湖东二级泵站基坑降水方案设计

白柯含

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，合肥 230088）

1 工程概况

湖东二级泵站位于安徽省枞阳县汤沟河入长江口处，主要功能是抽排汤沟河水入长江。该站建成于1986 年，现状装机3 台共465 kW，设计抽排流量8.1 m3/s。由于现状泵站规模小，洪水外排能力不足，不能满足流域排泄洪水要求，拟在原址进行拆除重建。新建后的湖东二级泵站设计抽排流量30 m3/s，安装5 台1400ZLB-85（+2°）型立式轴流泵，总装机容量2500 kW。工程主要建筑物包括进水前池、拦污检修闸、泵房、压力水箱及排涝出水涵，出水涵与现状湖东闸穿堤涵洞相接，外河侧防洪闸及出水连接段维持现状[1]。

2 地质条件

湖东二级泵站处地层在可揭露范围内，从上至下依次为:人工填土层，以重粉质壤土为主，层厚1.10～10.00 m；①层重、中粉质壤土，微透水性，层厚1.5 m；②层淤泥质重、中粉质壤土，弱～微透水性，局部夹砂壤土，层厚0.40～10.60 m；②1层砂壤土，中等透水性，局部分布，层厚0.60～2.20 m；③层砂壤土，中等透水性，层厚4.30～7.50 m；④层细砂，中等透水性，揭露层厚2.80～23.50 m；⑤层含砂砾卵石，强透水性，未揭穿，揭露最大层厚7.95 m。降水设计所需各土层参数见表1。

表1 土层渗透特性参数表

勘察场地范围内，地下水类型按埋藏条件可分为孔隙潜水和孔隙承压水。孔隙潜水主要分布于浅部粉质壤土、淤泥质土及人工填土层中，主要受大气降水和地表水补给。孔隙承压水主要贮存于③层砂壤土、④层粉细砂及⑤层含砂砾卵石中，为区内主要含水层，④层粉细砂在长江深泓中已出露，故与长江有较强的水力联系。

3 基坑降水设计

3.1 基坑底板稳定性验算

湖东二级泵站前池及站身底板褥垫层需开挖至4.5 m 高程，位于②淤泥质中、重粉质壤土层，由于下部③层砂壤土及④层粉细砂存在孔隙承压水，需对基坑进行抗突涌稳定性验算。④层细砂层在长江深泓中已出露，与长江有较强的水力联系，承压水位根据施工期长江水位确定。抗突涌稳定性验算公式[2]如下:

式中:Fs为突涌稳定安全系数，对于大面积开挖应大于1.2；H 为坑底至承压水层顶板的土层厚度，约5.5 m；γs为H 范围内土层的平均重度，取18.7 kN/m3；Hω为承压水头高度，约12 m；γω为水的重度，取10 kN/m3。

经计算Fs=0.857，基坑存在突涌破坏风险，为保证土方开挖及底板浇筑等下部结构施工时基坑的渗透稳定，湖东二级泵站施工期须采取措施降低承压水头。

3.2 深井降水方案

根据工程地质和水文地质条件、基坑周边环境要求，并结合主体工程地基处理措施，拟采用深井降低基坑承压水头[3]。坑内设计水位按建基面以下0.5 m 考虑约为4.0 m，各井距离基坑中心位置约30 m，坑内水位降落坡降按1/8 考虑，各井内水位约为0.5 m，施工期承压水位按长江侧设计水位取11.0 m，各井设计降深为10.5 m。根据抗突涌验算结果，基坑土方开挖至8.0 m高程即开始进行降水井施工。

深井具体布置如下:沿湖东二级泵站基坑两侧各布置6口深井，共12口深井（编号为J1～J12）。深井布置间距约15 m，开孔直径0.9 m，井管内径0.4 m。井口高程8.0 m，井底高程-6.0 m，井深14 m。每孔深井各配置100QJ5-36/9 深井潜水泵一台，流量5 m3/h，扬程36 m，配置电机功率1.1 kW。降水前应进行抽水试验，根据测压管观测结果控制管井泵运行。各井平面位置图见图1。

图1 湖东二级泵站降水计算平面图

3.3 降水计算

降水计算时，首先根据各井位置估算满足坑内水位要求的各井降深，再按干扰井群计算得到各井出水流量，并在基坑内不同位置选择检验点反算降深是否满足设计要求。

图中J1～J12标注为降水井位置，各井出水流量按承压非完整井干扰井群公式[4]（2）计算。

式中:Sm为第m口井的井水位设计降深，m；qj为第j口井的单井流量，m3/d；M为承压水含水层厚度，m，取为30 m；k为含水层渗透系数，m/d，取各含水土层的加权平均渗透系数，约为0.9 m/d；R为影响半径，m，可按R=10Smk 取值；rjm为第j口井中心至第m口井中心的距离，m，可通过各井位置平面坐标计算得到，当j=m 时，应取降水井半径rw，当rjm＞R 时，应取降水井半径rjm=R；l为滤水管长度，取6 m；n为降水井数量，取12。

可利用Excel 软件自带的矩阵求解功能对方程组进行计算，计算结果见表2。

表2 湖东二级泵站降水计算成果

出水量的计算结果显示，各井所配潜水泵功率完全能够满足降水需求。

对坑内任意位置的水位降深计算可采用公式（3）。

式中:rij为第j 口井中心至计算点的距离，m；当rij＞R时，取rij=R。

对坑内各位置选择检验点计算后，降深结果均大于7.0 m，能够满足基坑干地施工的要求。

3.4 降水引起的沉降量计算

湖东二级泵站基坑两侧民房密布，且距离较近，施工期降水将可能引起周围民房的不均匀沉降。因此需对降水引起的基坑外建筑物地基沉降量进行评估计算。沉降计算采用分层总和法[5]，计算公式（4）为:

式中:S为地层沉降量，cm；Δp为降水引起的土层附加应力，MPa；H为计算土层的厚度，cm；E为计算土层的压缩模量，MPa。

本次工程降水所涉及地层主要为②层淤泥质粉质壤土层和④层细砂层，其中④层细砂层完全位于降水面以下，不会产生明显的固结沉降，且为低压缩性，沉降量可省略不计。关于土层厚度的取值，通常仅计算降水面至原地下水位线之间的沉降量[6]，本工程降水位的变化范围主要位于②层淤泥质粉质壤土层，该层为高压缩性，因此主要针对该部分沉降量进行计算。

粘性土中附加应力Δp采用公式（5）计算:

式中:k 为孔隙贯通率修正系数；ΔH 为计算点的水位下降值，m；γw为水的重度，kN/m3。

孔隙贯通率k难以求得，可采用给水度μ代替，μ=n-α；孔隙度n 可通过孔隙比e 换算得到；持水度α根据土层性质按经验可取为0.2。

沉降计算点（编号为A1、A2、B1、B2）位置见图1，计算点处的水位降深可利用前文干扰井群公式计算，计算点A1、A2、B1、B2 水位降深分别为5.3、4.4、5.4、4.8 m，最终沉降量分别为2.8、1.9、2.9、2.3 cm。

计算点A1、A2之间距离约为15 m，B1、B2之间距离约为8.5 m，对应倾斜率分别为6×10-4、7×10-4，差异沉降引起的倾斜在《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）的允许值之内。

3.5 防止降水不利影响的措施

沉降计算结果显示，虽然降水引起的差异沉降不足以对建筑物稳定造成影响，但沉降量绝对值依然较为显著，可进一步考虑通过减少坑外降深从而对沉降量进行控制。考虑到本工程基坑两侧采用双排钢筋砼灌注桩的边坡支护型式，在第一排桩间设置高压旋喷灌浆，客观上可形成悬挂式截水帷幕的作用，切断坑内降水井所形成降落漏斗的外延部分，减少两侧的降水影响范围，这显然是对减小周边地面沉降有利的。因此，支护桩施工时应保证桩间灌浆的施工质量，在需要保护的民房范围内，可考虑采用高压摆喷灌浆等型式在支护桩成墙两端适当延长帷幕长度。降水时要随时注意抽出的地下水是否有浑浊现象，为防止抽水带走土层中的细颗粒增加周围地面沉降，应选用合适的回填砂滤料。加强对周边地面沉降的监测，必要时，可增设回灌水系统，维持基坑外地下水位。

4 结语

上部为淤泥质软土下部为细砂的地层条件在沿江泵站工程中具有相当的典型性。施工过程中，不可避免的需要对砂层承压水进行控制。以往估算基坑出水量采用的简化大井法与实际降水结果存在较大的差异，不能体现井点平面布置对降水效果的影响。本文采用的干扰井群公式更能符合实际情况，可根据计算结果调整各井平面位置及降深从而达到合适的降水效果。同时，通过对基坑外水位降深的计算，利用相应的沉降理论公式求得周边建筑物的沉降量和倾斜率，可较精确地对基坑周边建筑物的稳定性进行评估。进一步采取相应的控制沉降措施，优化设计方案。