湖東二級(jí)泵站基坑降水方案設(shè)計(jì)

白柯含

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，合肥 230088）

1 工程概況

湖東二級(jí)泵站位于安徽省樅陽(yáng)縣湯溝河入長(zhǎng)江口處，主要功能是抽排湯溝河水入長(zhǎng)江。該站建成于1986 年，現(xiàn)狀裝機(jī)3 臺(tái)共465 kW，設(shè)計(jì)抽排流量8.1 m3/s。由于現(xiàn)狀泵站規(guī)模小，洪水外排能力不足，不能滿(mǎn)足流域排泄洪水要求，擬在原址進(jìn)行拆除重建。新建后的湖東二級(jí)泵站設(shè)計(jì)抽排流量30 m3/s，安裝5 臺(tái)1400ZLB-85（+2°）型立式軸流泵，總裝機(jī)容量2500 kW。工程主要建筑物包括進(jìn)水前池、攔污檢修閘、泵房、壓力水箱及排澇出水涵，出水涵與現(xiàn)狀湖東閘穿堤涵洞相接，外河側(cè)防洪閘及出水連接段維持現(xiàn)狀[1]。

2 地質(zhì)條件

湖東二級(jí)泵站處地層在可揭露范圍內(nèi)，從上至下依次為:人工填土層，以重粉質(zhì)壤土為主，層厚1.10～10.00 m；①層重、中粉質(zhì)壤土，微透水性，層厚1.5 m；②層淤泥質(zhì)重、中粉質(zhì)壤土，弱～微透水性，局部夾砂壤土，層厚0.40～10.60 m；②1層砂壤土，中等透水性，局部分布，層厚0.60～2.20 m；③層砂壤土，中等透水性，層厚4.30～7.50 m；④層細(xì)砂，中等透水性，揭露層厚2.80～23.50 m；⑤層含砂礫卵石，強(qiáng)透水性，未揭穿，揭露最大層厚7.95 m。降水設(shè)計(jì)所需各土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層滲透特性參數(shù)表

勘察場(chǎng)地范圍內(nèi)，地下水類(lèi)型按埋藏條件可分為孔隙潛水和孔隙承壓水?？紫稘撍饕植加跍\部粉質(zhì)壤土、淤泥質(zhì)土及人工填土層中，主要受大氣降水和地表水補(bǔ)給。孔隙承壓水主要貯存于③層砂壤土、④層粉細(xì)砂及⑤層含砂礫卵石中，為區(qū)內(nèi)主要含水層，④層粉細(xì)砂在長(zhǎng)江深泓中已出露，故與長(zhǎng)江有較強(qiáng)的水力聯(lián)系。

3 基坑降水設(shè)計(jì)

3.1 基坑底板穩(wěn)定性驗(yàn)算

湖東二級(jí)泵站前池及站身底板褥墊層需開(kāi)挖至4.5 m 高程，位于②淤泥質(zhì)中、重粉質(zhì)壤土層，由于下部③層砂壤土及④層粉細(xì)砂存在孔隙承壓水，需對(duì)基坑進(jìn)行抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算。④層細(xì)砂層在長(zhǎng)江深泓中已出露，與長(zhǎng)江有較強(qiáng)的水力聯(lián)系，承壓水位根據(jù)施工期長(zhǎng)江水位確定。抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算公式[2]如下:

式中:Fs為突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，對(duì)于大面積開(kāi)挖應(yīng)大于1.2；H 為坑底至承壓水層頂板的土層厚度，約5.5 m；γs為H 范圍內(nèi)土層的平均重度，取18.7 kN/m3；Hω為承壓水頭高度，約12 m；γω為水的重度，取10 kN/m3。

經(jīng)計(jì)算Fs=0.857，基坑存在突涌破壞風(fēng)險(xiǎn)，為保證土方開(kāi)挖及底板澆筑等下部結(jié)構(gòu)施工時(shí)基坑的滲透穩(wěn)定，湖東二級(jí)泵站施工期須采取措施降低承壓水頭。

3.2 深井降水方案

根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、基坑周邊環(huán)境要求，并結(jié)合主體工程地基處理措施，擬采用深井降低基坑承壓水頭[3]?？觾?nèi)設(shè)計(jì)水位按建基面以下0.5 m 考慮約為4.0 m，各井距離基坑中心位置約30 m，坑內(nèi)水位降落坡降按1/8 考慮，各井內(nèi)水位約為0.5 m，施工期承壓水位按長(zhǎng)江側(cè)設(shè)計(jì)水位取11.0 m，各井設(shè)計(jì)降深為10.5 m。根據(jù)抗突涌驗(yàn)算結(jié)果，基坑土方開(kāi)挖至8.0 m高程即開(kāi)始進(jìn)行降水井施工。

深井具體布置如下:沿湖東二級(jí)泵站基坑兩側(cè)各布置6口深井，共12口深井（編號(hào)為J1～J12）。深井布置間距約15 m，開(kāi)孔直徑0.9 m，井管內(nèi)徑0.4 m。井口高程8.0 m，井底高程-6.0 m，井深14 m。每孔深井各配置100QJ5-36/9 深井潛水泵一臺(tái)，流量5 m3/h，揚(yáng)程36 m，配置電機(jī)功率1.1 kW。降水前應(yīng)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)壓管觀(guān)測(cè)結(jié)果控制管井泵運(yùn)行。各井平面位置圖見(jiàn)圖1。

圖1 湖東二級(jí)泵站降水計(jì)算平面圖

3.3 降水計(jì)算

降水計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)各井位置估算滿(mǎn)足坑內(nèi)水位要求的各井降深，再按干擾井群計(jì)算得到各井出水流量，并在基坑內(nèi)不同位置選擇檢驗(yàn)點(diǎn)反算降深是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖中J1～J12標(biāo)注為降水井位置，各井出水流量按承壓非完整井干擾井群公式[4]（2）計(jì)算。

式中:Sm為第m口井的井水位設(shè)計(jì)降深，m；qj為第j口井的單井流量，m3/d；M為承壓水含水層厚度，m，取為30 m；k為含水層滲透系數(shù)，m/d，取各含水土層的加權(quán)平均滲透系數(shù)，約為0.9 m/d；R為影響半徑，m，可按R=10Smk 取值；rjm為第j口井中心至第m口井中心的距離，m，可通過(guò)各井位置平面坐標(biāo)計(jì)算得到，當(dāng)j=m 時(shí)，應(yīng)取降水井半徑rw，當(dāng)rjm＞R 時(shí)，應(yīng)取降水井半徑rjm=R；l為濾水管長(zhǎng)度，取6 m；n為降水井?dāng)?shù)量，取12。

可利用Excel 軟件自帶的矩陣求解功能對(duì)方程組進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 湖東二級(jí)泵站降水計(jì)算成果

出水量的計(jì)算結(jié)果顯示，各井所配潛水泵功率完全能夠滿(mǎn)足降水需求。

對(duì)坑內(nèi)任意位置的水位降深計(jì)算可采用公式（3）。

式中:rij為第j 口井中心至計(jì)算點(diǎn)的距離，m；當(dāng)rij＞R時(shí)，取rij=R。

對(duì)坑內(nèi)各位置選擇檢驗(yàn)點(diǎn)計(jì)算后，降深結(jié)果均大于7.0 m，能夠滿(mǎn)足基坑干地施工的要求。

3.4 降水引起的沉降量計(jì)算

湖東二級(jí)泵站基坑兩側(cè)民房密布，且距離較近，施工期降水將可能引起周?chē)穹康牟痪鶆虺两?。因此需?duì)降水引起的基坑外建筑物地基沉降量進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。沉降計(jì)算采用分層總和法[5]，計(jì)算公式（4）為:

式中:S為地層沉降量，cm；Δp為降水引起的土層附加應(yīng)力，MPa；H為計(jì)算土層的厚度，cm；E為計(jì)算土層的壓縮模量，MPa。

本次工程降水所涉及地層主要為②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土層和④層細(xì)砂層，其中④層細(xì)砂層完全位于降水面以下，不會(huì)產(chǎn)生明顯的固結(jié)沉降，且為低壓縮性，沉降量可省略不計(jì)。關(guān)于土層厚度的取值，通常僅計(jì)算降水面至原地下水位線(xiàn)之間的沉降量[6]，本工程降水位的變化范圍主要位于②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土層，該層為高壓縮性，因此主要針對(duì)該部分沉降量進(jìn)行計(jì)算。

粘性土中附加應(yīng)力Δp采用公式（5）計(jì)算:

式中:k 為孔隙貫通率修正系數(shù)；ΔH 為計(jì)算點(diǎn)的水位下降值，m；γw為水的重度，kN/m3。

孔隙貫通率k難以求得，可采用給水度μ代替，μ=n-α；孔隙度n 可通過(guò)孔隙比e 換算得到；持水度α根據(jù)土層性質(zhì)按經(jīng)驗(yàn)可取為0.2。

沉降計(jì)算點(diǎn)（編號(hào)為A1、A2、B1、B2）位置見(jiàn)圖1，計(jì)算點(diǎn)處的水位降深可利用前文干擾井群公式計(jì)算，計(jì)算點(diǎn)A1、A2、B1、B2 水位降深分別為5.3、4.4、5.4、4.8 m，最終沉降量分別為2.8、1.9、2.9、2.3 cm。

計(jì)算點(diǎn)A1、A2之間距離約為15 m，B1、B2之間距離約為8.5 m，對(duì)應(yīng)傾斜率分別為6×10-4、7×10-4，差異沉降引起的傾斜在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）的允許值之內(nèi)。

3.5 防止降水不利影響的措施

沉降計(jì)算結(jié)果顯示，雖然降水引起的差異沉降不足以對(duì)建筑物穩(wěn)定造成影響，但沉降量絕對(duì)值依然較為顯著，可進(jìn)一步考慮通過(guò)減少坑外降深從而對(duì)沉降量進(jìn)行控制?？紤]到本工程基坑兩側(cè)采用雙排鋼筋砼灌注樁的邊坡支護(hù)型式，在第一排樁間設(shè)置高壓旋噴灌漿，客觀(guān)上可形成懸掛式截水帷幕的作用，切斷坑內(nèi)降水井所形成降落漏斗的外延部分，減少兩側(cè)的降水影響范圍，這顯然是對(duì)減小周邊地面沉降有利的。因此，支護(hù)樁施工時(shí)應(yīng)保證樁間灌漿的施工質(zhì)量，在需要保護(hù)的民房范圍內(nèi)，可考慮采用高壓擺噴灌漿等型式在支護(hù)樁成墻兩端適當(dāng)延長(zhǎng)帷幕長(zhǎng)度。降水時(shí)要隨時(shí)注意抽出的地下水是否有渾濁現(xiàn)象，為防止抽水帶走土層中的細(xì)顆粒增加周?chē)孛娉两?，?yīng)選用合適的回填砂濾料。加強(qiáng)對(duì)周邊地面沉降的監(jiān)測(cè)，必要時(shí)，可增設(shè)回灌水系統(tǒng)，維持基坑外地下水位。

4 結(jié)語(yǔ)

上部為淤泥質(zhì)軟土下部為細(xì)砂的地層條件在沿江泵站工程中具有相當(dāng)?shù)牡湫托?。施工過(guò)程中，不可避免的需要對(duì)砂層承壓水進(jìn)行控制。以往估算基坑出水量采用的簡(jiǎn)化大井法與實(shí)際降水結(jié)果存在較大的差異，不能體現(xiàn)井點(diǎn)平面布置對(duì)降水效果的影響。本文采用的干擾井群公式更能符合實(shí)際情況，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整各井平面位置及降深從而達(dá)到合適的降水效果。同時(shí)，通過(guò)對(duì)基坑外水位降深的計(jì)算，利用相應(yīng)的沉降理論公式求得周邊建筑物的沉降量和傾斜率，可較精確地對(duì)基坑周邊建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。進(jìn)一步采取相應(yīng)的控制沉降措施，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。