李建全，孟 武

(1.天水市城市建設(shè)投資中心，甘肅 天水 741000； 2.天水市人民防空辦公室，甘肅 天水 741000；3.建材天水地質(zhì)工程勘察院有限公司，甘肅 天水 741000)

0 引言

基坑降水引起的地面沉降是較復(fù)雜且緩慢的過程，是滲流場與應(yīng)力場耦合作用造成的現(xiàn)象?；邮┕み^程中，不良的水文地質(zhì)會造成流砂、管涌、坑底突涌等危害，所以需控制基坑地下水水位。基坑降水工程經(jīng)過了長時(shí)間的發(fā)展，降水與堵水等相關(guān)理論技術(shù)已在大量工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

國內(nèi)外專家學(xué)者針對基坑降水引起的周圍地面沉降原因進(jìn)行了廣泛研究。Meinzer[1]在研究地下水過程中于1923年第1次定義了地面沉降概念。Helm[2]結(jié)合水位變化與土體應(yīng)力間的相互關(guān)系，提出了因土體應(yīng)力改變引起的地表沉降問題。謝康和等[3]對成層土中基坑開挖降水引起的土中應(yīng)力變化及周圍地表沉降求解方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為基坑降水及由此引發(fā)的滲流使土中有效應(yīng)力改變是基坑周圍地表發(fā)生沉降的根本原因。何世秀等[4]基于抽水引起地層含水層壓密原理研究了地表沉降問題，相關(guān)研究成果在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用。加青雙等[5]采用SEEP/W對不同土體滲透系數(shù)在不同深度止水帷幕情況下的基坑降水效果進(jìn)行了分析，認(rèn)為滲透系數(shù)越大，止水帷幕深度越深，降水效果越好。

在工程應(yīng)用方面，徐永亮等[6]研究了深厚卵石地層超深基坑降水問題，并以實(shí)際工程為背景，模擬論證并優(yōu)化了開放式施工降水方案。劉宏揚(yáng)等[7]應(yīng)用理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了復(fù)雜條件下工程降水對減小周邊環(huán)境影響的控制手段，優(yōu)化并完善了施工技術(shù)。楊強(qiáng)等[8]應(yīng)用Visual Modflow三維地下水流動(dòng)模擬軟件對實(shí)際工程基坑降水進(jìn)行了模擬分析，實(shí)現(xiàn)了降水過程可視化展現(xiàn)。李曙光等[9]研究得出了富水軟土地區(qū)一次性降水和分步降水工況下的基坑周圍地表沉降規(guī)律。李瑩等[10]采用井點(diǎn)降水法，開展了水利工程中河道軟基超大深基坑降水施工方法和質(zhì)量控制方法研究等，形成了詳盡的基坑降水方法。張亞龍等[11]以西安地鐵6號線施工為背景，結(jié)合理論分析及現(xiàn)場監(jiān)測研究了降水方案及施工關(guān)鍵參數(shù)，得出止水帷幕聯(lián)合坑內(nèi)降水工藝能夠有效實(shí)現(xiàn)飽和軟黃土基坑降水的結(jié)論。本文依據(jù)現(xiàn)有研究成果，以雅魯藏布江南Ⅰ級階地某工程為背景，對影響降水效果的因素進(jìn)行了模擬分析。

1 工程概況

本工程位于西藏山南地區(qū)雅魯藏布江南岸、羊卓雍湖東北部，具有海拔高、受地表水和淺層江湖水影響顯著的特點(diǎn)。場區(qū)北側(cè)為雅魯藏布江，水量豐富，但枯、豐水期流量差別較大。

場區(qū)地下水水位高，江水與地面的高差小，地形坡降小，排水不暢。場區(qū)內(nèi)含水層主要為砂卵石層，賦存孔隙潛水或微承壓水，主要由大氣降水、場區(qū)南西側(cè)方向的地下及地表徑流補(bǔ)給，由地表徑流向雅魯藏布江排泄和人工取水排泄?？碧綍r(shí)測得穩(wěn)定水位為1.600～2.600m，一般為2.000m，微承壓性，承壓水頭一般≤1.000m。

根據(jù)前期勘察資料，豐水期地下水水位一般<0.500m，大雨過后，消水期一般為1～3d。據(jù)調(diào)查，枯水季節(jié)地下水水位下降，降深一般為1～2m，單井出水量>2 500m3/d，砂卵石層滲透系數(shù)為150m/d。

2 地下水降水控制方案設(shè)計(jì)

2.1 控制計(jì)算

本工程場地±0.000m標(biāo)高根據(jù)現(xiàn)場確定，場地類別為Ⅱ類，含水層為單層，屬降水工程的中等復(fù)雜場地。該場地地下水屬孔隙潛水，卵石層深部透水性好，各井均按非完整井考慮，采用JGJ 111—2016《建筑與市政工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的公式計(jì)算條形基坑涌水量，得到基坑涌水量為61 721.41m3/d，管井單井涌水量為2 593.39m3/d，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際單井涌水量僅為理論單井涌水量的50%～80%，本文按50%取值，故實(shí)際單井涌水量為1 296.7m3/d，降水井?dāng)?shù)量為60口。

考慮施工期處于豐水期，地下水水位漲幅為1～2m，計(jì)劃設(shè)置16口基坑降水備用降水井、2口觀測井，最終設(shè)置80口降水井。根據(jù)現(xiàn)場情況，降水井平均間距約為10，15m。

降水井深度可根據(jù)基底深度、降水深度、含水層埋藏分布、地下水類型、降水井設(shè)備條件及降水期間地下水水位動(dòng)態(tài)變化等因素確定，經(jīng)計(jì)算，降水井深度取-16m。

2.2 控制方案

1)降水井布設(shè)

按計(jì)算得到的降水井?dāng)?shù)量沿基坑開挖線外側(cè)1m處環(huán)形布設(shè)降水井，圈閉整個(gè)基坑，整個(gè)基坑周長約1 162.18m，降水井按均勻布置原則進(jìn)行定位，北側(cè)相鄰井間距為10m(該側(cè)有護(hù)壁)，南側(cè)相鄰井間距為15m，東、西側(cè)相鄰井間距為14.4m。本文采用大井法計(jì)算模型，即將整個(gè)基坑看作1口大井，基坑涌水量與抽水井出水量平衡后水位下降，得到降水深度。降水井布置方案如圖1所示。

2)降水井結(jié)構(gòu)

單個(gè)降水井成井直徑一般為800mm，且≥650mm，井身應(yīng)保持垂直、不縮徑。降水井采用螺旋鋼管，其外徑為377mm，內(nèi)徑為365mm，包括濾水管和盲管。

單個(gè)管井布置方式為：底部設(shè)置盲管用于沉砂，長度為6m；其上透水層設(shè)置濾水管，長度為6m；最頂部設(shè)置盲管，長度為4m。

3)降水設(shè)備

采用QS型深井潛水泵進(jìn)行管井降水，出水量約為80m3/h，所用水泵流量為80m3/h，揚(yáng)程≥20m，額定功率為11～15kW。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型參數(shù)

1)土層參數(shù)

根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告，假定土體模型潛水層共30m厚，由上而下分別為0.8m厚雜填土層、1.0m厚粉質(zhì)黏土層、1.5m厚圓礫石層、26.7m厚砂卵石層。地下水水位為-1.500m。土層參數(shù)如表1所示。雜填土層主要成分為砂卵石，滲透系數(shù)較大。對于滲流降水計(jì)算，主要影響因素為土層滲透系數(shù)。

表1 土層參數(shù)

2)土體模型

考慮基坑降水對周圍環(huán)境的影響，利用PLAXIS 3D軟件建立土體模型，模型長600m、寬100m、深30m，自上而下依次為0.8m厚雜填土層、1.0m厚粉質(zhì)黏土層、1.5m厚圓礫石層、26.7m厚砂卵石層，如圖2所示。

3)井點(diǎn)降水模型

利用PLAXIS 3D軟件建立井點(diǎn)降水模型，如圖3所示，模型長540m、寬45m，模型長邊設(shè)置38口井，井間距14.59m，模型短邊設(shè)置4口井，井間距15m。降水井深度設(shè)置為-16m，降水井最大排水量為1 500m3/d，最低降水水位為-15.000m。

4)止水帷幕模型

利用PLAXIS 3D軟件建立止水帷幕模型，如圖4所示，止水帷幕布設(shè)于降水井外側(cè)3m處，模型長546m、寬51m、深25m，為不透水界面。

5)滲流邊界模型

土體模型的四周滲流邊界條件設(shè)置為水頭-1.500m且為常量，底部滲流邊界條件設(shè)置為已關(guān)閉，如圖5所示。

6)模型網(wǎng)格劃分

本模型共劃分87 492個(gè)單元，如圖6所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果

基坑降水主要取決于基坑排水量和補(bǔ)水量，當(dāng)排水量大于補(bǔ)水量時(shí)，基坑水位下降；當(dāng)排水量等于補(bǔ)水量時(shí)，基坑處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)，基坑水位保持不變；當(dāng)排水量小于補(bǔ)水量時(shí)，基坑水位上升。

計(jì)算結(jié)果表明，基坑中心降水后，最低水位為-4.160m，滿足基坑開挖要求。

4 不同參數(shù)對降水深度的影響分析

4.1 止水帷幕設(shè)置與否

計(jì)算得到未設(shè)置止水帷幕時(shí)的基坑中心降水后最低水位為-2.630m。與設(shè)置止水帷幕的情況相比，可知設(shè)置深25m的止水帷幕可使基坑中心降水后的最低水位減小1.53m。

設(shè)置土層滲透系數(shù)分別為150，200，250m/d，計(jì)算得到設(shè)置與未設(shè)置止水帷幕時(shí)基坑中心位置最大降水深度，如表2所示。

表2 不同滲透系數(shù)下基坑中心位置最大降水深度

由表2可知，隨著基坑土體滲透系數(shù)的增大，基坑中心位置最大降水深度呈減小趨勢，相同滲透系數(shù)下，不設(shè)置止水帷幕會影響基坑中心位置降水效果，使中心位置最大降水深度減小。這是因?yàn)檫M(jìn)行基坑降水時(shí)，若不設(shè)置止水帷幕，對于滲透系數(shù)較大的土層，基坑外的地下水將源源不斷地匯入基坑內(nèi)，使基坑降水達(dá)不到理想效果；當(dāng)設(shè)置止水帷幕時(shí)，基坑外的水匯入基坑內(nèi)須繞過止水帷幕，延長了地下水滲透路徑，減小了地下水水力梯度，使地下水滲流速度減小，從而降低基坑補(bǔ)水量，當(dāng)排水量大于補(bǔ)水量時(shí)，基坑水位下降。因此，當(dāng)基坑處于滲透系數(shù)較大的土層時(shí)，進(jìn)行基坑降水須設(shè)置止水帷幕。

4.2 降水井最大排水量

為研究降水井最大排水量對基坑降水深度的影響，設(shè)置降水井最大排水量分別為1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，4 000m3/d，計(jì)算得到對應(yīng)的基坑中心位置最大降水深度分別為-3.89，-4.16，-4.43，-4.72，-4.98，-5.72m，可知隨著降水井最大排水量的增加，基坑降水后中心位置最大降水深度近似呈線性關(guān)系降低。這是因?yàn)楫?dāng)止水帷幕深度一定時(shí)，地下水匯流界面高度和滲流路徑長度是一定的，基坑補(bǔ)水量主要取決于地下水滲流速度，滲流速度又與止水帷幕內(nèi)、外的水位差呈線性關(guān)系，因此，當(dāng)線性增大降水井排水量時(shí)，基坑排水量隨之線性增大，而止水帷幕外水位基本保持不變，在達(dá)到穩(wěn)定滲流的情況下，又因補(bǔ)水界面和滲流路徑一定，止水帷幕內(nèi)、外的水位差隨之線性增大，所以基坑中心位置降水深度近似呈線性關(guān)系降低。

4.3 降水井?dāng)?shù)量

為研究降水井?dāng)?shù)量對基坑降水深度的影響，將降水井?dāng)?shù)量分別設(shè)置為50，60，70，80，90口，計(jì)算得到基坑中心位置最大降水深度，如表3所示。

表3 不同降水井?dāng)?shù)量下基坑中心位置最大降水深度

由表3可知，隨著降水井?dāng)?shù)量的增加，基坑中心位置最大降水深度近似呈線性關(guān)系降低。這是因?yàn)楫?dāng)止水帷幕深度一定時(shí)，地下水匯流界面高度和滲流路徑長度是一定的，基坑補(bǔ)水量主要取決于地下水滲流速度，滲流速度又與止水帷幕內(nèi)、外的水位差呈線性關(guān)系，因此，當(dāng)線性增加降水井?dāng)?shù)量時(shí)，基坑排水量隨之線性增大，而止水帷幕外水位基本保持不變，在達(dá)到穩(wěn)定滲流的情況下，又因補(bǔ)水界面和滲流路徑一定，故止水帷幕內(nèi)、外的水位差線性增大，所以基坑中心體位置降水深度近似呈線性關(guān)系降低。

4.4 潛水含水層厚度

為研究潛水含水層厚度對基坑降水深度的影響，分別設(shè)置潛水含水層厚度為30，35，40，45m，計(jì)算得到對應(yīng)的基坑中心位置最大降水深度分別為-4.16，-3.80，-3.51，-3.27m。當(dāng)潛水含水層厚度由30m增至35m時(shí)，基坑中心位置最大降水深度減小了0.36m；當(dāng)潛水含水層厚度由35m增至40m時(shí)，基坑中心位置最大降水深度減小了0.29m；當(dāng)潛水含水層厚度由40m增至45m時(shí)，基坑中心位置最大降水深度減小了0.24m。當(dāng)止水帷幕深度固定時(shí)，潛水含水層越深，基坑外部向內(nèi)部補(bǔ)水的匯流界面越高，補(bǔ)水量越大。但潛水含水層越深，地下水滲流路徑越長，滲流速度越慢，補(bǔ)水量較少，因此在潛水含水層厚度增幅一定的情況下，其對基坑中心位置降水深度的影響較小。

4.5 止水帷幕深度

未設(shè)置止水帷幕時(shí)，基坑中心降水后，最低水位為-2.630m。當(dāng)止水帷幕深度為-15m時(shí)，基坑中心降水后，最低水位為-3.020m。當(dāng)止水帷幕深度為-20m時(shí)，基坑中心降水后，最低水位為-3.570m；當(dāng)止水帷幕深度為-25m時(shí)，基坑中心降水后，最低水位為-4.230m。當(dāng)止水帷幕深度由0m變至-15m時(shí)，基坑中心降水后最低水位僅減小了0.39m，降水效果不明顯；當(dāng)止水帷幕深度由-15m變至-20m時(shí)，基坑中心降水后最低水位減小了0.55m；當(dāng)止水帷幕深度由-20m變至-25m時(shí)，基坑中心降水后最低水位減小了0.66m。這是因?yàn)榻邓疃葹?20m，在-15～0m深度范圍內(nèi)設(shè)置止水帷幕時(shí)，雖在一定程度上延長了地下水滲流路徑，但對地下水滲流的影響較小，起不到止水效果；在-20～-15m深度范圍內(nèi)設(shè)置止水帷幕對地下水滲流的影響較大，同時(shí)，止水帷幕越深，地下水從基坑外向基坑內(nèi)匯流的界面高度越小，所以基坑最低水位降低較多。當(dāng)止水帷幕深度達(dá)-30m時(shí)，為落地式止水帷幕，完全隔絕外界地下水向基坑內(nèi)滲流，基坑中心降水后最低水位降低更多。

5 結(jié)語

降水是基坑工程的重要環(huán)節(jié)，高富水砂礫地層滲透系數(shù)較大，在影響半徑高達(dá)1.5km以上的情況下，本文對地下水控制方案及不同參數(shù)對基坑降水效果的影響進(jìn)行了深入分析，得出以下結(jié)論。

1)按是否設(shè)置止水帷幕進(jìn)行了模擬計(jì)算，當(dāng)設(shè)置止水帷幕時(shí)，基坑外的水匯入基坑內(nèi)須繞過止水帷幕，延長了地下水滲透路徑，減小了地下水水力梯度，使地下水滲流速度減小，從而有效降低了基坑補(bǔ)水量，可較大幅度提高水位降深。

2)隨著降水井最大排水量的增加，基坑排水能力增強(qiáng)，基坑降水后，基坑中心位置最大降水深度隨之降低。但降水井最大排水量是有限的，不可能無限增加，所以實(shí)際工程中，一般通過增加降水井?dāng)?shù)量的方式達(dá)到提高基坑排水能力的目的。

3)當(dāng)線性增加降水井?dāng)?shù)量時(shí)，基坑總排水量線性增大，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定滲流時(shí)，基坑排水量與補(bǔ)水量相等，而補(bǔ)水界面一定、滲流路徑基本保持不變，止水帷幕內(nèi)、外的水位差線性增大，由于止水帷幕外水位基本保持不變，使基坑中心位置最大降水深度近似呈線性關(guān)系降低。

4)隨著潛水含水層厚度的增加，降水后基坑中心位置最大降水深度逐漸上升，且上升趨勢隨著潛水含水層厚度的增大逐漸趨緩。

5)止水帷幕深度對地下水滲流的影響較大，止水帷幕深度越大，地下水從基坑外向基坑內(nèi)匯流的界面高度越小，所以基坑最低水位降低較多。當(dāng)止水帷幕為落地式止水帷幕時(shí)，完全隔絕了外界地下水向基坑內(nèi)滲流，基坑中心降水后，最低水位降低更多。