水位降深需求。同時，由于井群布設與管井結構、管井與防滲帷幕組合等基坑降水方案設計缺乏相關規(guī)范規(guī)程指導，實踐應用時較為關注工程條件，反而忽略了基坑場地的自然地質(zhì)、水文地質(zhì)以及含水層的水文地質(zhì)結構特點，導致基坑降水效果難以達到預期要求［2］。

本文以河南省黃河北岸某輸水及灌區(qū)工程為研究對象，對鄰黃河的長距離輸水工程深基坑降水問題進行探討，通過對管井降水方案［3］、管井加懸掛式防滲墻組合方案的分析，提出可行的深基坑地下水控制方案，為類似工程提供建議和參考。

1 工程概況

背景項目是國家 172 項節(jié)水供水重大工程之一，其施工 1 標段位于河南省洛陽市吉利區(qū)。工程從水利樞紐壩下口門引水，新建輸水總干渠及渠道建筑物，其中，新建渠道長約 9.48 km，新建建筑物長約 2.65 km；新建建筑物 30 座，包括渠道倒虹吸 5 座、矩形槽 3 座、節(jié)制閘 2 座、分水閘 2 座、穿渠倒虹吸 2 座和橋梁 16 座等。工程區(qū)位于黃河灘地、黃河Ⅰ階地和黃河Ⅱ階地，地面高程 124～127 mm。地下水類型主要為松散層孔隙潛水，賦存于砂卵石孔隙中，水位埋深 2.5～6.3 m，水位高程 119～121 m。由于工程區(qū)地下水埋藏較淺，普遍高于渠道及渠道建筑物底板設計高程，施工采用明挖法作業(yè)，過程中存在基坑降水問題。其中，工程平面布置圖如圖 1 所示，渠道典型斷面如圖 2 所示。

圖1 工程平面布置示意圖

圖2 渠道結構橫斷面圖（單位：mm）

工程區(qū)地層以第四紀新近沉積物為主，主要分為兩層，為典型的河流二元結構（見圖 3）。根據(jù)初步設計階段勘察成果，第①層砂壤土（Q42al），褐黃色，干～稍濕，松散狀，土質(zhì)不均，局部砂粒含量較高，可見少量植物根系，見有蝸牛殼碎片。人工填土呈灰黃色，干，密實狀，填土為路基土，以砂壤土為主，含有植物根系、碎石等雜物。具弱～中等透水性，滲透系數(shù)一般為 4× 10-4cm/s。第②層卵石（Q42al），灰白、紫紅色，卵石以石英砂巖為主，雜少量石英巖及安山巖，粒徑一般 3～6 cm，少量達 15～20 cm，最大粒徑超 20 cm，多呈次圓狀，含量約 55 %～65 %，泥砂質(zhì)充填，未膠結，有架空現(xiàn)象，鉆探時有漏槳、掉鉆現(xiàn)象。工程區(qū)主要為黃河漫灘、沖洪積扇和沖洪積傾斜平原，黃河古河道擺動較大，沉積環(huán)境導致地層巖性不均一，結構變化大，工程各段卵石層滲透系數(shù)存在差異，初步設計階段勘察所得工程不同部位的卵石層滲透系數(shù)如表 1 所示。

圖3 工程區(qū)地層剖面圖

表1 地勘階段滲透系數(shù)統(tǒng)計表

2 基坑降水難點

地層滲透性強，工程區(qū)主要含水層為卵石層，卵石層滲透系數(shù)為 0.5～2.0 cm/s，屬于極強透水地層；開挖深度大，基坑開挖深度 9～13 m；水位降深大，工程區(qū)要求水位降深 6～12 m；基坑面積大，渠道及建筑物基坑采用明挖法+放坡施工，坡比 1∶1.75～1∶2.75，地下水抽排的強度大；地表水與地下水水力聯(lián)系密切，工程區(qū)臨近黃河，區(qū)內(nèi)坑、塘密布，地表水和地下水受黃河水位影響顯著，基坑降水會激發(fā)地表水大量補給地下水。同時，工程區(qū)主要為黃河漫灘、沖洪積扇和沖洪積傾斜平原，黃河古河道擺動較大，沉積環(huán)境導致地層巖性不均一，結構變化大。本文取工程區(qū)滲透系數(shù)差別較大的三個典型部位進行基坑降水方案研究。

3 管井降水方案設計及分析

3.1 涌水量計算

根據(jù)總干渠渠道斷面圖，基坑開挖范圍內(nèi)地層以卵石為主，基坑底部為卵石，選取 JGJ 120－2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》附錄 F 中 F.0.2 均質(zhì)含水層潛水非完整井公式計算 基坑降水涌水量，如式（1）、式（2）所示。

式中：Q總為基坑降水總涌水量，m3/d；k為滲透系數(shù)，m/d；H為潛水含水層厚度，m；h為降水后基坑內(nèi)的水位高度，h=H-S（m）；l為過濾器進水部分的長度，m；R為降水影響半徑，m，按R=2S（KH）1/2計算；S為基坑地下水位的設計降深，m，按低于底板 1 m 計算；r0為基坑等效半徑，m，按r0=η（a+b）/4 計算，（當b/a=0.2 時，η=1.1）；a、b分別為基坑長度、寬度，m。

基坑開挖后底板所處地層為卵石，工程區(qū)地下水位高程約 119～121 m，考慮到該地層土體透水性較強，為了保證在相對干燥的場地上施工，故降水時要求將地下水位控制在底板以下 1.0 m，工程區(qū)水位降深 4～12 m。工程基坑降水涉及地層的巖性主要為卵石，卵石層中夾細砂、中砂，地下水類型為孔隙潛水。工程區(qū)內(nèi)上部為砂壤土，下部為卵石，計算含水層厚度取 50 m。涌水量估算如表 2 所示。

表2 基坑涌水量估算表

3.2 管井降水方案設計

單井出水量Q單估算公式（3）如下。

式中：rs為管井直徑，m，計算取 0.2 m；l為過濾器淹沒段長度，m，計算取 9 m；k為滲透系數(shù)，m/d。

計算結果如表 3 所示，經(jīng)計算，經(jīng)計算，單井出水量Q單 為 5 129.78～8 143.01 m3/d（213.74～339.30 m3/h）。

表3 單井出水量估算表

降水井數(shù)量計算公式見式（4）。

式中：Q總為基坑涌水量，m3/d；Q單為單井出水量，m3/d，經(jīng)驗系數(shù)取 1.2。

降水井布置根據(jù)開挖斷面形態(tài)以及結構特征，降水井沿基坑兩側馬道均勻布置，倒虹吸邊坡無需襯砌的部位，降水井盡量靠近渠道中心線，降水井設計深度 25～30 m，上部 4 m 可采用實管，下部均采用濾水管，過濾器內(nèi)徑要求≥400 mm。根據(jù)基坑涌水量的估算結果，結合降水井單井出水量，工程部位降水井數(shù)量以及井間距計算結果如表 4 所示。

表4 降水井數(shù)量及井間距計算結果表

3.3 管井降水方案評價

1）單井出水量評價。單井出水量Q單為 5 129.78～ 8 143.01 m3/d（213～339 m3/h），目前市場上常規(guī)的深井泵最大出水量為 160～250 m3/h，無法滿足單井出水量的要求。同時，出水量＞250 m3/h 的深井泵需要單獨聯(lián)系廠家定制，大部分廠家無充足現(xiàn)貨，備貨時間較長。此外，工程對水泵及其配件的需求量很大，使用非常規(guī)型號水泵會導致設備安裝及降水運行維護不便，不僅會大幅度增加項目成本，還會嚴重影響工期。

2）降水井數(shù)量評價。基坑降水工程應使用常規(guī)型號水泵，以降低施工及運行維護的難度和成本，如采用額定流量≤250 m3/h 型號深井泵作為主要抽水設備。根據(jù)基坑涌水量的估算結果，調(diào)整后各工程部位降水井數(shù)量以及井間距計算結果如表 5 所示。基坑降水工程的降水井間距無具體規(guī)定，可參考基坑涌水量及單井允許出水量計算結果設置，但常規(guī)的降水井布置間距一般均≥10 m。由于本項目存在含水層滲透性極強，厚度大，施工期間水位降深大等特點，故降水井間距按 6～8 m 進行布置，但仍大于計算所需的降水井間距要求，不符合施工的客觀實際情況。

表5 調(diào)整后的降水井數(shù)量及井間距計算結果

綜上可知，基于工程區(qū)的水文地質(zhì)條件和各工程部位的設計要求，僅靠管井降水無法滿足基坑開挖的水位降深要求。

4 管井加防滲墻組合方案滲流分析

在強滲透性地基的城市建筑物密集區(qū)域［4］、臨江河區(qū)域［5］或近海區(qū)域［6］建設工程，其深基坑開挖一般采用防滲帷幕和排水的組合形式。本節(jié)選取渠首倒虹吸的基坑降水作為研究對象，將管井降水與懸掛式防滲墻結合，以減少施工現(xiàn)場的抽水設備配置需求，探尋切實可行的基坑降水方案。

4.1 有限元滲流分析原理

4.1.1 控制微分方程及定解條件

根據(jù)達西滲透定律及水流連續(xù)性方程，穩(wěn)定滲流的基本微分方程如下。

對于穩(wěn)定滲流，基本微分方程的定解條件僅為邊界條件，包括 Dirichlet 邊界條件，Neumann 邊界條件，以及自由面邊界和溢出面邊界條件。三維穩(wěn)定滲流問題實際上是求解下列定解問題。

式中：q為滲流區(qū)域邊界上單位面積流入（出）流量；S1、S2、S3和S4分別為已知水頭、已知流量、自由面和溢出面邊界。

結合變分原理，三維穩(wěn)定滲流問題的求解等價于求解能量泛函的極值問題。

根據(jù)研究區(qū)域的水文地質(zhì)結構，進行滲流場離散，取上式變分為零，再進行各子區(qū)域迭加，可得到有限元單元法求解滲流場的控制方程（8）。

式中：［K］為整體滲透矩陣；為各結點水頭值。

4.1.2 滲流量計算原理

采用中斷面法計算通過某斷面S的滲流量q可按式（9）計算。

式中：S為過流斷面；n為斷面正法線單位向量；kn為n方向的滲透系數(shù)；h為滲流場水頭。

如果需要計算通過某一斷面的滲流量，則取該斷面上的一排單元，使得各單元的某一中斷面組成該計算流量斷面。累加這些單元相應中斷面的滲流量即可得所求的該計算斷面的滲流量。

4.2 有限元網(wǎng)格剖分

采用商業(yè)軟件 MIDAS 進行滲流計算，遵循從“點→線→面→體”自下而上的建模技術，采用三維實體進行整體建模，網(wǎng)格剖分采用 8 結點等參單元。有限元模型坐標系（X，Y，Z）中的X軸為水平方向，指向右岸為正；Y軸為豎直方向，向上為正；Z軸為沿渠道軸線方向，指向下游為正。XZ平面為渠道底部平面。

土體材料分別為砂壤土與卵石，其中上部砂壤土層高 4 m，下部卵石層高 46 m。模型邊界長為 138 m，深度為 50 m，寬度為 31.2 m，以最大限度減小邊界效應對計算結果的影響。地下水位以及降水井水位采用結點水頭的方式進行模擬。渠道結構及抽水措施結構進行了較為精確的模擬，模型底部采用較為稀疏的有限元網(wǎng)格，并向降水井底和渠道逐步加密，總計 67 879 個單元，103 089 個結點。模型整體及橫斷面有限元網(wǎng)格如圖 4 所示，降水井及防滲墻結構有限元網(wǎng)格如圖 5 所示。

圖4 模型有限元網(wǎng)格圖

圖5 降水井及防滲墻結構有限元網(wǎng)格

4.3 模型邊界條件

模型外部水頭邊界采用結點水頭定義方式，因地下水位深 3 m，模型高度為 50 m，故模型兩側網(wǎng)格 3 m 以下結點的總水頭值為 47 m。模型外部水頭邊界設定如圖 6 所示；內(nèi)部水頭由于降水井深 18 m，降水高度為 12 m，降水井口至基坑頂部為 6 m，故降水井全部結點總水頭值為 32 m。模型內(nèi)部水頭邊界設定如圖 7 所示。

圖6 模型外部水頭邊界

圖7 模型內(nèi)部水頭邊界

4.4 模型計算參數(shù)及比對方案

砂壤土的滲透系數(shù)為 4×10-4cm/s ，卵石的滲透系數(shù)為 5×10-1cm/s，防滲墻的滲透系數(shù)為 1×10-6cm/s。方案比選在兩側的一級馬道各設一排降水井，根據(jù)不同降水井間距和不同防滲墻深度組合，按照表 6 所示方案進行模擬分析。

表6 降水井與防滲墻組合方案比對

4.5 計算結果分析

單井抽水量機械按 100 m3/h 的抽水能力計算，承壓水頭高 47 m，抽水高程 32 m。不同比選方案計算結果如表 7 所示。限于文章篇幅，這里僅展示方案七的有限元計算典型斷面壓力水頭等值線云圖（見圖 8 和圖 9），模型滲流方向示意（見圖 10）。

表7 不同方案計算結果

圖8 方案七典型橫斷面壓力水頭等值線云圖

圖9 方案七典型橫斷面壓力水頭等值線云圖

圖10 方案七模型滲流方向示意圖

方案九采用明挖排水，不設置降水井及防滲墻，有限元網(wǎng)格如圖 11 所示?；由?12 m，每 3 m 設置一施工階段步，共分為 4 步（S1～S4）開挖完成。因地下水位為地下 3 m 處，故從 S2步開始計算滲流。S4階段計算結果如圖 12 和圖 13 所示，各施工階段計算結果如表 8 所示。

圖11 方案九有限元網(wǎng)格

圖12 S4 階段典型橫斷面壓力水頭等值線云圖

圖13 S4 階段滲流方向示意圖

表8 各施工階段計算成果匯總表（模型寬 31.2 m）

由方案九計算可知，基坑內(nèi)滲流量隨基坑開挖而增大，在第 S4步滲流量達到最大。為與方案一至方案八進行對比分析，將方案九 S4階段基坑內(nèi)流量換算成同降水井間距（見圖 14）。對比得知，方案九明挖排水方案的滲流量遠大于降水井與防滲墻組合方案，滲流量在 2～3 倍之間，故推薦采用降水井與防滲墻組合的降水方案。通過滲流計算，結合工程實際條件以及類似工程經(jīng)驗，推薦采用降水方案七：一級馬道兩側布置降水井，井間距10 m，在基坑兩側 5 m 處設立 15 m 深防滲墻。該方案單井流量為 105 m3，降水時間為 18.3 d，在保證渠底地下水位滿足工程要求的前提下，在運行期間，與工程施工的互擾最小，管井及抽水設備的利用率最佳。

圖14 降水井與防滲墻組合降水方案與明挖排水方案滲漏量對比

5 結語

1）本臨黃河長距離輸水工程建設的基坑降水難點：極強透水地層，開挖深度大，基坑面積大，地表水與地下水水力聯(lián)系緊密，基坑降水激發(fā)地表水大量補給地下水，地下水抽排強度大。

2）選取工程滲透系數(shù)差別較大的 3 個典型部位進行管井降水方案研究。通過單井出水量、降水井數(shù)量及間距計算分析，得出僅靠管井降水無法滿足基坑開挖的水位降深要求。

3）研究管井降水和懸掛式防滲墻結合的降水方案，通過數(shù)值計算進行不同管井間距和不同防滲墻深度的組合方案比選，得出在一級馬道兩側布置井間距 10 m的降水井，結合基坑兩側 5 m 處設立 15 m 深防滲墻的組合方案滿足基坑開挖水位降深要求，同時，工程施工互擾小，管井及抽水設備的利用率佳。Q