長江漫灘地區(qū)水利工程深基坑降水淺析

楊耀中+趙峰+沈煒皓+崔宇

摘 要：長江漫灘地區(qū)地質(zhì)條件異常復(fù)雜，常常夾有厚薄不均的淤泥質(zhì)粘土隔水層，隔水層以下的承壓水層與長江相連。常規(guī)的降水法因其適用范圍的限制，難以對此類地區(qū)進(jìn)行有效降水。該文將論述通過聯(lián)合降水方法，在基坑周圍設(shè)置井點(diǎn)預(yù)降地下水，將大部分水體通過井點(diǎn)排出，同時(shí)在基坑內(nèi)設(shè)置表面排水裝置進(jìn)行局部降水，可以準(zhǔn)確控制基坑內(nèi)地下水位。工程實(shí)踐證明該法適合長江漫灘地區(qū)深基坑工程。

關(guān)鍵詞：長江漫灘 深基坑 降水

中圖分類號：TV521 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（c）-0048-02

水利工程深基坑開挖施工使原有的基坑周圍的水、土應(yīng)力平衡受到破壞，土體發(fā)生變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度就會危及到基坑本身以及周圍建筑物的安全[1]。在施工過程中，為了保證施工安全和減少基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，需要選擇合適的降低地下水水位或水頭的方法對基坑進(jìn)行降水?？茖W(xué)合理的降水方案對于基坑工程順利開展有著積極意義。

（1）可以防止基坑坡面和基底的滲水，保證坑底干燥，便于施工開挖。

（2）同時(shí)增加邊坡和坑底的穩(wěn)定性，防止邊坡或坑底的土層顆粒流失，防止流砂產(chǎn)生。

（3）減少土體含水量，有效提高土體物理力學(xué)性能指標(biāo)。對于放坡開挖而言，可提高邊坡穩(wěn)定性，對于支護(hù)開挖，可以增加被動(dòng)區(qū)土抗力，減少主動(dòng)區(qū)土體側(cè)壓力，從而提高支護(hù)體系的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，減少支護(hù)體系的變形。

（4）提高土體固結(jié)程度，增加地基土抗剪強(qiáng)度。適當(dāng)降低地下水位的方法可以減少土體含水量，提高土體固結(jié)程度，減少土中空隙水壓力，增加土中有效應(yīng)力，增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度。

（5）降低下部承壓水水頭，減少承壓水頭對基坑底板的頂托力，防止基坑突涌。

1 常規(guī)降水法在長江漫灘地區(qū)的適用性

長江漫灘沉積層，地質(zhì)條件異常復(fù)雜，常常夾有厚薄不均的淤泥質(zhì)粘土層[2]。該土層是由于古河床側(cè)向移動(dòng)和河水周期性泛濫形成的。在長江作用下河床常常一岸受到侵蝕，另一岸發(fā)生堆積，于是河床不斷發(fā)生位移。受到堆積的一岸，由河床堆積物形成邊灘，隨著河床的側(cè)移邊灘不斷擴(kuò)大。洪水期間，水流漫到河床以外的灘面，由于水深變淺，流速減慢，便將懸移的細(xì)粒物質(zhì)沉積下來，在灘面上留下一層細(xì)粒沉積，逐漸形成河漫灘淤泥質(zhì)粘土層。該土層透水性弱、力學(xué)強(qiáng)度低，其下部由強(qiáng)度低，透水性強(qiáng)的砂、礫、卵石層構(gòu)成。下部土層不僅透水性比上部土層大好幾個(gè)數(shù)量級，而且直接受江水充足的補(bǔ)給。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，以下所列出的常規(guī)的降水方法在該地區(qū)難以達(dá)到預(yù)期效果。

（1）表面降水法。該法屬于重力降水，適用于滲水量不大的基坑。利用設(shè)置在基坑周圍的明溝、集水井和抽水設(shè)備，將地下水從集水井中不斷排走，使得基坑處于干燥狀態(tài)。此方法適用于中等面積建筑物基坑的排水，適合土層為滲水量不大的粘性土、碎石土和粗砂土。長江漫灘地區(qū)地下水豐富，單純使用表面降水法難以達(dá)到基坑降水的要求。

（2）輕型井點(diǎn)降水法。該法屬于利用真空負(fù)壓加速抽取地下水的方法，適用于滲透系數(shù)為0.1～5.0 m/d的土層。該降水法在工程外圍豎向埋設(shè)一系列井點(diǎn)管深入含水層內(nèi)，用連接管將井點(diǎn)管與集水總管連接，再與真空泵和離心水泵相連進(jìn)行抽水，使得地下水位降到基坑以下。此方法適合土體滲透系數(shù)不大，需要利用真空負(fù)壓加速抽取的情況[3]。長江漫灘地區(qū)土層不均勻，常常夾有滲透系數(shù)較大且與江水相通的粉細(xì)砂、砂礫層。輕型井點(diǎn)法抽取該土層地下水時(shí)，江水會源源不斷地補(bǔ)給，降水效果差。

（3）噴射井點(diǎn)降水法。該法是在井點(diǎn)管內(nèi)部裝設(shè)特制的噴射器，用高壓水泵或空氣壓縮機(jī)通過井點(diǎn)管中的內(nèi)管向噴射器輸入高壓水或壓縮空氣形成水氣射流，將地下水經(jīng)井點(diǎn)外管與內(nèi)管之間的間隙抽出排走[4]。該法排水強(qiáng)度大可以代替多層輕型井點(diǎn)降水。在長江漫灘地區(qū)遇見江水相通的粉細(xì)砂、砂礫層時(shí)，降水效果差。

（4）電滲井點(diǎn)降水法。該法是在輕型井點(diǎn)或噴射井點(diǎn)管的內(nèi)側(cè)加設(shè)電極，通以直流電，利用粘土的電滲現(xiàn)象和電泳特性，使?jié)B透系數(shù)較?。↘<0.1 m/d）的粘土空隙中的水流動(dòng)加速，從而使基坑排水效率得到提高。在長江漫灘地區(qū)遇見江水相通的粉細(xì)砂、砂礫層時(shí)，降水效果差。

（5）管井井點(diǎn)降水法。該法是設(shè)備由濾水井管、吸水管和抽水設(shè)備等組成。具有井距大，易于布置，排水量大，降水深（>15 m），適用于滲透系數(shù)大（20～250 m/d）、砂土類、地下水豐富、面積大、時(shí)間長的降水工程應(yīng)用。利用管井進(jìn)行重力集水，再利用水泵將水抽出。在長江漫灘地區(qū)局部地層夾有厚大的隔水土層，而其上部又是中等透水的土層時(shí)，在地下水水頭差較小的情況下，降水效果不佳。

（6）深井井點(diǎn)降水法。工作原理是利用深井進(jìn)行重力集水，在井內(nèi)用潛水泵進(jìn)行排水以達(dá)到降水或承壓水壓力的目的。它適用于滲透系數(shù)較大、涌水量大、降水較深的砂土、粉質(zhì)砂土。在長江漫灘地區(qū)使用局限性與井管井點(diǎn)降水法相似。

2 長江漫灘地區(qū)深基坑排水關(guān)鍵技術(shù)

長江漫灘地區(qū)有淤泥質(zhì)粘土的隔水層，隔水層以下的承壓水層與長江相連。由于長江漫灘地區(qū)的淤泥質(zhì)粘土層的存在，使得該地區(qū)深基坑降水有別于其他地區(qū)。單一的降水法難以滿足工程需要，需要將多種降水方法有機(jī)整合，根據(jù)地質(zhì)情況靈活運(yùn)用。

深基坑降排水量一般比較大，表面降水法排量不夠。各類井點(diǎn)降水法由于地質(zhì)條件復(fù)雜、地下土層不均勻，難于準(zhǔn)確控制基坑內(nèi)地下水位。如果將兩種排水法結(jié)合，利用井點(diǎn)降水法對基坑周圍的地下水進(jìn)行預(yù)降，再利用表面排水法準(zhǔn)確控制地下水的高度可以得到較好的降水效果。

聯(lián)合降水法就是將井點(diǎn)降水法與表面降水法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。在基坑周圍設(shè)置井點(diǎn)，可以預(yù)降地下水，將大部分地下水通過井點(diǎn)排出。在基坑內(nèi)設(shè)置表面排水裝置，對坑內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確降水，確?；娱_挖過程中基坑內(nèi)地下水位低于開挖面0.5 m。

在長江漫灘地區(qū)上層土體滲透系數(shù)較大，中間或局部夾有滲透系數(shù)較小的隔水層，下層為滲透系數(shù)為10～200 m/d。綜合考慮可以選用管井井點(diǎn)降水法與表面降水法的組合。管井井點(diǎn)能降低含水層水量較大、滲透系數(shù)較大的潛水、承壓水，與管井井點(diǎn)連接成同一系統(tǒng)的表面降水裝置，能同時(shí)降排上層滯水、潛水及地面雨水，能有效地控制地下水對工程的影響，成功做到基坑施工干作業(yè)。在深基坑開挖前，進(jìn)行工程地質(zhì)施工復(fù)勘并結(jié)合工程地質(zhì)勘察報(bào)告及水文地質(zhì)條件，確定施工范圍各地層土體的分布范圍、層序、高程、滲透規(guī)律及地下水埋藏條件。通過理論計(jì)算分別得出各部降水施工參數(shù)，并確定管井井點(diǎn)及表面降水裝置的位置、數(shù)量和高程。

3 工程應(yīng)用

3.1 在南京板橋河閘擴(kuò)建工程的應(yīng)用

原板橋河閘建于1996年，設(shè)計(jì)流量124 m3/s，分三孔，單孔凈寬6 m，閘底板高程3.5 m（吳淞高程）。2015年底進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建后的板橋河閘采用閘站結(jié)合的布置型式，擴(kuò)建水閘設(shè)計(jì)流量為450 m3/s，水閘分5孔布置，每孔凈寬6 m，閘底板高程3.5 m，基坑底面高程1.3 m，局部0.95 m，堤頂（基坑頂面）高程12.45 m，新建補(bǔ)水泵站設(shè)計(jì)流量為4 m3/s。

該工程基坑高程3.29～12.00 m土層為粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)最大值為0.0065 m/d，高程2.39～3.29 m范圍土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，滲透系數(shù)最大值為0.0018～0.009 m/d。根據(jù)工程現(xiàn)場及工程地質(zhì)條件等情況，施工降排水采用井管2處配合表面降水施工裝置6處，進(jìn)行聯(lián)合降排水，使得基坑底部土層中動(dòng)水力減小，動(dòng)水方向朝下，地下水由水泵排出基坑外，從而確保施工期間基坑處于無水狀態(tài)，以確?；臃€(wěn)定和建筑物正常施工。

3.2 在南京長江干堤防洪能力提升工程的應(yīng)用

南京長江干堤防洪能力提升工程雨花臺區(qū)2012年度工程一標(biāo)段何家圩泵站工程深基坑，緊鄰長江，地質(zhì)條件異常復(fù)雜。通過計(jì)算確定基坑降水采用聯(lián)合降水法，采用管井4口深18 m，減壓降水井6口，深2.7 m，表面降水施工裝置一套，順利地完成了深基坑降水工程。

在何家圩泵站附近地質(zhì)條件相同，規(guī)模及基坑各部高程也基本相同的泵站采用傳統(tǒng)的輕型井點(diǎn)降水工藝（二級降水），其結(jié)果是輕型井點(diǎn)降水失敗，增加輕型井點(diǎn)后還是效果不佳，重新組織專家現(xiàn)場論證，采取增設(shè)13口大口徑管井降水，結(jié)果工期延誤，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

原降水設(shè)計(jì)的問題在于井深太大，管井貫穿整個(gè)含水層，該層與江水相通，導(dǎo)水性能極強(qiáng)。群井降水時(shí)抽取的地下水中江水占有較大比重，造成單井涌水量很大，而地下水位整體降深較小。

4 結(jié)語

長江漫灘地區(qū)地質(zhì)條件異常復(fù)雜，常常夾有厚薄不均的淤泥質(zhì)粘土隔水層，隔水層以下的承壓水層與長江相連。常規(guī)的降水法因其適用范圍的限制，難以對此類地區(qū)進(jìn)行有效降水。在這類地區(qū)使用聯(lián)合降水方法，運(yùn)用井點(diǎn)預(yù)降地下水，將大部分水體通過井點(diǎn)排出，同時(shí)在基坑內(nèi)設(shè)置表面排水裝置進(jìn)行局部降水，則可以準(zhǔn)確控制基坑內(nèi)地下水位。

參考文獻(xiàn)

[1] 周志芳，郭耿新，鐘建馳，等.深基坑降水設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的討論[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2004（5）：16-21.

[2] 劉清文，車燦輝.長江漫灘復(fù)雜地層條件下超大超深基坑降水設(shè)計(jì)[J].探礦工程，2013（5）：54-60.

[3] 樊竹銳，李兵.輕型井點(diǎn)降水法在水下承臺施工中的應(yīng)用[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2012（20）：34-36.

[4] 姚天強(qiáng)，石振華.基坑降水手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：2-4，16-21.