某邻黄河长距离输水工程深基坑降水方案设计

李良琦，邱莉婷，马福恒，俞扬峰

（1.河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程建设管理局，河南 郑州 450008；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

0 引言

临江河地区的场地地貌大多呈典型双层结构，下部强透水土层的透水性往往比上部弱透水土层大几个数量级，且直接受江河水补给［1］。该区域工程建设的基坑降水问题一直备受关注，采用传统的明挖降水方案，难以满足水位降深需求。同时，由于井群布设与管井结构、管井与防渗帷幕组合等基坑降水方案设计缺乏相关规范规程指导，实践应用时较为关注工程条件，反而忽略了基坑场地的自然地质、水文地质以及含水层的水文地质结构特点，导致基坑降水效果难以达到预期要求［2］。

本文以河南省黄河北岸某输水及灌区工程为研究对象，对邻黄河的长距离输水工程深基坑降水问题进行探讨，通过对管井降水方案［3］、管井加悬挂式防渗墙组合方案的分析，提出可行的深基坑地下水控制方案，为类似工程提供建议和参考。

1 工程概况

背景项目是国家 172 项节水供水重大工程之一，其施工 1 标段位于河南省洛阳市吉利区。工程从水利枢纽坝下口门引水，新建输水总干渠及渠道建筑物，其中，新建渠道长约 9.48 km，新建建筑物长约 2.65 km；新建建筑物 30 座，包括渠道倒虹吸 5 座、矩形槽 3 座、节制闸 2 座、分水闸 2 座、穿渠倒虹吸 2 座和桥梁 16 座等。工程区位于黄河滩地、黄河Ⅰ阶地和黄河Ⅱ阶地，地面高程 124～127 mm。地下水类型主要为松散层孔隙潜水，赋存于砂卵石孔隙中，水位埋深 2.5～6.3 m，水位高程 119～121 m。由于工程区地下水埋藏较浅，普遍高于渠道及渠道建筑物底板设计高程，施工采用明挖法作业，过程中存在基坑降水问题。其中，工程平面布置图如图 1 所示，渠道典型断面如图 2 所示。

图1 工程平面布置示意图

图2 渠道结构横断面图（单位：mm）

工程区地层以第四纪新近沉积物为主，主要分为两层，为典型的河流二元结构（见图 3）。根据初步设计阶段勘察成果，第①层砂壤土（Q42al），褐黄色，干～稍湿，松散状，土质不均，局部砂粒含量较高，可见少量植物根系，见有蜗牛壳碎片。人工填土呈灰黄色，干，密实状，填土为路基土，以砂壤土为主，含有植物根系、碎石等杂物。具弱～中等透水性，渗透系数一般为 4× 10-4cm/s。第②层卵石（Q42al），灰白、紫红色，卵石以石英砂岩为主，杂少量石英岩及安山岩，粒径一般 3～6 cm，少量达 15～20 cm，最大粒径超 20 cm，多呈次圆状，含量约 55 %～65 %，泥砂质充填，未胶结，有架空现象，钻探时有漏桨、掉钻现象。工程区主要为黄河漫滩、冲洪积扇和冲洪积倾斜平原，黄河古河道摆动较大，沉积环境导致地层岩性不均一，结构变化大，工程各段卵石层渗透系数存在差异，初步设计阶段勘察所得工程不同部位的卵石层渗透系数如表 1 所示。

图3 工程区地层剖面图

表1 地勘阶段渗透系数统计表

2 基坑降水难点

地层渗透性强，工程区主要含水层为卵石层，卵石层渗透系数为 0.5～2.0 cm/s，属于极强透水地层；开挖深度大，基坑开挖深度 9～13 m；水位降深大，工程区要求水位降深 6～12 m；基坑面积大，渠道及建筑物基坑采用明挖法+放坡施工，坡比 1∶1.75～1∶2.75，地下水抽排的强度大；地表水与地下水水力联系密切，工程区临近黄河，区内坑、塘密布，地表水和地下水受黄河水位影响显著，基坑降水会激发地表水大量补给地下水。同时，工程区主要为黄河漫滩、冲洪积扇和冲洪积倾斜平原，黄河古河道摆动较大，沉积环境导致地层岩性不均一，结构变化大。本文取工程区渗透系数差别较大的三个典型部位进行基坑降水方案研究。

3 管井降水方案设计及分析

3.1 涌水量计算

根据总干渠渠道断面图，基坑开挖范围内地层以卵石为主，基坑底部为卵石，选取 JGJ 120－2012《建筑基坑支护技术规程》附录 F 中 F.0.2 均质含水层潜水非完整井公式计算 基坑降水涌水量，如式（1）、式（2）所示。

式中：Q总为基坑降水总涌水量，m3/d；k为渗透系数，m/d；H为潜水含水层厚度，m；h为降水后基坑内的水位高度，h=H-S（m）；l为过滤器进水部分的长度，m；R为降水影响半径，m，按R=2S（KH）1/2计算；S为基坑地下水位的设计降深，m，按低于底板 1 m 计算；r0为基坑等效半径，m，按r0=η（a+b）/4 计算，（当b/a=0.2 时，η=1.1）；a、b分别为基坑长度、宽度，m。

基坑开挖后底板所处地层为卵石，工程区地下水位高程约 119～121 m，考虑到该地层土体透水性较强，为了保证在相对干燥的场地上施工，故降水时要求将地下水位控制在底板以下 1.0 m，工程区水位降深 4～12 m。工程基坑降水涉及地层的岩性主要为卵石，卵石层中夹细砂、中砂，地下水类型为孔隙潜水。工程区内上部为砂壤土，下部为卵石，计算含水层厚度取 50 m。涌水量估算如表 2 所示。

表2 基坑涌水量估算表

3.2 管井降水方案设计

单井出水量Q单估算公式（3）如下。

式中：rs为管井直径，m，计算取 0.2 m；l为过滤器淹没段长度，m，计算取 9 m；k为渗透系数，m/d。

计算结果如表 3 所示，经计算，经计算，单井出水量Q单 为 5 129.78～8 143.01 m3/d（213.74～339.30 m3/h）。

表3 单井出水量估算表

降水井数量计算公式见式（4）。

式中：Q总为基坑涌水量，m3/d；Q单为单井出水量，m3/d，经验系数取 1.2。

降水井布置根据开挖断面形态以及结构特征，降水井沿基坑两侧马道均匀布置，倒虹吸边坡无需衬砌的部位，降水井尽量靠近渠道中心线，降水井设计深度 25～30 m，上部 4 m 可采用实管，下部均采用滤水管，过滤器内径要求≥400 mm。根据基坑涌水量的估算结果，结合降水井单井出水量，工程部位降水井数量以及井间距计算结果如表 4 所示。

表4 降水井数量及井间距计算结果表

3.3 管井降水方案评价

1）单井出水量评价。单井出水量Q单为 5 129.78～ 8 143.01 m3/d（213～339 m3/h），目前市场上常规的深井泵最大出水量为 160～250 m3/h，无法满足单井出水量的要求。同时，出水量＞250 m3/h 的深井泵需要单独联系厂家定制，大部分厂家无充足现货，备货时间较长。此外，工程对水泵及其配件的需求量很大，使用非常规型号水泵会导致设备安装及降水运行维护不便，不仅会大幅度增加项目成本，还会严重影响工期。

2）降水井数量评价。基坑降水工程应使用常规型号水泵，以降低施工及运行维护的难度和成本，如采用额定流量≤250 m3/h 型号深井泵作为主要抽水设备。根据基坑涌水量的估算结果，调整后各工程部位降水井数量以及井间距计算结果如表 5 所示。基坑降水工程的降水井间距无具体规定，可参考基坑涌水量及单井允许出水量计算结果设置，但常规的降水井布置间距一般均≥10 m。由于本项目存在含水层渗透性极强，厚度大，施工期间水位降深大等特点，故降水井间距按 6～8 m 进行布置，但仍大于计算所需的降水井间距要求，不符合施工的客观实际情况。

表5 调整后的降水井数量及井间距计算结果

综上可知，基于工程区的水文地质条件和各工程部位的设计要求，仅靠管井降水无法满足基坑开挖的水位降深要求。

4 管井加防渗墙组合方案渗流分析

在强渗透性地基的城市建筑物密集区域［4］、临江河区域［5］或近海区域［6］建设工程，其深基坑开挖一般采用防渗帷幕和排水的组合形式。本节选取渠首倒虹吸的基坑降水作为研究对象，将管井降水与悬挂式防渗墙结合，以减少施工现场的抽水设备配置需求，探寻切实可行的基坑降水方案。

4.1 有限元渗流分析原理

4.1.1 控制微分方程及定解条件

根据达西渗透定律及水流连续性方程，稳定渗流的基本微分方程如下。

对于稳定渗流，基本微分方程的定解条件仅为边界条件，包括 Dirichlet 边界条件，Neumann 边界条件，以及自由面边界和溢出面边界条件。三维稳定渗流问题实际上是求解下列定解问题。

式中：q为渗流区域边界上单位面积流入（出）流量；S1、S2、S3和S4分别为已知水头、已知流量、自由面和溢出面边界。

结合变分原理，三维稳定渗流问题的求解等价于求解能量泛函的极值问题。

根据研究区域的水文地质结构，进行渗流场离散，取上式变分为零，再进行各子区域迭加，可得到有限元单元法求解渗流场的控制方程（8）。

式中：［K］为整体渗透矩阵；为各结点水头值。

4.1.2 渗流量计算原理

采用中断面法计算通过某断面S的渗流量q可按式（9）计算。

式中：S为过流断面；n为断面正法线单位向量；kn为n方向的渗透系数；h为渗流场水头。

如果需要计算通过某一断面的渗流量，则取该断面上的一排单元，使得各单元的某一中断面组成该计算流量断面。累加这些单元相应中断面的渗流量即可得所求的该计算断面的渗流量。

4.2 有限元网格剖分

采用商业软件 MIDAS 进行渗流计算，遵循从“点→线→面→体”自下而上的建模技术，采用三维实体进行整体建模，网格剖分采用 8 结点等参单元。有限元模型坐标系（X，Y，Z）中的X轴为水平方向，指向右岸为正；Y轴为竖直方向，向上为正；Z轴为沿渠道轴线方向，指向下游为正。XZ平面为渠道底部平面。

土体材料分别为砂壤土与卵石，其中上部砂壤土层高 4 m，下部卵石层高 46 m。模型边界长为 138 m，深度为 50 m，宽度为 31.2 m，以最大限度减小边界效应对计算结果的影响。地下水位以及降水井水位采用结点水头的方式进行模拟。渠道结构及抽水措施结构进行了较为精确的模拟，模型底部采用较为稀疏的有限元网格，并向降水井底和渠道逐步加密，总计 67 879 个单元，103 089 个结点。模型整体及横断面有限元网格如图 4 所示，降水井及防渗墙结构有限元网格如图 5 所示。

图4 模型有限元网格图

图5 降水井及防渗墙结构有限元网格

4.3 模型边界条件

模型外部水头边界采用结点水头定义方式，因地下水位深 3 m，模型高度为 50 m，故模型两侧网格 3 m 以下结点的总水头值为 47 m。模型外部水头边界设定如图 6 所示；内部水头由于降水井深 18 m，降水高度为 12 m，降水井口至基坑顶部为 6 m，故降水井全部结点总水头值为 32 m。模型内部水头边界设定如图 7 所示。

图6 模型外部水头边界

图7 模型内部水头边界

4.4 模型计算参数及比对方案

砂壤土的渗透系数为 4×10-4cm/s ，卵石的渗透系数为 5×10-1cm/s，防渗墙的渗透系数为 1×10-6cm/s。方案比选在两侧的一级马道各设一排降水井，根据不同降水井间距和不同防渗墙深度组合，按照表 6 所示方案进行模拟分析。

表6 降水井与防渗墙组合方案比对

4.5 计算结果分析

单井抽水量机械按 100 m3/h 的抽水能力计算，承压水头高 47 m，抽水高程 32 m。不同比选方案计算结果如表 7 所示。限于文章篇幅，这里仅展示方案七的有限元计算典型断面压力水头等值线云图（见图 8 和图 9），模型渗流方向示意（见图 10）。

表7 不同方案计算结果

图8 方案七典型横断面压力水头等值线云图

图9 方案七典型横断面压力水头等值线云图

图10 方案七模型渗流方向示意图

方案九采用明挖排水，不设置降水井及防渗墙，有限元网格如图 11 所示。基坑深 12 m，每 3 m 设置一施工阶段步，共分为 4 步（S1～S4）开挖完成。因地下水位为地下 3 m 处，故从 S2步开始计算渗流。S4阶段计算结果如图 12 和图 13 所示，各施工阶段计算结果如表 8 所示。

图11 方案九有限元网格

图12 S4 阶段典型横断面压力水头等值线云图

图13 S4 阶段渗流方向示意图

表8 各施工阶段计算成果汇总表（模型宽 31.2 m）

由方案九计算可知，基坑内渗流量随基坑开挖而增大，在第 S4步渗流量达到最大。为与方案一至方案八进行对比分析，将方案九 S4阶段基坑内流量换算成同降水井间距（见图 14）。对比得知，方案九明挖排水方案的渗流量远大于降水井与防渗墙组合方案，渗流量在 2～3 倍之间，故推荐采用降水井与防渗墙组合的降水方案。通过渗流计算，结合工程实际条件以及类似工程经验，推荐采用降水方案七：一级马道两侧布置降水井，井间距10 m，在基坑两侧 5 m 处设立 15 m 深防渗墙。该方案单井流量为 105 m3，降水时间为 18.3 d，在保证渠底地下水位满足工程要求的前提下，在运行期间，与工程施工的互扰最小，管井及抽水设备的利用率最佳。

图14 降水井与防渗墙组合降水方案与明挖排水方案渗漏量对比

5 结语

1）本临黄河长距离输水工程建设的基坑降水难点：极强透水地层，开挖深度大，基坑面积大，地表水与地下水水力联系紧密，基坑降水激发地表水大量补给地下水，地下水抽排强度大。

2）选取工程渗透系数差别较大的 3 个典型部位进行管井降水方案研究。通过单井出水量、降水井数量及间距计算分析，得出仅靠管井降水无法满足基坑开挖的水位降深要求。

3）研究管井降水和悬挂式防渗墙结合的降水方案，通过数值计算进行不同管井间距和不同防渗墙深度的组合方案比选，得出在一级马道两侧布置井间距 10 m的降水井，结合基坑两侧 5 m 处设立 15 m 深防渗墙的组合方案满足基坑开挖水位降深要求，同时，工程施工互扰小，管井及抽水设备的利用率佳。Q