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        砂卵石地層條件下明挖深基坑降水設(shè)計(jì)研究

        2022-10-18 09:14:38唐元俊
        黑龍江交通科技 2022年10期

        唐元俊

        (英泰克工程顧問(上海)有限公司山東分公司,山東 濟(jì)南 250003)

        1 基坑工程降水計(jì)算與降水設(shè)計(jì)

        1.1 單層含水層基坑降水計(jì)算

        假設(shè)底部邊界為不透水層時(shí),單層含水層的懸掛式圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑地下水滲流場(chǎng)。從圖中可以看出,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和底部的不透水層均可視為不透水邊界,由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部以下地下水的水平滲流速度遠(yuǎn)大于其垂直滲流速度,因此,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)正下方不同深度處的地下水流動(dòng)近似視為層流,其流線為水平線,等勢(shì)線線為垂直線。以此垂直等勢(shì)線將基坑滲流場(chǎng)分為內(nèi)、外兩個(gè)滲流場(chǎng),并可對(duì)這兩個(gè)滲流場(chǎng)的涌水量分別進(jìn)行求解。由于未完全阻斷地下水滲流,因此,坑內(nèi)總涌水量Q1等于坑外滲流總水量Q2。

        在基坑降水設(shè)計(jì)中,影響半徑是十分重要的概念,其定義為降水漏斗在平面上的最大投影半徑。在現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)中,直接采用測(cè)量設(shè)備檢測(cè)降水影響半徑較為困難,一般使用吉哈爾特公式和庫(kù)薩金公式等經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行確定。此外,一些學(xué)者在這些經(jīng)驗(yàn)公式中還考慮了時(shí)間和基坑半徑等相關(guān)影響因素。在本研究中,降水影響半徑根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)[7]進(jìn)行確定,可按下列公式計(jì)算

        (1)

        式中:R表示降水影響半徑,m;Sω表示井點(diǎn)降水深度,m;H表示潛水含水層的厚度,m;k為土層滲透系數(shù),m/d。

        為了分析基坑內(nèi)涌水量Q1和基坑外的中滲流水量Q2,需考慮以下兩個(gè)裘布依假設(shè)條件。

        其一,如果假設(shè)整個(gè)基坑作為一個(gè)大的降水井,圍護(hù)結(jié)構(gòu)為降水井井壁,則整個(gè)基坑可以被視為潛水不完全井,可利用國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)中所提出的公式近似地計(jì)算基坑外總滲流水量。對(duì)于長(zhǎng)寬比小于20的圓形或矩形基坑,根據(jù)以下方程式計(jì)算總滲流水量Q2

        Q2=

        (2)

        (3)

        式中:r0表示基坑的等效半徑,m;按r0=0.565(A0)0.5計(jì)算;A0表示基坑面積,m2;h′表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部的水頭,m;l表示抽水井進(jìn)水口部分的長(zhǎng)度,m。

        其二,由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)和底部邊界均為不透水層,根據(jù)達(dá)西滲流試驗(yàn)條件,可將基坑內(nèi)滲流場(chǎng)分布簡(jiǎn)化為一維流場(chǎng)分布,則流入基坑的水量Q1理論推導(dǎo)如下

        (4)

        (5)

        (6)

        (7)

        H=l1+l2+l3

        (8)

        h=l1+l2

        (9)

        Ww=h-h′

        (10)

        式中:h表示基坑降水后的水頭高度,m;l1表示基坑地下水位下降高度,m;l2表示基坑降水后從地下水位到圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部的距離,m;l3為圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部至不透水層邊界的距離,m;A表示滲流場(chǎng)的橫截面積,m2;V表示滲流總體積,m3;L表示平均滲流路徑,m。

        由方程(1)到(10)得到聯(lián)立解,且Q1=Q2,得到以下方程

        (11)

        對(duì)于明挖法基坑工程,為計(jì)算基坑內(nèi)總涌水量Q1和降水影響半徑,可由方程(11)迭代計(jì)算出未知變量h′,即基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部的水頭高度,并代入方程(4)得到基坑總涌水量Q1,代入方程(10)和方程(1)得到基坑降水影響半徑R。

        1.2 多層含水層基坑降水計(jì)算

        針對(duì)多層含水層的懸掛式圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑降水涌水量計(jì)算,采用分層計(jì)算的方法分別計(jì)算出各層土的滲水量,代數(shù)疊加后獲得基坑內(nèi)的總涌水量。一般來說,在實(shí)際基坑工程的土層數(shù)量眾多,使用這種方法既麻煩又耗時(shí),因此,可將多層含水層的地質(zhì)條件簡(jiǎn)化為單一地層,并計(jì)算滲透系數(shù)的平均值。如圖1所示,以3層土為例,等效單層土的平均滲透率系數(shù)計(jì)算如下

        圖1 多層含水層地質(zhì)剖面

        (12)

        式中:h1、h2和h3分別表示3個(gè)土層的厚度,m;k1、k2和k3分別表示3個(gè)土層的滲透系數(shù),m/d。

        1.3 降水井的確定

        在實(shí)際工程中,首先根據(jù)方程式(12)獲得多層土的平均滲透系數(shù),結(jié)合方程(11)使用MATLAB程序二分法迭代求解圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部的水頭h′,然后得到基坑水位下降深度Sw和基坑基坑降水影響半徑R。

        根據(jù)方程式(7)~(10),計(jì)算基坑內(nèi)總用水量Q1,具體的方程式如下

        (13)

        單井涌水量計(jì)算如下

        (14)

        式中:q0表示單井的涌水量,m3/d;rs表示井點(diǎn)過濾器半徑,m;l表示過濾器入口部分的長(zhǎng)度,m;k表示含水層的滲透系數(shù),m/d。

        依據(jù)《建筑與市政工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》(JGJ/T 111-2016)[8],如果基坑的安全等級(jí)為I級(jí),基坑復(fù)雜程度為一級(jí),則可以確定計(jì)算系數(shù)ε為1.2,由以下公式可以確定降水井?dāng)?shù)量

        (15)

        (16)

        式中:D表示井點(diǎn)之間的距離,m;L表示基坑周長(zhǎng),m;n表示降水井?dāng)?shù)量。

        2 砂卵石地層基坑降水設(shè)計(jì)實(shí)例

        2.1 工程概況

        以濟(jì)南某明挖法地鐵車站深基坑工程降水設(shè)計(jì)為研究對(duì)象,車站東側(cè)緊靠一家臨街商店,商店為2~3層磚混結(jié)構(gòu)。此外,東側(cè)還埋設(shè)了一條的220 kV電力電纜隧道,隧道距離車站側(cè)墻約1.4 m。地鐵基坑西側(cè)緊貼私人住宅和公共商店,西側(cè)商店外輪廓距離基坑最小距離約為1.7 m。地鐵車站為地下三層島式站臺(tái)車站,站臺(tái)寬為13.0 m,車站標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度為22.5 m,右側(cè)車站總長(zhǎng)度為242.9 m,長(zhǎng)寬比為10.80<20.0,左側(cè)車站總長(zhǎng)度為222.1 m,長(zhǎng)寬比9.87<20.0。車站基坑深度約為26.64 m,結(jié)構(gòu)頂板上覆蓋土層為3.98 m,車站及其周圍環(huán)境如圖5所示。根據(jù)場(chǎng)區(qū)工程水文地質(zhì)條件,場(chǎng)地內(nèi)地下水分兩種類型:一種為回填層中的上層滯水,另一種為第四系砂卵石層中的孔隙水。2015年10月,初勘時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的穩(wěn)定地下水位為5.00~6.40 m,2016年10月,詳勘時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的穩(wěn)定地下水位為5.40~6.70 m。場(chǎng)區(qū)的巖土工程性質(zhì)及參數(shù)情況見表1。

        表1 場(chǎng)區(qū)巖土工程性質(zhì)及參數(shù)

        2.2 降水井點(diǎn)的設(shè)計(jì)

        由于地鐵車站基坑兩側(cè)緊靠商鋪和建筑物,且電力電纜隧道內(nèi)布設(shè)了密集的電纜,基坑周圍也存在市政排水管道,在基坑外沒有多余的地方布設(shè)降水井,因此,為了避免降水對(duì)周圍環(huán)境的影響,在基坑開挖前,采用基坑內(nèi)布設(shè)降水井的方式抽排地下水。

        施工場(chǎng)地地下水屬第四系,主要賦存于砂卵石孔隙潛水含水層中。潛水含水層厚度小于30 m,車站基坑底位于密實(shí)卵石層中。為保證車站基坑在無水環(huán)境下作業(yè),需將基坑內(nèi)的地下水位降到開挖面1 m以下。基坑的深度約為26.64 m,為了便于計(jì)算,將降水深度設(shè)置為27 m,降水井的直徑設(shè)置為600 mm,井底比車站基坑底部低3.5 m,降水井過濾管的長(zhǎng)度為2 m,過濾管底部到不透水層的距離為2 m,穩(wěn)定地下水位為6 m。

        根據(jù)方程(15)可計(jì)算出基坑需布置17個(gè)降水井,參考中國(guó)《建筑和市政工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》(JGJ/T 111-2016)并考慮降水井可以沿明挖法基坑邊線容易開孔的理想情況,將降水井沿基坑等距離布置。具體的布置方式為在基坑中心安裝了一口降水井后,其余16個(gè)井點(diǎn)均勻地安裝在基坑內(nèi)邊緣。由于此明挖基坑為長(zhǎng)而窄的基坑,降水井可以布置在基坑的長(zhǎng)邊內(nèi)側(cè)邊緣,降水井間的距離約為25 m,具體的降水井平面布置如在圖2所示。

        圖2 砂卵石地層條件下明挖基坑的降水井布置

        3 實(shí)際降水與計(jì)算結(jié)果之間的比較

        為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性,基坑的實(shí)際降水過程進(jìn)行監(jiān)測(cè),選取3個(gè)降水井點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,監(jiān)測(cè)降水井的平面布置如圖3所示,監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出,隨著降水時(shí)間的增長(zhǎng),降深曲線不斷增大,且在降水初期(10 h以內(nèi)),水位下降迅速,而當(dāng)停止抽水后,水位線則出現(xiàn)迅猛增長(zhǎng),恢復(fù)至初始水頭,充分表明砂卵石地層的透水性好。另一方面,3個(gè)監(jiān)測(cè)降水井的降水曲線基本一致,與降水井的位置無關(guān),且最大降水深度大于要求的27.0 m,表明所計(jì)算的降水孔數(shù)量以及降水孔的孔徑、過濾管進(jìn)水長(zhǎng)度等參數(shù)滿足實(shí)際需求,所提出的計(jì)算公式符合實(shí)際降水需求。

        圖3 監(jiān)測(cè)降水井的降深時(shí)程曲線

        圖4 降水時(shí)程曲線擬合

        進(jìn)一步地,利用圖3對(duì)⑥~⑨層砂卵石土的滲透系數(shù)進(jìn)行反算,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)降深時(shí)程曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合成果如圖4所示,從圖中可以看出,所有監(jiān)測(cè)降水井的數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲線均表現(xiàn)出良好的一致性,反演得到的滲透系數(shù)如表2所示。從表中可以看出,擬合系數(shù)在0.973 9~0.991 3范圍內(nèi),且反演獲得的滲透系數(shù)平均值與勘測(cè)階段得到滲透系數(shù)平均值非常相近,表明對(duì)于砂卵石地層而言,采用勘測(cè)階段抽水試驗(yàn)獲得的滲透系數(shù)可以直接應(yīng)用于本文所提出的基坑降水公式,大大提高了砂卵石地層條件下明挖深基坑降水設(shè)計(jì)的可靠度和計(jì)算效率。

        表2 場(chǎng)區(qū)巖土工程性質(zhì)及參數(shù)

        4 結(jié) 論

        (1)對(duì)于單層含水層基坑降水,可應(yīng)用方程(11)迭代求解出圍護(hù)結(jié)構(gòu)底的水頭壓力后,代入方程(4)得到基坑總涌水量Q1,代入方程(10)和(1)得到基坑降水影響半徑R;對(duì)于多層含水層基坑降水,可采用方程(12)對(duì)地層進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算;基坑總用水量和降水井?dāng)?shù)量的確定分別按方程(13)、方程(15)計(jì)算;

        (2)采用提出的基坑降水設(shè)計(jì)公式,對(duì)濟(jì)南砂卵石地層明挖法基坑進(jìn)行設(shè)計(jì),確定降水深度為27 m,共布置17個(gè)降水井,降水井間距為25 m,降水井的直徑為600 mm,井底比車站基坑底部低3.5 m,降水井過濾管的長(zhǎng)度為2 m,過濾管底部到不透水層的距離為2 m。

        (3)采用現(xiàn)場(chǎng)降水井監(jiān)測(cè)的方法,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明,所計(jì)算的降水孔數(shù)量以及降水孔的孔徑、過濾管進(jìn)水長(zhǎng)度等參數(shù)滿足實(shí)際需求,反演獲得的滲透系數(shù)平均值與勘測(cè)階段得到滲透系數(shù)平均值具有良好的一致性。

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