浅议深基坑止水帷幕选型与降水设计

朱 家 宏

(河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)

0 引言

在高水位地区深基坑支护往往首先要处理地下水的问题，由于水位比较高，若采用开放式降水，则水位的大幅度下降将造成周边建筑物、管线的沉降变形，这是工程中不允许的，所以在环境条件比较复杂的工程项目中使用较少。实际工程中多数需要在支护结构中设置止水帷幕，由于止水帷幕的作用，基坑降水既可以满足土方开挖施工的需要，同时也能将周边环境的影响降低至最小。

1 深基坑止水帷幕的选型及优化设计

对于不同水文地质条件止水帷幕设置类型，国内已有不同的学者进行了分类总结[1,2]。根据场地地层条件的变化，止水按照端部是否进入相对隔水层，可分为悬挂式止水帷幕和封闭式止水帷幕。

对于深厚含水层的情况下，由于受经济条件的限制，除了特别复杂敏感的环境条件限制以外，一般采用悬挂式止水帷幕较多，对于此种类型的止水帷幕设置深度，既要满足坑底抗渗流的影响，同时还需考虑降水对周边环境的影响，尽量做到按需降水。止水帷幕的常见类型根据材料和施工工艺的不同，常用的形式为水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等。水泥土搅拌桩止水效果较好，但帷幕施工深度受限制，对于标贯击数大于15击的土层难以施工，且桩体施工垂直度要求较高，若偏差容易造成叉脚漏水，一般在软土地区使用较多。高压旋喷桩止水帷幕止水效果好，施工速度快，但也存在着垂直度偏差造成叉脚漏水的缺点。

2 基坑降水设计

2.1 基坑降水设计的解析法

根据场地的水文地质条件，根据地下水动力学理论采用潜水、承压水理论的裘布依、泰斯理论公式进行设计计算。采用解析法进行基坑降水设计在实际工程中应用较多，对于一般的工程一般也都能满足要求，由于解析法对边界条件要求较高，对于基坑周边设置有止水帷幕计算误差较大，需要采用数值解法。

2.2 基坑降水的数值解法

地下水流和土体是由固体、液体、气体三相体组成的空间三维系统，土体可以模型化为多孔介质。因此根据场地的地层条件，将求解地下水问题简化为求解地下水在多孔介质中流动的问题。根据与场地相适应的水文地质条件，可建立下列与之相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型[2-4]：

其中，S为储水系数；Sy为给水度；M为承压含水层单元体厚度,m；B为潜水含水层单元体地下水饱和厚度,m;kxx,kyy,kzz分别为各向异性主方向渗透系数,m/d；h为点(x,y,z)在t时刻的水头值,m；W为源汇项,1/d；h0为计算域初始水头值,m；h1为第一类边界的水头值,m；Ss为储水率,1/m；t为时间,d；Ω为计算域；Γ1为第一类边界。

对整个渗流区进行离散后，采用有限差分法或有限单元法将上述数学模型进行离散，就可得到数值模型，以此为基础采用相关计算软件，计算、预测降水引起的地下水位的时空分布。

基坑降水设计采用三维数值模拟进行设计计算，一般都能准确的模拟地下水实体分布情况，特别适用于预测软土地区的一些复杂敏感区域，由于降水引起的基坑周边环境变化。但由于采用三维数值模型，需要先在场地内进行一定时间的地下水抽水试验，特别是群井抽水试验，以获取准确的水文地质参数，然后根据水文地质参数建立适合场地条件的数值模型，进行地下水降水设计，由于前期勘察投入的费用较高，对于一般的工程条件是难以满足这个要求的。

3 工程实例

本文结合商丘市某深基坑支护设计工程实例，分析比较了止水帷幕采用的形式，并采用传统的地下水动力学解析法对基坑降水进行设计计算，通过后期的基坑施工检验，基坑降水设计方案是经济合理的，可以满足工程要求。

3.1 工程概况

商丘市某深基坑，场地位于老城区，坑深14 m，局部坑深约16.5 m，基坑周长约400 m。基坑周边环境条件比较复杂，基坑四周均紧邻已建建筑物，除东边为高层以外，其余三侧均为二十世纪七八十年代的老旧建筑，天然地基，另外周边管线众多，且年代久远，无法查清具体位置等情况。

场地地层情况为：第①层粉土：层厚1.10 m～3.30 m，湿～很湿，中密。第②层粉质粘土：层厚0.30 m～2.00 m，软塑。第③层粉土：层厚1.40 m～4.90 m，中密～密实。第④层粉质粘土：层厚3.80 m～7.80 m，可塑状态。第⑤层粉土夹粉砂：层厚0.50 m～6.10 m；该层以粉土为主，局部夹有粉砂薄层。粉土：浅黄色，湿，中密。粉砂薄层：灰黄色，中密～密实。第⑥层细砂：层厚11.50 m～14.40 m，均厚13.03 m，密实。

水文地质情况为：勘察期间测得的水位埋深为地下1 m～2 m，含水层为粉土、粉砂层。含水层类型为潜水。基坑场地典型地层如图1所示。

3.2 基坑止水帷幕设计优化分析

止水帷幕的长度，根据现行基坑规范的要求，首先需满足抗渗流的要求，同时在满足降水要求的情况下，尽量减小由于基坑场地内降水引起周边场地水位降深。根据上述要求，本工程的止水帷幕深度，可采用封闭式止水帷幕或者悬挂式止水帷幕。采用封闭式止水帷幕时，止水帷幕插入到相对隔水层即第⑦层粉质粘土层，止水帷幕深度约32 m；采用悬挂式止水帷幕，即止水帷幕的插入深度没有进入隔水层，但止水帷幕的深度在满足抗渗流的要求下，适当的加深以减小基坑降水对周边环境的影响，经试算采用止水帷幕插入基坑坑底以下10 m，未进入第⑦层粉质粘土隔水层，止水帷幕长度为24 m。采用封闭式止水帷幕，可以最大化的减小基坑降水引起的周边环境的变化，但工程造价较高。

采用悬挂式止水帷幕，则止水帷幕的长度要减少8 m，根据当地类似的工程经验，一般在类似降深的情况下，降水引起的沉降变形在允许的范围之内，经过综合比较，本工程采用悬挂式止水帷幕。

基坑止水帷幕的形式，根据当地的工程经验，一般采用高压旋喷桩较多，高压旋喷桩桩体采用摆喷的形式，如图2所示。

3.3 基坑降水设计计算

根据JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程及相关手册[5,6]，基坑涌水量计算模型按大井法简化，均质含水层潜水非完整井的基坑降水涌水量，计算公式如下：

其中，Q为基坑降水总涌水量，m3/d；k为渗透系数；H为潜水含水层厚度，m；h为降水后基坑内的水位高度，m；L为过滤器进水部分的长度，m；A为基坑面积，m2；r0为基坑等效半径，m；R为降水影响半径，m。

经计算需要布置25口降水井，降深等经计算模拟均满足工程要求，见图3。

4 结语

本文结合商丘市某深基坑工程支护设计实例，对该基坑工程的止水帷幕选型分析、基坑降水设计方法进行了说明。

1)对于基坑止水帷幕的设置长度不仅要满足抗渗流的条件下，还需考虑基坑降水绕流引起的基坑周边沉降变形。

2)基坑止水帷幕的具体形式，可结合当地的工程经验，以及工程造价等因素，综合考虑确定是采用搅拌桩，还是高压旋喷桩等具体形式。

3)基坑降水设计，有传统的解析法，以及三维数值模拟计算方法，每种方法都有其适用性，当工程比较复杂时可采用数值法，并进行抽水试验，以取得较准确的水文地质参数。对于一般的工程，考虑到工程造价因素，可采用传统的解析法，按照规范采用的大井法进行设计计算，一般情况下，也可以满足工程要求。