渤海湾沿海地区的基坑降水原理与方法分析

刘金秀 时国松

(1.寿光市建筑工程质量监督站，山东 寿光 262700;2.北京交通大学海滨学院，河北 黄骅 061199)

0 引言

降水对于水位较高的区域的基坑施工非常重要。没有较为干燥的施工环境，对于施工速度和质量无法保障。降水作为基坑开挖的前置工作，不但施工组织上需要充分考虑，同时也影响着基坑的稳定性，对基坑安全施工比较重要。降水的时间长短和降水深度对于局部区域生态环境也是有一定影响的，尤其是根须较深的树木，长时间的降水可能会导致死亡。在建筑物密集的城市中心地带开挖基坑，降水也会对周围建筑和岩土的不均匀沉降起到促进作用，也有可能导致建筑物倾斜过大、倾覆、道路开裂等极端工程灾害发生。所以降水前一定要充分理解降水原理，以及降水可能导致的不良后果，同时还要兼顾降水的经济性。

渤海湾沿海地带的地下水位和地质情况与内陆区域相差很大。如济南、石家庄、临沂等地的水位线在不断下降，浮动比较大，地下几米至十几米的都有。而沿海地带的潍坊、东营、沧州等地的地下水有时候只有一两米深。地质环境也是有区别的，鲁中和河北西部地区地下角砾、岩石较多，而沿海地区基坑几乎碰不到碎石，粘土、粉土、砂占据了基坑能够开挖深度的主要地质层。

1 降水原理与模型概述

在基坑降水前，我们是无法预知基坑总体的涌水量，只能通过模型计算。现在的相关规范和计算方法都是以法国水力学家裘布依的水井理论为基础的。先假定地层均匀一致，也就是说每层土的渗透系数是一致的，同时地下水在抽水前保持静止，没有暗流。在抽水2 d～6 d 后，水位降落漏斗就会保持稳定。根据裘布依理论，将竖向沿降落漏斗虚拟成若干个小的圆柱，小圆柱分的越细，得到的结果就会越准，以无压完整井为例，应用微分原理可知:

其中，Q 为涌水量;x 为水井外法向坐标，以水井最深处为原点;y 为水井竖向坐标，以水井最深处为原点;K 为渗透系数。

将式(1)分离变量，然后进行定积分计算，x 的积分区间［r，R］，y 的积分区间［h，H］，积分后结果如下:

其中，H 为含水层厚度;h 为降落漏斗底部至不透水层的距离;R 为降水影响半径;r 为水井半径。

然后我们令S=H－h，S 为井中水位和原有水位差，则涌水量公式可以变换成:

为了把水井模型和基坑联系起来，这里把基坑假想成由降水井点管围成的水井。基坑的形状各异，多数不是圆的，没有半径r，从而提出了等效半径r0，用来代替r。也就是在基坑长宽比不是很大的情况下，认为基坑是圆的。以井点管围成的面积为圆的面积，计算等效半径r0。

其中，A 为井点管围成的面积。

那么式(3)中仍存在一个未知数就是降水影响半径R。其计算公式没有经典计算公式，基本上都是经验公式，通常选用库萨金或是吉尔哈特的经验公式计算。这里我们选用库萨金的计算公式举例说明，见式(5)。注意式(5)中R 仅是按单井水位降落漏斗时的影响半径，并没有考虑基坑的扩大效应，所以式(3)中的R 应该用R+r0替换。

这里可能还有一问题就是K 的取值，如果是地下所有土层的渗透系数是一样的，这个公式就适用。实际上很难遇到各层土的K 相同的情况，不一样就需要使用加权平均值的方法。如果质疑加权平均值的正确性，就只能通过抽水试验测定一个综合渗透系数。

2 布置与计算

基坑总的涌水量是在确定好井点管水平布置和高程布置之后才能计算的。所以井点管的水平布置和高程布置是比较重要的。水平布置的选择比较多，单排布置、双排布置、环形布置等均可以选用，既要考虑基坑形状，又要考虑经济性。对于沿海地区的高层建筑而言，由于地下水位比较高，所以选用环形布置的还是比较多的。有时候考虑地下水流方向，也可以设置U 形布置，将开口一侧设置在下游。高程布置的主要目的把基坑中间的水位线降到基底以下安全高程范围内，通常为基底下0.5 m～1 m。由于基坑的降落漏斗曲线是拱形，根据经验水力坡度数值(约1/10～1/5)沿预降基底水位线计算至井点管位置，可以计算出井点管的埋深，滤管长度下延1 m 即可。得到了井点管埋深后，利用式(3)计算涌水量。如果是非完整井或是承压井，可按照《建筑与市政工程降水规范》第六章的有关公式计算涌水量。

总的涌水量计算完成后，下一步就要布置井点管的根数。之前需要知道单根井点管的抽水能力。将不同类型的单根井点管出水量经验公式总结如下。

1)普通轻型井点:

其中，d 为井点管直径，m;l 为井点管长度，m。

2)其他轻型井点:喷射井点，可按工程降水规范选取。电渗井点可按普通轻型井点公式计算。

3)管井井点:

其中，d'为滤管外直径，mm;l'为滤管长度，m;α'为含水层经验系数，参见降水规范。

用基坑涌水量除以单根井点管的出水能力，即可得到井点管所需数量。这里需要注意的是，在布置轻型井点管的时候考虑排水总管的进水口距离是有模数的，要根据实际情况选取。管井没有总管，所以无需考虑。

3 不同降水方法优缺点对比

降水前应对降水区域进行深入的工程勘查，如当地水文地质概况、地下水类型、第四系土的性质与分布、岩土情况、周围已有建筑与市政工程等。基坑的降水方法总体上分为两类，一类是重力降水，即明排法;另一类是强制降水，即井点法。两种方法在实际工程中均应用广泛，有时两种方法共同使用，形成综合降排水系统。

明排法即利用四周的排水沟及集水井收集地下涌水，用水泵抽到基坑以外。该方法施工比较简单，经济性较好，对周边生态破坏较少。但随着基坑开挖的不断进行，排水沟也需要不断加深。当涌水量较大或者基坑宽度较大时，还需要设置盲沟。如果降水的水位差太大，比较容易发生流砂、管涌和塌方。一般适用于降深不超过2 m 的基坑，且不易产生流砂、管涌粘性土、砂土和碎石土层。降水地层的渗透系数小于0.5 m/d。

井点降水由于能改变基底水流方向，即改变动水压力方向，对基底具有保护作用，降水力度大等优点，应用比较广泛。两种类型的井点具有的特点不同，适用范围也有区别。

轻型井点适用于渗透系数不大的深基坑，如粘土、粉质粘土和粉土等，渗透系数在20 m/d 以下。对于淤泥或是淤泥质粘土，如果渗透系数在0.1 m/d，可采用电渗井点。特别适用于边坡不稳定，容易产生流砂、流土和管涌的基坑。普通轻型井点的降深不得大于6 m，因为其降水原理是利用真空将水从地下抽出来，如果降深大于6 m，可考虑采用多级普通轻型井点，但最大降深也不能超过20 m，上下相邻两级井点管的高程差不得超过5 m。如果不采用多级轻型井点，也可采用喷射井点，最大降深仍不能超过20 m。如果场地有特殊要求，也可以采用斜井，以减少地下水对边坡的冲击。

管井类的抽水强度大，降水能力强，但造价往往比轻型井点要高出许多。适用于地下水丰沛，且地下土层多为渗透性较强的砂土和碎石土。降水深度超过20 m 的基坑使用该方法比较经济。对于住宅小区具有整体车库的，管井降水应用也比较广泛。为了提高降水能力，有时会在基坑中央范围内也设置井点。管井在基础施工完成后需要进行封井处理，处理不好容易产生较多工程地质灾害问题。

4 渤海湾沿海地区基坑降水适用方法

环渤海湾区域城市包括山东、河北、天津、辽宁在内的近20 个地级及以上城市，但实际上属于渤海湾沿海地带的有大约10 个城市:潍坊、东营、沧州、天津、唐山、秦皇岛、葫芦岛、盘锦、锦州、营口。这10 个城市除秦皇岛、葫芦岛的海岸外，均属于泥滩，向内陆延伸几十千米至上百千米不等。这些区域虽沿海，工程地质环境比较差，地下10 m 内以粘土、粉质粘土、粉土、细砂为主，普遍的渗透系数不大。很少出现粗砂、碎石土，在建筑工程可勘察范围内，很难触及基岩。特殊淤泥或淤泥质粘土经常出现在不同深度土层中。

渤海湾外的城市借助天然地质优势，早已形成优良港口城市，如青岛、烟台、大连等。天津滨海新区的建立，促进了渤海湾内经济圈的发展。同时渤海湾内其他城市也都在加紧发展海岸经济，如山东的潍坊滨海经济技术开发区、河北的渤海新区等。越来越多的高层建筑出现在海岸泥滩地带，生活空间形成地下地上交错纵横的情况。建筑的地下空间的开发加速发展，由此带来降水问题越来越凸显。这些地区水位基本与海齐平，至内陆几十千米其深度也不过一两米，所以降水方案的设计比较重要。

针对以上情况，提出以轻型井点为主，大口井为辅，明排兼济的综合降水方案。对于建筑物不高，没有地下室或是人防要求的，单独采用明排也可以，宽度过大，加盲沟辅助。一般高层建筑有单层车库或是人防，可采用一级轻型井点降水。对于有多层地下结构的建筑，可以采用多级轻型井点或是喷射井点。对于较深土层有淤泥或是淤泥质粘土的基坑，采用电渗井点排水。基坑面积过大，采用大口径辅助，即在基坑内部设置排水设备。

降水也会带来不少生态破坏和自然灾害，在降水期内要时刻观察出水水质、周边已有工程沉降开裂和生态平衡等情况。地面沉降过大时应先停止降水，分析原因后再继续。也可采取回灌措施，防止土层固结沉降。充分做好过滤措施，严禁排水携砂带土，造成边坡基底掏空沉降或失稳。

5 结语

降水措施多种多样，方案设计时考虑多方面因素，不可一味追求技术可行性，需要同时兼顾经济性。要从原理出发，通过充分的现场勘察、渗透试验、精确计算来对比方案，选取适于特定工程的施工方法。对于渤海湾沿海地区，优先采用轻型井点是必要的。当然也不能以偏概全，要从工程实际出发确定最优方案。

［1］应惠清.土木工程施工［M］.上海:同济大学出版社，2007.

［2］JGJ/T 111—98，建筑与市政降水工程规范［S］.

［3］《建筑施工手册》编委会.建筑施工手册［M］.第5 版.北京:中国建筑工业出版社，2013.