建筑基坑降水设计方法及影响因素研究

陈学林

(河南省地质环境监测院，河南 郑州 450046)

基坑降水是建筑工程施工过程中的老话题，然而，由于建筑场地水文地质、工程地质和环境条件纷繁复杂，降水方案优化和降水工程施工质量控制就显得尤为重要，工程实践中常有因对场地工程地质、水文地质条件掌握不够和对降水过程中因岩土力学平衡改变而导致发生潜蚀、突涌、坑底隆起等种种后果预测不准而发生工程事故的案例。全面掌握场地水文地质、工程地质条件和环境条件，科学预测降水过程岩土体稳定状态和有关因素对降水的影响程度，合理选择降水方案，严格控制降水工程施工质量是确保降水工程成功的必要条件。本文以中国银行焦作支行办公楼基坑降水为例，阐述了降水工程设计方法以及有关环境因素、施工质量对降水的影响，意在为本地区类似工程降水设计施工提供可借鉴的经验。

1 区域水文地质条件

场地位于焦作市区南部丰收路一带，地形平缓，为山前洪积斜地地下水的排泄区，其排泄方式以蒸发排泄为主，次为河渠排泄[1]。该区也是洪积斜地地下水的浅埋带，水位埋深0 m～0.5 m，水位受气候及人为影响明显。

2 场地水文地质条件

2.1 含水层与隔水层

按相对富水性强弱可分为弱、中、强3个含水层，自上而下为:①亚粘土弱含水层:厚度约6 m。上部3 m为褐、褐灰色亚粘土，粘粒含量较高，硬塑状，下部3 m为浅灰黄色亚粘土，实验室测定渗透参数K=0.5 m/d;②亚砂土夹细砂透镜体中等富水含水层:厚度约2 m，呈褐黄色，分选性较好，渗透系数K=2 m/d;③中粗砂强富水含水层:埋深8 m，厚度约7 m，灰黑色，中粗粒，粘粒含量一般小于10%，分选性较好，渗透系数K=25 m/d[2]。亚粘土隔水层位于③含水层之下，层面埋深15 m左右，厚度大于10 m，为该区稳定的隔水层。天然状态下，各含水层具有统一的均衡的水头压力，但由于①含水层与②，③含水层透水性差异较大，特别是①含水层上部亚粘土表现出相对隔水层的性质，故在一定程度上②，③含水层又表现出一定的承压性，故①层为潜水含水层，②层可视作半承压含水层，③层为承压含水层。其水头一般与天然状态下的①含水层中的潜水含水层水位一致。

2.2 场区地下水补给、径流与排泄条件

场地地下水主要靠山前洪积斜地中上部的侧向径流补给，其次是大气降水、市区的城市废水河渠的垂直入渗和场地周围农田灌溉的入渗补给。其中侧向径流、河渠入渗补给是常年性的补给源，农田灌溉、大气降水是季节性或间断性的补给源。场地东西两侧15 m内分别有两条自北向南的废水渠，该渠废水与地下水的补给关系是随二者的水力条件的改变而变化的。地下水的蒸发排泄是常年性的排泄途径。

3 工程概况

基坑东西长72 m，南北宽30 m，平面形状近似矩形，普遍开挖深度为3 m，基坑中部局部开挖深度为6 m。要求施工期间地下水位高度不高于基坑底板以下0.5 m，并不得发生基坑失稳现象。

4 降水工程设计与施工

4.1 降水工程设计

4.1.1 设计思路

1)降水工程选择。本工程局部降深较大，考虑施工复杂程度和工程成本，决定不采用轻型井点法，而采用管井降水。

2)井深的确定。该基坑最深部已达到②层底面以上2 m，如果降水井深入到②层底部，则降水过程中，伴随着①，②含水层的疏干，其水压迅速降低，各含水层间水力平衡被打破[4](见图1)，③层承压含水层对②层必然产生顶托补给，同时也将对基坑底板产生约60 kPa的差额顶托力P，而基坑底板厚度仅2 m，其抗顶托反力仅38 kPa左右，尚有20 kPa左右的差额压力，加之基坑开挖卸载产生的自重压差，给基坑地板以足够大的隆起潜力，有坑底失稳的风险。

图1 井深8 m时降水状态下地下水水力态势示意图

优先降低②，③承压含水层的水压力是规避发生土体失稳的先决条件，决定井深深入到③层底部，建立3个含水层的完整井，不仅可保证达到足够的降深，同时可有效保证基坑各部分土体稳定。

3)疏干过程中各含水层、地表水体之间的水力特征分析。该基坑抽水前地下水位埋深0.5 m，基坑东、西部河水水位深约1.0 m，呈现地下水补给河水的特征。抽水初期各含水层之间的水头压力是自然均衡状态，其水头的变化主要受蒸发、降水、灌溉及河水入渗诸因素制约。当以一定的涌水量降水开始后，各含水层的水头压力开始下降，但由于各含水层渗透性存在显著差异，导致水头压力下降速度明显不同。抽水初期，③含水层由于渗透系数最大，水压力削减迅速，而①，②含水层由于渗透系数相对较小，压力水头削减相对缓慢，这样上下含水层之间的水力均衡迅速打破，①层，②层水将优先补给③层(见图2)，整个渗流场内将产生向下的渗透压力，对基坑稳定产生正作用。随着抽水时间的延长，②，③含水层的水头压力将逐渐趋于稳定，①含水层的疏干作用逐渐趋于加强，表现出迟后给水[3]的特征，这个过程也正是基坑被疏干的过程。可见，只要抽水设备的抽水能力足够大，使②，③含水层的水头降至①含水层底界，则①含水层将逐步被疏干。

图2 井深15 m时降水状态下地下水水力态势示意图

随着①含水层水位的下降，河水水位将明显高于地下水水位，补给关系变为河水补给地下水(见图2)，随着降落漏斗的稳定，这种补给关系也渐趋稳定。

4.1.2 总涌水量计算

采用大井法对总涌水量做了预测，计算过程如下:

因降水稳定后，①含水层将被疏干，为满足电梯井部为6 m的降深要求，假设大井水位深需达到5 m，按承压井群的裘布依公式[3]计算:

将以上各数代入式(1)计算得:

4.1.3 降水工程布置

可以看出，降水井的深度和预测总涌水量均较大，采用轻型井点法降水是难以施工和达到目的的，为此选用深井井点法，井半径R拟采用0.2 m和0.3 m，井壁材料采用无振捣水泥碎石井壁管，既经济适用又能就地购买。

试算布置12口井径为0.4 m的完整井，按半径为26 m的圆周均匀布置，近似计算单井涌水量为:

经采用干扰井群抽水验算，水量基本能够满足要求。

此外，为进一步满足电梯基础部位水位降深要求，布置与该处相近的井时，一方面使井位尽量靠近该部位，另一方面采用加大井径的方式，采用直径为0.6 m的井壁管，其次是加大该处抽水设备的抽水能力，达到了预期目的。

在设计过程中也对河渠的侧向补给做了预算，但其补给份额很小，故在该处未做考虑。

4.2 降水工程施工

由于采用深井井点降水，降水井施工采用GQ-12型工程钻机，自然造浆正循环成孔。井径为0.4 m的井采用0.6 m的直径成孔，井径为0.6 m的井采用0.8 m的直径成孔。井壁管管壁厚5 cm，滤料采用3 mm～5 mm的碎石，滤料厚度为10 cm。井壁采用预制混凝土垫封底，井壁管连接处采用废塑料编织袋包扎，管外用竹板捆绑导正，以防发生涌砂和潜蚀。洗井时吸水管应尽量深入井底以防止井底泥砂沉淀。

5 降水过程地下水动态特征

降水过程中地下水动态受地下水均衡要素控制。抽水初期，总涌水量维持在90 m/h～100 m/h，地下水位迅速下降，而后渐趋稳定。地下水主要靠含水层侧向径流补给。降水期间中期基坑外围大面积农田灌溉，使区域水位迅速抬高，漏斗水位也开始回升，回升幅度为0.5 m～0.8 m，总涌水量也由缓慢的下降趋势渐趋恢复至100 m/h左右，以后地下水位渐趋下降。由于4月～6月中旬没有明显降雨，地下水的补给主要为侧向径流和河渠入渗，后者影响较小。地下水的排泄主要为蒸发和抽水。显然，由于持续干旱，蒸发量渐趋增大，地下水位又表现为缓慢下降，总涌水量也相应减小，至5月中旬以后，涌水量和水位渐趋稳定。6月下旬以后，随着大气降水增多，总涌量又相应回升。

6 本次降水工程中几个问题的认识

6.1 井径对单井涌水量的影响

降水工程采用0.4 m，0.6 m两种井管直径，实际抽水时，两种井径涌水量差异十分悬殊，井径为0.6 m的7号井涌水量为22 m/h，3号井涌水量为15 m/h，而井径为0.4 m的井涌水量均小于10 m/h。根据水力学原理，一口井的出水能力受含水层的出水能力和井管(包括过滤层)的过水能力控制。当含水层的透水性较好或水位降深较大时，含水层能提供较大的流量，此时井的实际出水量取决于井管的过水能力，而井管的过水能力又受过水断面的大小与井管的透水性或孔隙度控制。可见，对于一定的井管来说，井的过水断面大小就成为涌水量的决定因素。所以，当井径增加时，水量明显增加。可见，该场地含水层条件下，要发挥单井最大的出水能力，采用直径为0.8 m～1.0 m的井径，可获得较大的水流量。此外，进一步改善井壁管的透水性，并注意成井工艺各环节的质量，均有利于提高单井出水量，提高降水效果。

6.2 成井工艺对单井涌水量的影响

本降水工程同口径各井出水量也有很大差距，究其原因，显然是成井工艺造成的。由于多家施工，其成井工艺和施工质量控制各有不同，造成井壁泥浆清洗程度、滤料厚度控制、滤料级配不同，从而对单井出水量产生了较大影响。

6.3 水跃值对单井涌水量的影响[3]

抽水时，井壁内、外水位之差称为水跃值。根据水力学原理，潜水含水层中的水井抽水时都存在水跃值。需要注意的是，以降水为目的的抽水井水跃值的大小，对降水工程影响极大，有时可能导致降水工程失败。本次降水中，电梯井部位的水位就受到水跃值太大的影响，致使电梯井基坑积水。同时，距离基坑仅4 m的3号井动水位深度已达10.8 m，井内水量已不能使水泵满负荷工作，井壁外水位已达到降深极限，其他井的水跃值也均在5 m左右。因此，降水工程设计中，应采取有效措施使水跃值减小到最小程度。增大过滤器的透水性，减小井壁水阻力是降低水跃值的有效手段。

6.4 区域水位升降对降深的影响

本次降水工程中，除7号井外，各抽水井流量均达到最大限度，基坑范围的水位降深已达到抽水能力的极限，此时，降落漏斗水位动态就呈现出与区域水位动态相一致的关系。也就是说，降水工程对水位已失去控制能力。当年2月～3月份，由于基坑外围大面积农田灌溉，使外围水位迅速抬升0.7 m左右，降水漏斗中心水位也同时升高0.5 m，造成电梯井基坑出现积水，此时，降水工程已无力将其疏干，不得不采取明沟排水的方法。至4月～5月份以后，由于灌溉停止，又无大气降水，区域水位逐步下降，漏斗水位也相应回落，电梯井基坑又出现疏干现象。

6.5 限制本次降水工程发挥更大降水能力的原因

本次降水工程已达到最大降水能力，虽满足了本次降水工程要求，但要进一步增加降深便无能为力，分析本次工程原因，对指导今后本地区大降深降水工程具有重要意义。

成井工艺缺陷。成井时由于未能严格控制泥浆稠度，下管时未能充分冲孔换浆，洗井时采用离心式水泵抽水，且吸水笼头未下置到井底，造成大部分井洗井不够彻底。另外，采用的无振捣碎石水泥管透水性相对较差，造成井壁阻力过大，水跃值相应较大，影响降深。

各井均存在不同程度的淤积。如抽水一段时间后6号井井深仅剩8 m，其余井井深均在10 m～13 m之间。

7 未来本地区大降深降水工程设计与施工中应注意的问题

1)降水工程设计时必须充分考虑地下水补给与排泄诸因素在降水过程中的影响与变化，特别是农田灌溉及大气降水对地下水的补给作用。2)降深预测时应充分考虑水跃值的大小与影响。3)必要时可采用透水性较好的过滤器，如钢筋笼骨架过滤器，尽量减少井壁阻力，降低水跃值。4)严格控制成井质量，准确预测单井涌水量，选择合适的抽水设备。

[1]焦作市东小庄供水水源地勘察报告[R].河南省第一水文地质工程地质队，1990.

[2]中国银行焦作市支行综合楼岩土工程勘察报告[R].河南省地质工程公司第八工程处，2000.

[3]薛禹群，朱学愚.地下水动力学[M].北京:地质出版社，1986.

[4]周志芳，郭耿新.基坑降水设计中几个问题的讨论[J].勘察科学技术，2004(5):18-19.