某人防工程基坑開挖涌水量預測分析

李貴博

（湖南省有色地質勘查局二四七隊，湖南 長沙 410129）

水文地質是巖土及工程基礎環(huán)境的重要組成部分，與工程地質相互聯(lián)系、相互作用，甚至會直接影響建筑物的工程安全和穩(wěn)定[1]。據(jù)有關統(tǒng)計，在基坑的相關事故中直接由地下水處理不當引起的占21.4%[2]，而直接或間接的由地下水引起的占70%[3]。地下水因素在基坑安全中占有重要地位，因此為確保工程防水及周邊建筑、管線、道路等的安全性，必須對地下水進行正確的分析評價。易強等[4]通過水文地質調查與物探技術成功找到地下水源;李樹榮[5]通過水文物探法探測地下水水流速度、流向，明確水文地質參數(shù)，提升了工作效率;王建軍[6]根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范采用多種計算模型進行車站基坑的涌水量計算；文德寶[7]等，以抽水試驗原始數(shù)據(jù)為基礎，通過穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流的幾種常用計算方法進行綜合分析比較，確定了合理的水文地質參數(shù)，并對涌水量進行了估算；本文結合具體工程通過水文地質調查、水文地質物探、水文地質勘探、水文地質試驗等對擬建工程基坑涌水量進行預測分析，為相關工程提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

擬建人防工程為戰(zhàn)時人防，和平時期地下商業(yè)街項目，項目所在地兩側現(xiàn)為鬧市城市建筑密集區(qū)，交通便利，位置優(yōu)越。擬建工程全長約1000m，標準斷面寬度約18m，場地東北側與現(xiàn)有河流直線距離約320m。

1.2 區(qū)域地形地貌及氣象水文條件

區(qū)域地貌形態(tài)呈四周山丘崛起、中部崗平相間的立體輪廓，地貌類型呈山地連片、崗丘交錯、平地綿展的組合，四周山丘環(huán)繞，中部崗盆寬廣。地貌成因有堆積、侵蝕溶蝕和侵蝕3個類型。工程區(qū)域原始地貌單元屬河流階地，由河流侵蝕刻切作用，伴隨堆積黏土及砂礫石層形成的侵蝕堆積地形?，F(xiàn)為繁華鬧市城市建筑密集區(qū)。

該區(qū)域屬北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，光照充足，雨量豐沛。年平均降水量為1300mm，夏季降雨量占全年的51.7%，冬季占7.8%。年平均蒸發(fā)量為1441.4mm，夏季蒸發(fā)量占全年的37%，冬季占11%，年均蒸發(fā)量大于降水量。

全境共有長5km的河流49條，總長655.6km。其中A水水系42條，流域面積1503平方千米，占該縣總面積的87.6%；B水水系7條，流域面積203平方千米，占該縣總面積的11.85%；其余0.55%為蒸水水系?？h內主要河流為C，為A的一級支流，全長105km，境內流程65.2km，流域面積1347.3平方千米，平均坡降0.89‰，多年平均流量2819立方米/秒。

1.3 區(qū)域地質構造

根據(jù)區(qū)域地質資料顯示，區(qū)內地質構造史復雜，前期以褶皺、斷層為主，表現(xiàn)為南北向的褶皺和仰沖斷層群，后期有廣泛的巖漿活動，屬低洼構造區(qū)。通過區(qū)域地質調查于場地西北側一巖石出露區(qū)測得巖層產狀為10°∠15°，主節(jié)理1產狀263°∠88°，主節(jié)理2產狀55°∠78°，節(jié)理3產狀145°∠50°。整體上節(jié)理裂隙產狀走向與人防工程走向呈較大交角相交且節(jié)理裂隙傾角較大，依據(jù)區(qū)域地質資料初步分析沿人防工程走向方向節(jié)理裂隙分布及發(fā)育不均勻且在垂直向方向上巖溶向下發(fā)育角度較陡。

2 場地工程地質及水文地質條件概述

2.1 工程地質條件概述

人工填土（Q4ml）①：褐紅色、褐灰色、雜色，混合砂、卵石及粘性土。土質、密實度不均勻，濕，結構松散。滲透性根據(jù)其堆填土的性質及堆填的時間，差異很大，屬中等透水-弱透水地層，該層賦存地下水。

耕土（Qhpd）②：褐灰色、深灰色，濕-很濕，松散，屬弱透水地層，該層賦存地下水。

第四系更新統(tǒng)沖洪積粉質黏土（Qal+pl）③：褐黃色、褐灰色，濕，可塑-硬塑狀，局部含角礫、礫砂，屬微透水地層或相對隔水層。

第四系更新統(tǒng)沖洪積角礫（Qal+pl）④：褐黃、灰白色，石英質、砂巖質，密實度不均勻，分選性差，不均勻含約10-50%的礫砂及黏性土，粒徑一般約為2-30mm，大者50mm，多呈亞圓形，呈松散-稍密狀態(tài)，屬強透水地層，該層賦存地下水。

第四系更新統(tǒng)殘積黏土（Qel）⑤：褐黃色、褐紅色，很濕，軟塑狀，局部含砂，屬微透水地層或相對隔水層。

中風化灰?guī)r（D）⑥：灰白色、深灰色，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶強發(fā)育，淺表溶溝溶槽發(fā)育，溶洞以全充填或者半充填軟-可塑狀態(tài)黏性土及礫砂為主，整層屬中風化，巖體基本質量等級Ⅲ級，屬較硬巖，屬弱透水層-中等透水地層，該層賦存地下水。

2.2 水文地質條件概述

水文地質單元：依據(jù)區(qū)域水文地質資料及區(qū)域地質調查顯示該區(qū)域水文地質單元北側、東側以C河為界，南側西側以低山丘陵等分水嶺為界限。地下水整體上由西往東、由南往北匯入C河。

地表水：場地距C河西岸河堤最近約320m，常年有水，水面寬約61m，河兩岸均筑堤，河堤高程82.0m~83.2m,C河上游水渠正常蓄水水位：76.5m，研究期間測得C河水位高程為76.5m。根據(jù)該縣水資源管理局提供的最新資料顯示，1982年6月17日，C河縣城區(qū)段洪水最高水位為78.61m，為歷史峰值水位。城中河在擬建場地中間橫穿整個人防工程，城中河溝渠寬7.7m~14.3m，溝渠底標高81.75m，溝渠頂標高84.06m，該段路面標高85.25，涵內為拱橋涵洞，中間砌筑石墩，道路兩側雨污水排入城中河溝渠，由于該溝渠為城區(qū)主排水通道，基坑開挖時需特別引起注意。

地下水：場地內地下水豐富，場地地下水主要為覆蓋層的上層滯水、孔隙潛水及巖溶水。由于巖溶發(fā)育不均勻性且本次研究期間為雨季，局部地段孔隙潛水、基巖裂隙水表現(xiàn)出承壓性。其中：上層滯水年變化幅度約3m~6m，對施工影響一般?？紫稘撍ㄓ昙揪植勘憩F(xiàn)為承壓性）與C河有較密切的水力聯(lián)系，其水位變化幅度受C河水位漲落影響，年變化幅度約2m~3m。巖溶裂隙水賦存于下伏灰?guī)r中，屬區(qū)域內中等富水地層，與C河水水力聯(lián)系密切，分布及發(fā)育不均勻?？紫稘撍c基巖巖溶水局部聯(lián)通，產生“混合水”，研究期間孔隙潛水及巖溶水水位均高于C河水位，故水流主要向C河流補給。

3 水文地質工作概述

本次水文地質研究主要進行了以下工作：水文地質調查、水文地質物探、水文地質勘探、現(xiàn)場水文試驗。根據(jù)區(qū)域地質調查及水文地質物探結果，于物探顯示Ⅳ、Ⅴ兩處巖溶及地下水發(fā)育區(qū)域先行進行水文地質勘探驗證，然后進行巖溶裂隙水抽水試驗2組/6孔；于Ⅵ處孔隙潛水發(fā)育區(qū)域先行進行水文地質勘探驗證，然后進行抽水試驗1組/3孔。

4 抽水試驗成果

抽水試驗采用穩(wěn)定流法進行綜合抽水，抽水分三次降深。場地共進行三組抽水試驗：第一組巖溶水降深分別為7.5m、5.1m、3.1m，第二組巖溶水降深分別為10.16m、7.16m、5.16m，第三組孔隙潛水降深分別為11.98m、8.98m、6.98m，每次降深穩(wěn)定時間8～16h，抽水結束后應測量恢復水位，分別評價不同含水層的滲透性。

計算水文地質參數(shù)的模型如下：

（1）潛水完整井穩(wěn)定流抽水確定水文地質參數(shù)。

式中K為滲透系數(shù)（m/d）；S、S1、S2為抽水井、觀測孔的水位降深值（m）；Q為抽水井穩(wěn)定涌水量（m3/d）；H為潛水含水層厚度（m）；r1、r2為觀測孔至抽水孔的距離（m）。

（2）承壓水完整井穩(wěn)定流抽水確定水文地質參數(shù)。

式中K為滲透系數(shù)（m/d）；S、S1、S2為抽水井、觀測孔的水位降深值（m）；Q為抽水井穩(wěn)定涌水量（m3/d）；M為承壓含水層厚度（m）；r1、r2為觀測孔至抽水孔的距離（m）。

（3）潛水完整井根據(jù)水位恢復速度計算滲透系數(shù)。

式中K為滲透系數(shù)（m/d）；S1、S2為t1、t2時刻水位深度（m）；t為t1、t2時間間隔（d）；H為潛水含水層厚度（m）；rw為抽水孔半徑（m）。

（4）承壓水完整井根據(jù)水位恢復速度計算滲透系數(shù)。

式中K為滲透系數(shù)（m/d）；h1、h2為t1、t2時刻水面至承壓水底板高度（m）；S1、S2為t1、t2時刻水位深度（m）；t為t1、t2時間間隔（d）；H為潛水含水層厚度（m）；rw為抽水孔半徑（m）。

（5）含水層影響半徑計算公式在有兩個觀測孔的情況下，R可由下式計算：

式中R為影響半徑（m）；H為潛水含水層厚度，（m）；S1、S2為觀測孔的水位下降值（m）；r1、r2為觀測孔至抽水孔的距離（m）。

（6）承壓水含水層影響半徑計算公式在有兩個觀測孔的情況下，R可由下式計算：

式中S1、S2為觀測孔的水位下降值（m）；r1、r2為觀測孔至抽水孔的距離（m）。

根據(jù)以上公式計算結果如下表1：

表1 滲透系數(shù)及影響半徑計算結果表

影響抽水試驗結果的因素較多，本次研究期間場地孔隙潛水止水帷幕已施工導致孔隙潛水滲透系數(shù)相比經驗值偏?。换鶐r裂隙水的試驗結果差異較大，亦從側面反映了巖溶裂隙水發(fā)育的不均勻性；場地地層情況存在一定的不均勻性等，往往計算式選取的條件相對均勻及穩(wěn)定，抽水試驗結果可能存在一定局限性。

5 基坑涌水量預測

據(jù)以上水文參數(shù)按最不利原則，以20×18m為一個開挖段進行基坑涌水量預測。參照《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120-2012）附錄E.0.1及E.0.3進行基坑涌水量估算，基坑涌水量估算統(tǒng)計如下表2（選取部分地段）：

表2 基坑涌水量估算表（選取部分地段）

各段基坑實際涌水量應為基巖裂隙水的涌水量與孔隙潛水涌水量之和。各層代表試驗數(shù)值疊加后范圍值為25.1m3/d~177.6m3/d，但應注意角礫層水與基巖裂隙水試驗地段分別位于不同區(qū)域，由于各區(qū)域含水層的水理性質差異造成模型不一所帶來的偏差，必要時需重新評價。

6 結論

（1）各項水文參數(shù)及基坑涌水量結果與區(qū)域水文地質資料基本相符，涌水量預測對人防工程開挖防水及安全有不可或缺的參考意義，但并不排除由于地層不均勻性影響所帶來的偏差。

（2）研究成果均基于期間場地的水文地質條件和周邊環(huán)境，由于施工周期相對較長如遇雨季及洪水期河水上漲導致C河倒灌補給周邊地下水時會導致場地水文地質條件發(fā)生較大轉變應重新評價其適用性。

（3）人防工程在開挖過程中隨著地下水的抽排，土體內特別是角礫層中會產生滲透性破壞，亦會使巖溶裂隙、溶洞之間的通道連通起來，產生較好的水力聯(lián)系，進而產生突涌。對此設計和施工時應予以注意，按有關規(guī)程、規(guī)范規(guī)定嚴禁長時、大量抽排地下水，施工期要有防治地下水搶險應急預案，必要時對巖溶地下水豐沛地段進行超前探測。

（4）為確保施工安全及河水倒灌等所帶來的不利影響可依據(jù)實際情況采取以下措施：①在人防結構兩側設置排水盲溝、井等；②對巖溶裂隙進行帷幕注漿，注漿深度等須經過專門驗算以確保巖溶水繞過帷幕后位于人防底板以下安全深度；③人防底板以下進行注漿封堵加固、堵水，并加強結構措施等。另場地屬城市中心地帶，按有關規(guī)程、規(guī)范規(guī)定嚴禁長時、大量抽排地下水，施工期要有防治地下水搶險應急預案。

（5）施工過程中及建筑物運營期間應按規(guī)定對基坑周邊地下水進行長期監(jiān)測，并有應急預案。必要時應于場地外緣設置回灌或抽排水系統(tǒng)，以確保施工過程的安全。如發(fā)現(xiàn)異常，及時采取有效措施進行處理，保證施工或周邊建筑物內人員的安全。