基坑工程降水设计与研究

冯 雨 张少立

（机械工业勘察设计研究院有限公司， 西安 710000）

0 引言

近年来，随着城市建设空间逐渐向地下过渡，高层建筑物与大型地下空间体的涌现伴随着大规模的深基坑开挖支护问题。当在地下水埋深较浅的地区进行基坑工程时，地下水的存在不但影响施工环境，也增加了支护设计的挑战。对此，目前工程实践逐渐形成一致结论，必须预先降低地下水位，消除其不利影响。就一般的粉土、黏性土而言，降水过程是土体中渗流场和应力场的相互作用过程，静水位下降，土体中孔隙水压力消散，在总应力不变的情况下，有效固结应力增加，土体固结，宏观上表现为沉降产生，周围建筑物随之沉降。假设在无限边界条件下的均质土层中设置一单井降水，抽水后产生的水位面呈以井体为中心的漏斗形，在土层同一深度处，不同水平位置的固结程度存在差异，距离越远，水位面越高，沉降越小，导致周围建筑物不同位置沉降不同步，不均匀沉降可能引起其倾斜甚至倒塌。当以群井的形势降低地下水对基坑的影响时，合理设计降水井位置及工作时间，可以调节地层中有效固结应力变化情况，满足基坑施工对地下水位要求的同时控制周围建筑物变形。

1 工程概况

拟建工程场地位于陕西省汉中市南郑县。距离汉江垂直距离为800m。地貌单元系汉江右岸Ⅰ级阶地。地形平坦，地面高程介于 505.24～505.6m。基坑开挖底标高为-7.62 m，±0.00=506.12m。降水后基坑内的水位应低于坑底0.5m，基坑内水位应低于-8.12m即498.00m。基坑开挖影响深度范围内地层如下：①杂填土:灰褐色、棕黄色，主要成分为粉质粘土，含少量煤渣砂石、旧房基础等，稍湿-湿，松散，层厚1.0～2.0m；②粉质粘土：褐黄色，棕黄色，偶见植物根系及铁锰质氧化物，干强度中等，韧性中等，稍湿，可塑状态。层厚1.8～4.0m；③粗砂：灰黄色、灰褐色，主要矿物成分为石英、长石，其次为云母和暗色矿物，级配良好，较湿，稍密，层厚1.0～3.5m；④卵石:杂色，主要岩性成分为石英岩、花岗岩、灰岩等，卵石直经一般4～9cm，含量50～55%，粗砾砂充填，饱和，中密，未揭穿局部夹有圆砾透镜体，均为细砂。勘察场地地下水类型属第四系松散堆积层中的孔隙潜水，勘察期间地下水位埋深5.7～6.5m，高程499.8～499m。静止水位5.5m，高程500.00m。主要补给来源为大气降水，年变化幅度在2.0～3.0m左右。基坑周边存在临建建筑。

2 降水设计及分析

2.1 渗透系数的选取

本工程岩土勘察报告中地层渗透系数为120m/d，由于未见到勘察报告中提及抽水试验或其他方法来计算得到渗透系数，所以该渗透系数应为勘察人员对该地区地层渗透系数的经验取值。本文进行了现场实地取样，测定渗透系数，其中圆砾为既有降水井滤料，砂砾、砾砂为地层土。砂砾层渗透系数为12～15 m/d，该渗透系数表现的是局部砾砂试样的渗透性质，并不是本工程真实地层的透水性。根据我单位在陕西西安、安康及汉中等地的降水工程经验，该砂卵石层地层的渗透系数为60～80m/d，本工程设计拟采用渗透系数70 m/d。

2.2 井数估算

场地平均水位为501.20m，设计水位498.00m，具体基坑参数见下表。

基坑参数

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潜水含水层降水井影响半径：R=2 sw=220.78m，其中sw为井水位降深，当其小于10m时按10m计，k为渗透系数，H 为潜水含水层厚度。

按潜水完整井考虑涌水量：

单井涌水量：

其中rs取 0.25m，l=4.0m，结合地区经验，单井流量确定为

2.3 渗透破坏分析

渗透破坏-管涌发生须同时满足地层条件和水力条件。地层条件：颗粒大小比值差别较大，往往缺少某种粒径，磨圆度较好，孔隙直径大而互相连通，细粒含量较少，不能全部充满孔隙；水力条件：地层中因降水引起的水力比降大于可产生管涌的允许水力比降J允许，具备以上条件则可能发生管涌。

本工程采用的渗透系数为70m/d=0.08cm/s，其介于0.5～0.025 cm/s ,根据《水力水电工程地质手册》中的《允许水力比降J允许经验值表》，其对应的允许水力比降 J允许=0.1 .0.2。为了控制水力比降小于J允许，对单井、群井采取如下措施：①单井控制措施（按照降水深度控制），采用将水泵下至不同深度来控制比降，让地下水缓慢下降，使在附近住宅楼下方形成的水力比降尽量降低，防止比降过大，产生涌砂现象；②群井控制措施（按照梯级分阶段控制），采用整体规划、分阶段分区域来降水的措施，将群井开启对已有建筑物下方形成的水力比降尽量降低，防止比降过大，产生涌砂现象。

2.4 降水设计效果模拟

为了分析该实施方案的降水效果及对沉降、水力比降的控制能力，利用理正岩土7.0进行模拟试验。根据基坑内、基坑外的水位降深等值线图，水位降深随着距基坑边线的距离增大而减小，坑内降深介于 3.257m～3.57m之间，满足基坑底3.2m水位降深要求。对降水影响最严重的临建建筑物（东北角6层住宅楼）分析，降水引起的建筑物角点最大沉降0.821cm，不均匀沉降0.047‰，均小于规范限值，该方案对临建建筑物的影响控制合理有效。

3 其他措施

该基坑降水工程还需辅以其他措施:

（1）静水位以上选用混凝土实管，静水位以下选用无砂混凝土滤水管，直径500mm，其孔隙率不小于30%，滤水管接头采用60密目网包封。井管与孔壁之间采用粒径5～8mm磨圆度好的圆砾充填。

（2）成井应采用托盘式下管法，井底用预制混凝土底座封闭，并填入 0.5m厚砾石。下入井管填完滤料后应采用排污泵洗井，洗井结束后，含砂量不得大于万分之一。

4 结论

本文通过复杂条件下的具体工程实例降水设计研究，可得主要结论如下:

（1）基坑降水设计基本流程包括：明确基坑及周边环境概况、计算降水井数目并布置、降水关键措施评价（包括井中滤料选择、渗透破坏、沉降控制）、调整并确定方案。

（2）粉土、粘土类土层中，降水渗流涉及水的动力特性，室内渗透系数试验结果并不能真实反应实际渗流状况，需要进行现场小规模抽水试验结合工程经验判断，得到合理的渗透系数取值，本文试验得卵石层中有砂砾填充的土层渗透系数为12～15m/d，实际取70m/d。

（3）降水井设计不但要保证满足降水深度的要求，同时要控制由此引起的临建建筑物沉降和防止渗流破坏，软件计算表明，合理安排降水措施分阶段降水可有效减小由此引起的水力比降和不均匀沉降。