基坑工程水文地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蘭 韡

上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司 上海 200444

1 常用基坑工程水文地質(zhì)勘察的目的

工程水文地質(zhì)勘察著眼于建設(shè)工程場(chǎng)區(qū)及周邊一定范圍內(nèi)的地下水滲流規(guī)律研究，綜合應(yīng)用多種技術(shù)手段，著重于查明場(chǎng)區(qū)特殊水文地質(zhì)條件、揭示和判別潛在的地下水風(fēng)險(xiǎn)以及評(píng)估地下水控制可能誘發(fā)的工程周邊環(huán)境變形。

2 基坑工程水文地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)

根據(jù)地下工程的性質(zhì)，初步分析基坑工程建設(shè)過程中可能存在的地下水風(fēng)險(xiǎn)后，應(yīng)針對(duì)性地進(jìn)行基坑工程水文地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)。

2.1 工程地質(zhì)補(bǔ)充勘察設(shè)計(jì)

工程地質(zhì)補(bǔ)充勘察設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下原則：

1）布點(diǎn)范圍應(yīng)涵蓋整個(gè)水文地質(zhì)測(cè)試場(chǎng)區(qū)以求獲取精確的土層分布狀況。

2）布點(diǎn)間距不大于30 m，以15 m為宜。水文地質(zhì)測(cè)試場(chǎng)區(qū)中心范圍應(yīng)適當(dāng)加密。

3）勘探深度應(yīng)當(dāng)大于最底部的測(cè)試土層10.0 m以上。

2.2 水文地質(zhì)測(cè)試設(shè)計(jì)

2.2.1 抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的抽水試驗(yàn)?zāi)康?，抽水試?yàn)設(shè)計(jì)一般參照如下原則：

1）求解水文地質(zhì)參數(shù)——采用單井抽水多井觀測(cè)的方式，觀測(cè)井?dāng)?shù)量不少于3口。具備條件時(shí)，抽水井應(yīng)盡可能采用完整井；采用非完整井時(shí)，同層各觀測(cè)井的過濾器長(zhǎng)度宜相等并安置在同一含水層深度。

2）判別不同土層之間的水力聯(lián)系——一般采用群井抽水多井觀測(cè)的方式。在測(cè)試土層中選擇含水豐富、出水量大的地層布設(shè)抽水井，并在測(cè)試土層中分別布設(shè)不少于2口觀測(cè)井。

3）判別抽水效果——又可分為判別不同井結(jié)構(gòu)抽水效果和判別不同井?dāng)?shù)抽水效果。對(duì)于前者一般采用不同的井結(jié)構(gòu)進(jìn)行單井抽水試驗(yàn)，測(cè)量井的流量和等距離相同結(jié)構(gòu)觀測(cè)井的水位降深等來判別；對(duì)于后者，一般從單井開啟逐漸增加抽水井?dāng)?shù)來觀測(cè)不同井?dāng)?shù)抽水情況觀測(cè)井的水位降深。單井抽水時(shí)間不宜少于24 h；群井各階段抽水時(shí)間不宜少于24 h，總抽水時(shí)間不宜少于7 d。

2.2.2 回灌試驗(yàn)設(shè)計(jì)

回灌[1-2]又分為自然回灌和加壓回灌。一般采用單井回灌來了解主要的回灌參數(shù)，包括不同回灌壓力下的回灌流量、回灌影響范圍，以及定期回?fù)P后流量的變化。

回灌試驗(yàn)設(shè)計(jì)可遵循如下原則：

1）回灌試驗(yàn)井宜呈直線布設(shè)，井?dāng)?shù)量不少于3口，井間距應(yīng)小于同含水層抽水井間距。

2）在止水帷幕深度范圍內(nèi)，回灌井深度宜深不宜淺，濾管位置應(yīng)盡量布設(shè)在含水層上部。

3）回灌井單個(gè)回灌流程持續(xù)時(shí)間不少于7 d。

實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，往往將抽水試驗(yàn)與回灌試驗(yàn)相結(jié)合用于研究在抽水及回灌共同作用下的地下水滲流規(guī)律。試驗(yàn)時(shí)先抽水后回灌，回灌井宜布設(shè)在抽水井的干擾范圍之外。

2.2.3 孔隙水壓測(cè)試設(shè)計(jì)

孔隙水壓孔應(yīng)布設(shè)在水文地質(zhì)測(cè)試井群外圍，為了保證孔隙水壓孔測(cè)試的可靠性，在等距位置上宜布設(shè)2個(gè)以上對(duì)比孔，因此孔隙水壓力測(cè)試布設(shè)應(yīng)不少于2條直線，監(jiān)測(cè)半徑不宜小于30 m；對(duì)于特殊位置可增加孔隙水壓力測(cè)試孔。

同時(shí)，為了保障隔水效果，每個(gè)孔隙水壓測(cè)試孔內(nèi)孔隙水壓力傳感器的數(shù)量不宜多于5個(gè)。厚度小于30 m的土層埋設(shè)數(shù)量以1個(gè)為宜，埋深位置以層中為宜；對(duì)于厚度大于30 m的土層，可分別在土層厚度1/3、2/3的位置埋設(shè)傳感器。不同土層的孔隙水壓力計(jì)間應(yīng)采用黏土球進(jìn)行止水。

2.3 周邊環(huán)境沉降監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.3.1 周邊地表沉降監(jiān)測(cè)

以水文地質(zhì)測(cè)試井群中心為中心，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)應(yīng)不少于2條直線，監(jiān)測(cè)范圍宜不小于70 m，測(cè)點(diǎn)間距一般為10 m。沉降反應(yīng)特別敏感的試驗(yàn)區(qū)也可呈網(wǎng)格狀布設(shè)。

地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)時(shí)還應(yīng)與孔隙水壓孔、分層沉降監(jiān)測(cè)孔相對(duì)應(yīng)，一般在布設(shè)孔隙水壓監(jiān)測(cè)孔、分層沉降監(jiān)測(cè)孔的周邊應(yīng)布設(shè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便能和分層沉降數(shù)據(jù)參照分析。

2.3.2 地下管線沉降監(jiān)測(cè)

在重要的地下管線部位布設(shè)地下管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以水文地質(zhì)測(cè)試井群中心引垂線與管線相交點(diǎn)為中心點(diǎn)，監(jiān)測(cè)半徑不小于70 m；測(cè)點(diǎn)間距一般為15～20 m。

2.3.3 建筑物沉降監(jiān)測(cè)

建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)則一般布設(shè)在建筑物四角。長(zhǎng)度較長(zhǎng)的建筑物則在長(zhǎng)邊方向約每20 m增加一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.3.4 土體分層沉降監(jiān)測(cè)

分層沉降孔的布設(shè)與孔隙水壓孔平面位置對(duì)應(yīng)布設(shè)，在測(cè)試土層上也要相互對(duì)應(yīng)。分層沉降孔內(nèi)的磁環(huán)或多點(diǎn)位移計(jì)一般布設(shè)在各層層底，最底部的磁環(huán)和多點(diǎn)位移計(jì)應(yīng)布設(shè)在地下水滲流影響深度范圍以下。

3 基坑工程水文地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)分析

3.1 工程地質(zhì)補(bǔ)勘成果分析

工程地質(zhì)補(bǔ)勘獲得的數(shù)據(jù)主要用于確定土層性質(zhì)和界定土層界面，以靜力觸探為例：

1）確定土層性質(zhì)：將測(cè)得的靜力觸探探頭阻力與深度曲線分段后進(jìn)行分析，黏土層一般為阻力較小、摩阻比較大的曲線段所代表的土層；砂土層則為阻力大、摩阻比較小、曲線多呈急劇變化的鋸齒狀。

2）界定土層界面：靜力觸探頭勻速貫入過程中，錐尖阻力在到達(dá)臨界深度前不斷增大，到達(dá)臨界深度后錐尖阻力基本變?yōu)楹阒?；繼續(xù)貫入到下一層時(shí)，錐尖阻力會(huì)產(chǎn)生變化。因此可以根據(jù)這種變化的規(guī)律來界定土層界面。

如果采用的是雙橋孔壓靜力觸探，則還能夠根據(jù)貫入引起的超孔隙水壓力的消散過程及完全消散時(shí)的靜止孔隙水壓力，可以更好地幫助判斷地層分布。

3.2 水文地質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 求解含水層水文地質(zhì)參數(shù)

利用單井抽水試驗(yàn)[3]的觀測(cè)井水位數(shù)據(jù)，可以根據(jù)相關(guān)公式求解水文地質(zhì)參數(shù)：滲透系數(shù)、釋水系數(shù)及單井影響半徑等。

3.2.2 判別含水層水力聯(lián)系

根據(jù)抽水時(shí)其他含水層觀測(cè)井的水位降深或孔隙水壓孔的變化可以判別含水層之間的水力聯(lián)系。

根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，判別含水層之間存在水力聯(lián)系一般可參照如下條件：

1）觀測(cè)井有明顯的水位變化或孔隙水壓孔有明顯的孔隙水壓力變化。

2）含水層之間的水位變化或孔隙水壓變化存在相關(guān)性，即觀測(cè)井含水層水位變化的規(guī)律與抽水含水層的水位變化規(guī)律較為一致。

3.2.3 判別抽水效果

1）單井結(jié)構(gòu)。通過對(duì)比出水量以及觀測(cè)井的水位降深效果來判別不同井結(jié)構(gòu)的降水效果優(yōu)劣，從而便于選擇不同的降水井結(jié)構(gòu)。

2）井?dāng)?shù)區(qū)別。通過開啟不同試驗(yàn)井時(shí)的觀測(cè)井水位降深了解降水效果，從而指導(dǎo)按需降水的工況設(shè)計(jì)。

3.2.4 回灌的數(shù)據(jù)分析

1）回灌流量。根據(jù)水文地質(zhì)測(cè)試獲得的流量數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)回灌設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。在不同的回灌狀態(tài)下回灌井的回灌流量均有不同。一般來說，純回灌的回灌流量小于抽灌一體時(shí)的回灌流量，比值為1/3～1/2；抽灌一體時(shí)回灌井越靠近抽水井，回灌量也越大；加壓回灌流量大于純回灌流量。

2）回灌半徑。回灌半徑即回灌井最大的水位抬升影響范圍?；毓喟霃脚c回灌壓力和回灌流量有關(guān)。根據(jù)回灌試驗(yàn)確定的回灌半徑，有助于有效設(shè)計(jì)回灌井的間距以及回灌井與受保護(hù)的建筑物之間的距離?；毓喟霃揭话阋约兓毓鄷r(shí)的回灌半徑為參考。

3.3 周邊環(huán)境沉降數(shù)據(jù)分析

3.3.1 地面沉降監(jiān)測(cè)

通過基坑工程水文地質(zhì)勘察獲取的地面沉降數(shù)據(jù)能夠分析降水引起的地面沉降規(guī)律，例如地面沉降速率、降水引起的地面沉降范圍；結(jié)合回灌試驗(yàn)同時(shí)可分析回灌控制地面沉降的效果。

3.3.2 地下管線和建筑物沉降監(jiān)測(cè)

地下管線和建筑物的沉降數(shù)據(jù)能夠反映出降水時(shí)地下管線或建筑物承受變形的能力，以便根據(jù)數(shù)據(jù)及時(shí)采取合理的預(yù)控措施。

由于管線和建筑物的沉降是由于管線底部的地基土先沉降后再引起管線或建筑物基礎(chǔ)的沉降。對(duì)于承受變形能力強(qiáng)的管線和建筑物在地基土沉降后未必立即發(fā)生沉降。除了關(guān)心沉降的累計(jì)值還應(yīng)當(dāng)特別注意沉降的差異率，防止差異沉降引起管線或建筑物的開裂。

3.3.3 土體分層沉降

土體分層沉降能夠分層測(cè)量各層土體的變形，能夠分析降水引起的深層構(gòu)筑物的變形。每層土體的沉降等于上一土層的沉降值減去下一土層的沉降值。最頂部土層的沉降值應(yīng)與鄰近的地表沉降值相一致。土體分層沉降與孔隙水壓力的變化值相匹配分析，可以估算土體的固結(jié)系數(shù)。

4 基坑工程水文地質(zhì)勘察綜合評(píng)價(jià)應(yīng)用

基坑工程水文地質(zhì)勘察目的不僅是獲取一些測(cè)試數(shù)據(jù)，更重要的是根據(jù)測(cè)試成果之間的相關(guān)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

利用基坑工程水文地質(zhì)勘察成果，可以綜合評(píng)價(jià)的內(nèi)容有以下幾點(diǎn)。

4.1 評(píng)估地鐵基坑工程降水的風(fēng)險(xiǎn)

1）潛在（微）承壓性土層突涌風(fēng)險(xiǎn)：對(duì)于一些未在工程地質(zhì)勘察中查明性質(zhì)的土層，通過巖土工程補(bǔ)充勘察進(jìn)一步確定土性后，結(jié)合水文測(cè)試中的土層地下水位、出水量以及與相鄰?fù)翆酉嗷サ乃β?lián)系進(jìn)一步判別土層的水文特性。一般經(jīng)鑒別為粉土及粉土以上顆粒、地下水位明顯高于該土層分界頂面且出水穩(wěn)定的土層，可視作具有（微）承壓性。經(jīng)工程水文地質(zhì)勘察后判別具有（微）承壓性土層，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算，不能滿足要求的應(yīng)當(dāng)采取降水或其他有效的泄壓措施。

2）安全水位降幅：根據(jù)補(bǔ)充勘察探明的含水層層頂以及實(shí)測(cè)的含水層水位，重新計(jì)算基坑開挖時(shí)的安全水位降幅。

3）基坑降水的可行性[4-5]：評(píng)判基坑降水的可行性又包括兩方面，一方面是根據(jù)單井和群井抽水時(shí)觀測(cè)井的水位降深，結(jié)合重新計(jì)算后的安全水位降幅，判斷后續(xù)基坑開挖時(shí)降水能否滿足安全水位降幅的要求；另一方面根據(jù)降水井的流量以及抽水設(shè)備的配置評(píng)估工程現(xiàn)場(chǎng)的排水能力、供電能力能否滿足工程的需求；例如在上海青草沙長(zhǎng)江原水過江管工程長(zhǎng)興島工作井，通過水文測(cè)試了解到基坑安全水位降幅為24.2 m，而單井抽水時(shí)流量達(dá)到90 m3/h，觀測(cè)井水位降幅僅1.4 m。如要滿足基坑安全水位降幅則理論需要18口井，基坑總涌水量達(dá)1 620 m3/h，設(shè)備總用電功率達(dá)666 kW，場(chǎng)地排水和用電都難以滿足降水需求，需要通過其他的措施減少排水量和降低用電總功率。

4）降水引起周邊環(huán)境變形的風(fēng)險(xiǎn)：根據(jù)工程水文地質(zhì)勘察中的環(huán)境變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以推測(cè)后期基坑降水過程引起的周邊環(huán)境變形值。如推測(cè)變形值大于環(huán)境變形控制值，則應(yīng)當(dāng)采取有效的措施以減少降水對(duì)環(huán)境的影響。

4.2 指導(dǎo)地鐵基坑降水設(shè)計(jì)

通過工程地質(zhì)補(bǔ)充勘察獲取的含水層構(gòu)造以及水文地質(zhì)測(cè)試獲取的水文地質(zhì)參數(shù)，建立地鐵基坑水文地質(zhì)滲流模型，可以模擬地鐵基坑降水效果以指導(dǎo)地鐵基坑降水設(shè)計(jì)，包括地鐵基坑豎向隔水帷幕深度的建議。

4.3 指導(dǎo)基坑降水沉降控制

基坑降水引起的土體沉降計(jì)算方法有多種，最為簡(jiǎn)單的即通過數(shù)值模型求解出含水系統(tǒng)各土層的水位降深，然后根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，采用分層綜合法計(jì)算沉降。利用這個(gè)原理，可以在基坑工程水文地質(zhì)勘察中通過分層孔隙水壓測(cè)量和分層沉降數(shù)值反演各土層沉降計(jì)算參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，然后再利用反演后的土層沉降計(jì)算參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)結(jié)合基坑降水的數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)一步細(xì)致地估算各分層土體的沉降。

按照估算結(jié)果，在基坑正式實(shí)施前，可以進(jìn)一步采取有效的坑外水位控制措施。例如結(jié)合回灌試驗(yàn)的結(jié)果，在受保護(hù)的建（構(gòu)）筑物附近，根據(jù)建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)的持力層，針對(duì)性地采取回灌措施控制基坑降水過程中的分層土體水位降幅。

5 結(jié)語

1）基坑工程水文地質(zhì)勘察應(yīng)用的技術(shù)手段豐富，良好地彌補(bǔ)了常規(guī)工程地質(zhì)勘察中對(duì)水文地質(zhì)描述和研究的不足，有助于清晰地判別基坑工程建設(shè)中的地下水風(fēng)險(xiǎn)。

2）通過對(duì)基坑工程水文地質(zhì)勘察進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能夠有效指導(dǎo)地鐵基坑工程建設(shè)過程中的地下水風(fēng)險(xiǎn)控制以及周邊環(huán)境變形控制，指導(dǎo)基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)，避免施工過程中的補(bǔ)救措施，有助于節(jié)約工程費(fèi)用。