袁桥西站深基坑承压水风险评价研究

周苏红，彭小莉，燕 珍，尹 峥

(1.徐州市水利建筑设计研究院有限公司，江苏 徐州 221000；2.徐州市水利工程建设监理中心有限公司，江苏 徐州 221000)

0 引言

水利工程建设是城市化进程的重要体现，出于环保角度考虑，其周边的一系列工程建设都需要尽可能地降低对环境的负面影响。通常情况下，深基坑施工之前，必须利用技术手段适当降低浅层含水层的水位，用来控制基坑的变形程度。但如果工程所处区域的浅层土含水量较高，就需要额外采取真空预降水的方式，以提高土层的渗透性。根据经验来看，深基坑的施工周期往往相对较长，由数月至一年不等，在此期间需要保证承压水的水位持续保持在安全阈值范围内[1-3]。此外，对于深基坑而言，承压水是一项重要的安全因素，一旦对承压水的参数判断有误，极易出现坑底突涌现象，因此，对深基坑承压水风险展开全面评价研究具有重要意义。

1 工程概况

袁桥西站位于袁桥闸上奎河西岸，是奎河上建设最早的排涝泵站之一，其土层以粉土和淤泥质壤土为主，同时，发震规律受华北地震群规律支配。由于使用年限较长，拟对泵站原拆原建。泵站设计流量为15.0m3/s，选用4台立式轴流泵。水泵单机流量3.95m3/s，扬程3.75m，总装机容量为860KW。

由于袁桥西站地形复杂，交通繁忙，泵站布置受现场实际地形约束较大，采用侧向进水侧向出水的布置形式，进水池通过圆弧扶壁翼墙引导水流平顺进入流道，进水池底板高程由28.00m渐变至27.40m；站身采用堤后式块基型结构。泵站总长18.7m，宽12.50m，单座泵室净宽3.5m，隔墩厚为0.9m，机组中心距4.4m；泵站底板高程为27.40m，开敞式进水，水泵后设置ω隔墙，控制室地面高程34.50m；站上出水采用钢筋砼封闭式出水池，总长18.7m，出水池净宽6.8m，出水池底板顶高程30.30m，顶高程34.0m。由于该泵站距离故黄河较近，奎河下一般非汛期水位均在30.0m以下，而黄河常水位36.2m，故地下承压水位较高。

在上述参数信息的基础上，展开对袁桥西站深基坑承压水风险研究。

2 深基坑承压水风险评价

2.1 识别水位降深变化规律

在深基坑工程中，通常会使用止水帷幕作为工具，在大多数时候，地下水渗流环境会出现一些阶段性的变化。尤其是在抽水井投入使用后，深基坑的内、外水位也会发生一定变化。包括导水系数在内的水文地质参数，能够体现出水位降深的变化规律。在本次施工中，袁桥西站以圆形基坑渗流为主，采取无量纲的计算形式。在已知水位降深与抽水井之间的距离条件下，特征水位降深的计算公式为：

(1)

式中，G—特征水位降深，m；η—抽水时间，s；ϖ—导水系数，m/s；σ—基坑半径，m。为了能够更直观地体现水位随着时间呈现出的变化，在保持抽水量不变的情况下，以止水帷幕未改变承压含水层为前提，分别描述各个时段的水位变化。在抽水阶段的早期，水位降深基本相同，并且在止水帷幕未起作用之前，深基坑内的抽水量都是由坑内的承压水组成[2-4]。由于水量有限，通常情况下此状态的持续时间相对较短。根据抽水井的半对数坐标，得出无量纲形式下，总水位降深的计算公式：

(2)

式中，L—总水位降深，m；φ—抽水井的深度，m。当止水帷幕插入深基坑内后，承压含水层的深度与水位降深之间呈正相关的关系。此阶段的抽水量不单是坑内的承压水，还包括一部分的基坑外部的承压水，当抽水量全部都变成深基坑外的井水时，标志着水位降深的变化将进入下一个阶段。

2.2 设计深基坑小应变硬化土本构模型

考虑到不同的应力路径对深基坑土体的影响，临河侧的土体大多数都会呈现出中间宽、两边窄的特点。即便是开挖初期的水平位移现象并不是十分明显。但随着时间推移，会逐渐显现出一些特殊的特征。从深基坑的总体变形特征来看，当开挖深度与水位同时变大后，挡土墙的水位位移也会随之变大，此种背景下，对支撑结构的强度要求也会随之变高[5-7]。当土体的应力增量出现硬化现象时，深基坑的加载模量计算公式为：

(3)

式中，T—基坑的加载模量，N/m2；γ—深基坑周围土体的有效粘聚力，N/m2；ε—应力相关系数，N/m2；l—支撑刚度模量，N/m2；μ—偏应力，N/m2。考虑到剪切应力与刚度之间的反比例关系，对平面尺寸较大的深基坑中心区域土层进行描述，则土体孔隙比与开挖有效应力之间的关系为：

(4)

式中，h—土体孔隙比与开挖有效应力之间的关系，N/m2；λ—垂直方向的有效应力，N/m2；f—深基坑周围的土体孔隙比；α—压缩指数。由于在本次袁桥西站的施工过程中，承压水的波动均值与幅值波动周期有相似之处，因此在设计深基坑小应变硬化土本构模型时，暂时忽略土体的孔压响应现象。同时，在模型中引入初始剪切模量系数，则模型的数学表达公式为：

(5)

式中，F—深基坑最小应变硬化土本构模型；β—初始剪切模量系数，N/m2；δ—深基坑周围土体的阈值剪应变系数。而通常情况下，水平位移区间在3.96～5.25mm之间，但是如果深基坑的两侧挡土墙挤压变形较为明显，则会超出标准区间，在这种条件下就需要及时采取干预手段。

2.3 计算承压含水层安全系数

由公式(1)—(2)可知，对于深基坑的抽水而言，固结系数与承压水的变化有一定关联。尤其体现在承压水的变化周期上，以弱透水层为标志，承压水的压力变化越缓慢。也就是说在开挖过程中，渗流路径的衰减会导致承压水在流经弱透水层后，会逐渐向深基坑内的方向靠拢。根据承压水层的结构可知，当固结系数保持不变时，超静孔压通常能够与线性假定结果保持一致，在抛除相位差的情况下，承压含水层的变化会更为显著。在深基坑内存在完整井水时，无限承压含水层的均质和等厚无明显增大，则深基坑内含水层的渗透系数计算公式为：

(6)

式中，s—深基坑含水层的渗透系数，m/s；Ψ—实测水位降深持续时间，s；H—井内承压含水层的厚度，m。根据公式(5)可知，在深基坑开挖时，在土体不断卸荷的影响下，挡土墙与土体之间的荷载变化都可能引起基坑失稳，因此，需要用计算的方式，进一步量化袁桥西站的深基坑安全状态。如果土体已经达到了极限破坏状态，则必须采取二次加固的方式，以确保施工安全。根据深基坑土体的折减系数，得出含水层安全系数的计算公式：

(7)

式中，Q—含水层安全系数；ξ—土的挡土墙的弯矩，N·m；α—增量乘子。根据公式(7)的计算结果，在袁桥西站的周边划定河坡建设的面积以及设置水荷载区间。在同样大小的外力荷载条件下，通过加密坡脚处绕点的方式，控制缝隙大小。

2.4 明确风险等级隶属度

深基坑承压水风险评价环节主要是通过识别风险因素，然后对各项风险加以评估，从而对各项风险展开评价。结合袁桥西站的施工特征和具体步骤，能够基本判断出影响最终施工安全的因素主要可以概括为3个层面，分别是施工管理风险、承压含水层风险以及环境风险。根据不同的风险事件，以具体数据为标准，建立风险指标等级。并计算各项指标的隶属度，以得出最终的风险评价结果，具体见表1。

表1 风险评价指标

根据表1可知，将一级风险指标定义为R，将二级指标定义为W，并根据最大隶属度原则，对上述指标进行隶属度计算，具体为：

(8)

式中，P—隶属度；Y—风险源造成的损失，元；M—风险源出现的概率，%。结合上述2级指标的表现特征，能够对深基坑承压水风险进行定义，并制定应对措施。同时，根据P值的大小，对各项可能存在的风险加以详细量化。一些相对影响不大的风险，可以采取干预管理措施，不需要投入过多精力。而对于一些风险较高的事件，则主要是施工开始之前就进行评估，并加以规避。

3 案例分析

由袁桥西站的深基坑具体项目可知，其支撑体系采用砼支撑+钢支撑的5道混合支撑的模式，具体参数见表2。

表2 袁桥西站深基坑支撑体系

考虑到在实际工程中涉及到的施工因素，薄弱面深度是影响施工安全的一项重要参数。因此，在本环节主要通过出逸比降与坑底弱透水层厚度的变化规律，确定薄弱面深度的阈值，如图1—2所示。

图1 出逸比降

根据施工原理以及本次袁桥西站的具体参数可知，出逸比降保持在6以下为安全区间，由图1能够看出，当薄弱面深度为5m时最符合要求。而图2中能够看出，当薄弱面深度为5m时，坑底弱透水层厚度达到最大，能够保证袁桥西站深基坑不出现突涌问题。因此，在综合各项风险因素后，本次施工将薄弱面深度控制在5m左右，安全系数较高。

图2 坑底弱透水层厚度

4 结语

本次研究以袁桥西站深基坑的承压含水层为对象，分析其在施工过程中可能存在的风险。并通过构建风险指标和计算隶属度的方式，明确了各项风险因素的量化结果。为相关的工程建设研究，提供了新的可行性思路。未来的研究方向将更加集中于对相关案例的数据收集，以丰富研究结果。