某人防工程基坑开挖涌水量预测分析

李贵博

（湖南省有色地质勘查局二四七队，湖南 长沙 410129）

水文地质是岩土及工程基础环境的重要组成部分，与工程地质相互联系、相互作用，甚至会直接影响建筑物的工程安全和稳定[1]。据有关统计，在基坑的相关事故中直接由地下水处理不当引起的占21.4%[2]，而直接或间接的由地下水引起的占70%[3]。地下水因素在基坑安全中占有重要地位，因此为确保工程防水及周边建筑、管线、道路等的安全性，必须对地下水进行正确的分析评价。易强等[4]通过水文地质调查与物探技术成功找到地下水源;李树荣[5]通过水文物探法探测地下水水流速度、流向，明确水文地质参数，提升了工作效率;王建军[6]根据现行规范采用多种计算模型进行车站基坑的涌水量计算；文德宝[7]等，以抽水试验原始数据为基础，通过稳定流和非稳定流的几种常用计算方法进行综合分析比较，确定了合理的水文地质参数，并对涌水量进行了估算；本文结合具体工程通过水文地质调查、水文地质物探、水文地质勘探、水文地质试验等对拟建工程基坑涌水量进行预测分析，为相关工程提供借鉴。

1 工程背景

1.1 工程概况

拟建人防工程为战时人防，和平时期地下商业街项目，项目所在地两侧现为闹市城市建筑密集区，交通便利，位置优越。拟建工程全长约1000m，标准断面宽度约18m，场地东北侧与现有河流直线距离约320m。

1.2 区域地形地貌及气象水文条件

区域地貌形态呈四周山丘崛起、中部岗平相间的立体轮廓，地貌类型呈山地连片、岗丘交错、平地绵展的组合，四周山丘环绕，中部岗盆宽广。地貌成因有堆积、侵蚀溶蚀和侵蚀3个类型。工程区域原始地貌单元属河流阶地，由河流侵蚀刻切作用，伴随堆积黏土及砂砾石层形成的侵蚀堆积地形。现为繁华闹市城市建筑密集区。

该区域属北亚热带湿润季风气候区，四季分明，雨热同季，光照充足，雨量丰沛。年平均降水量为1300mm，夏季降雨量占全年的51.7%，冬季占7.8%。年平均蒸发量为1441.4mm，夏季蒸发量占全年的37%，冬季占11%，年均蒸发量大于降水量。

全境共有长5km的河流49条，总长655.6km。其中A水水系42条，流域面积1503平方千米，占该县总面积的87.6%；B水水系7条，流域面积203平方千米，占该县总面积的11.85%；其余0.55%为蒸水水系。县内主要河流为C，为A的一级支流，全长105km，境内流程65.2km，流域面积1347.3平方千米，平均坡降0.89‰，多年平均流量2819立方米/秒。

1.3 区域地质构造

根据区域地质资料显示，区内地质构造史复杂，前期以褶皱、断层为主，表现为南北向的褶皱和仰冲断层群，后期有广泛的岩浆活动，属低洼构造区。通过区域地质调查于场地西北侧一岩石出露区测得岩层产状为10°∠15°，主节理1产状263°∠88°，主节理2产状55°∠78°，节理3产状145°∠50°。整体上节理裂隙产状走向与人防工程走向呈较大交角相交且节理裂隙倾角较大，依据区域地质资料初步分析沿人防工程走向方向节理裂隙分布及发育不均匀且在垂直向方向上岩溶向下发育角度较陡。

2 场地工程地质及水文地质条件概述

2.1 工程地质条件概述

人工填土（Q4ml）①：褐红色、褐灰色、杂色，混合砂、卵石及粘性土。土质、密实度不均匀，湿，结构松散。渗透性根据其堆填土的性质及堆填的时间，差异很大，属中等透水-弱透水地层，该层赋存地下水。

耕土（Qhpd）②：褐灰色、深灰色，湿-很湿，松散，属弱透水地层，该层赋存地下水。

第四系更新统冲洪积粉质黏土（Qal+pl）③：褐黄色、褐灰色，湿，可塑-硬塑状，局部含角砾、砾砂，属微透水地层或相对隔水层。

第四系更新统冲洪积角砾（Qal+pl）④：褐黄、灰白色，石英质、砂岩质，密实度不均匀，分选性差，不均匀含约10-50%的砾砂及黏性土，粒径一般约为2-30mm，大者50mm，多呈亚圆形，呈松散-稍密状态，属强透水地层，该层赋存地下水。

第四系更新统残积黏土（Qel）⑤：褐黄色、褐红色，很湿，软塑状，局部含砂，属微透水地层或相对隔水层。

中风化灰岩（D）⑥：灰白色、深灰色，节理裂隙较发育，岩溶强发育，浅表溶沟溶槽发育，溶洞以全充填或者半充填软-可塑状态黏性土及砾砂为主，整层属中风化，岩体基本质量等级Ⅲ级，属较硬岩，属弱透水层-中等透水地层，该层赋存地下水。

2.2 水文地质条件概述

水文地质单元：依据区域水文地质资料及区域地质调查显示该区域水文地质单元北侧、东侧以C河为界，南侧西侧以低山丘陵等分水岭为界限。地下水整体上由西往东、由南往北汇入C河。

地表水：场地距C河西岸河堤最近约320m，常年有水，水面宽约61m，河两岸均筑堤，河堤高程82.0m~83.2m,C河上游水渠正常蓄水水位：76.5m，研究期间测得C河水位高程为76.5m。根据该县水资源管理局提供的最新资料显示，1982年6月17日，C河县城区段洪水最高水位为78.61m，为历史峰值水位。城中河在拟建场地中间横穿整个人防工程，城中河沟渠宽7.7m~14.3m，沟渠底标高81.75m，沟渠顶标高84.06m，该段路面标高85.25，涵内为拱桥涵洞，中间砌筑石墩，道路两侧雨污水排入城中河沟渠，由于该沟渠为城区主排水通道，基坑开挖时需特别引起注意。

地下水：场地内地下水丰富，场地地下水主要为覆盖层的上层滞水、孔隙潜水及岩溶水。由于岩溶发育不均匀性且本次研究期间为雨季，局部地段孔隙潜水、基岩裂隙水表现出承压性。其中：上层滞水年变化幅度约3m~6m，对施工影响一般。孔隙潜水（雨季局部表现为承压性）与C河有较密切的水力联系，其水位变化幅度受C河水位涨落影响，年变化幅度约2m~3m。岩溶裂隙水赋存于下伏灰岩中，属区域内中等富水地层，与C河水水力联系密切，分布及发育不均匀。孔隙潜水与基岩岩溶水局部联通，产生“混合水”，研究期间孔隙潜水及岩溶水水位均高于C河水位，故水流主要向C河流补给。

3 水文地质工作概述

本次水文地质研究主要进行了以下工作：水文地质调查、水文地质物探、水文地质勘探、现场水文试验。根据区域地质调查及水文地质物探结果，于物探显示Ⅳ、Ⅴ两处岩溶及地下水发育区域先行进行水文地质勘探验证，然后进行岩溶裂隙水抽水试验2组/6孔；于Ⅵ处孔隙潜水发育区域先行进行水文地质勘探验证，然后进行抽水试验1组/3孔。

4 抽水试验成果

抽水试验采用稳定流法进行综合抽水，抽水分三次降深。场地共进行三组抽水试验：第一组岩溶水降深分别为7.5m、5.1m、3.1m，第二组岩溶水降深分别为10.16m、7.16m、5.16m，第三组孔隙潜水降深分别为11.98m、8.98m、6.98m，每次降深稳定时间8～16h，抽水结束后应测量恢复水位，分别评价不同含水层的渗透性。

计算水文地质参数的模型如下：

（1）潜水完整井稳定流抽水确定水文地质参数。

式中K为渗透系数（m/d）；S、S1、S2为抽水井、观测孔的水位降深值（m）；Q为抽水井稳定涌水量（m3/d）；H为潜水含水层厚度（m）；r1、r2为观测孔至抽水孔的距离（m）。

（2）承压水完整井稳定流抽水确定水文地质参数。

式中K为渗透系数（m/d）；S、S1、S2为抽水井、观测孔的水位降深值（m）；Q为抽水井稳定涌水量（m3/d）；M为承压含水层厚度（m）；r1、r2为观测孔至抽水孔的距离（m）。

（3）潜水完整井根据水位恢复速度计算渗透系数。

式中K为渗透系数（m/d）；S1、S2为t1、t2时刻水位深度（m）；t为t1、t2时间间隔（d）；H为潜水含水层厚度（m）；rw为抽水孔半径（m）。

（4）承压水完整井根据水位恢复速度计算渗透系数。

式中K为渗透系数（m/d）；h1、h2为t1、t2时刻水面至承压水底板高度（m）；S1、S2为t1、t2时刻水位深度（m）；t为t1、t2时间间隔（d）；H为潜水含水层厚度（m）；rw为抽水孔半径（m）。

（5）含水层影响半径计算公式在有两个观测孔的情况下，R可由下式计算：

式中R为影响半径（m）；H为潜水含水层厚度，（m）；S1、S2为观测孔的水位下降值（m）；r1、r2为观测孔至抽水孔的距离（m）。

（6）承压水含水层影响半径计算公式在有两个观测孔的情况下，R可由下式计算：

式中S1、S2为观测孔的水位下降值（m）；r1、r2为观测孔至抽水孔的距离（m）。

根据以上公式计算结果如下表1：

表1 渗透系数及影响半径计算结果表

影响抽水试验结果的因素较多，本次研究期间场地孔隙潜水止水帷幕已施工导致孔隙潜水渗透系数相比经验值偏小；基岩裂隙水的试验结果差异较大，亦从侧面反映了岩溶裂隙水发育的不均匀性；场地地层情况存在一定的不均匀性等，往往计算式选取的条件相对均匀及稳定，抽水试验结果可能存在一定局限性。

5 基坑涌水量预测

据以上水文参数按最不利原则，以20×18m为一个开挖段进行基坑涌水量预测。参照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）附录E.0.1及E.0.3进行基坑涌水量估算，基坑涌水量估算统计如下表2（选取部分地段）：

表2 基坑涌水量估算表（选取部分地段）

各段基坑实际涌水量应为基岩裂隙水的涌水量与孔隙潜水涌水量之和。各层代表试验数值叠加后范围值为25.1m3/d~177.6m3/d，但应注意角砾层水与基岩裂隙水试验地段分别位于不同区域，由于各区域含水层的水理性质差异造成模型不一所带来的偏差，必要时需重新评价。

6 结论

（1）各项水文参数及基坑涌水量结果与区域水文地质资料基本相符，涌水量预测对人防工程开挖防水及安全有不可或缺的参考意义，但并不排除由于地层不均匀性影响所带来的偏差。

（2）研究成果均基于期间场地的水文地质条件和周边环境，由于施工周期相对较长如遇雨季及洪水期河水上涨导致C河倒灌补给周边地下水时会导致场地水文地质条件发生较大转变应重新评价其适用性。

（3）人防工程在开挖过程中随着地下水的抽排，土体内特别是角砾层中会产生渗透性破坏，亦会使岩溶裂隙、溶洞之间的通道连通起来，产生较好的水力联系，进而产生突涌。对此设计和施工时应予以注意，按有关规程、规范规定严禁长时、大量抽排地下水，施工期要有防治地下水抢险应急预案，必要时对岩溶地下水丰沛地段进行超前探测。

（4）为确保施工安全及河水倒灌等所带来的不利影响可依据实际情况采取以下措施：①在人防结构两侧设置排水盲沟、井等；②对岩溶裂隙进行帷幕注浆，注浆深度等须经过专门验算以确保岩溶水绕过帷幕后位于人防底板以下安全深度；③人防底板以下进行注浆封堵加固、堵水，并加强结构措施等。另场地属城市中心地带，按有关规程、规范规定严禁长时、大量抽排地下水，施工期要有防治地下水抢险应急预案。

（5）施工过程中及建筑物运营期间应按规定对基坑周边地下水进行长期监测，并有应急预案。必要时应于场地外缘设置回灌或抽排水系统，以确保施工过程的安全。如发现异常，及时采取有效措施进行处理，保证施工或周边建筑物内人员的安全。