臨江超深基坑對堤防的影響分析及防護(hù)對策研究

王中偉,王鈺捷

(1.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430010 )

隨著城市建設(shè)迅猛發(fā)展，臨江臨河建(構(gòu))筑物越來越多，受江河岸邊場地所限，需要建成很多臨江超深地下工程，這就出現(xiàn)了很多臨江超深基坑工程。如武漢長航中心大廈基坑面積31 000 m2，開挖深度29.0 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻+水平撐，坑內(nèi)降水井深45.0 m，距離漢口長江干堤約50.0 m；上海市國際金融中心基坑面積48 860 m2，開挖深度26.5～33.1 m；武漢綠地中心(636 m)基坑面積約36 000 m2，開挖深度27.0～34.0 m，距離武昌長江干堤約100.0 m；江蘇潤揚(yáng)長江大橋北錨碇基坑平面70.0 m×53.0 m，最大開挖深度50.0 m，兩道封水墻，距長江堤約87.0 m；南京長江四橋南錨碇基坑平面呈“∞”型雙圓，直徑53.0 m，開挖深度41.8 m，距長江堤約90.0 m；武漢陽邏長江大橋南錨碇圓形基坑，直徑70.0 m，開挖深度45.5 m，兩道封水墻，距長江武惠堤約110.0 m。與一般地下超深基坑工程不同，臨江超深基坑與江河水力聯(lián)系密切，施工過程中容易受到江河洪水影響及防汛干擾，為了保證超深超大地下工程能在干燥環(huán)境下施工，超深基坑開挖時(shí)，時(shí)常需要降水等措施，而基坑降水又會(huì)引起堤基沉降，影響江河防洪安全，若降水控制不當(dāng)，可能會(huì)破壞防洪工程功能，嚴(yán)重時(shí)造成防洪事故[1-4]。如何通過分析計(jì)算預(yù)測基坑降水引起的堤防沉降及其對防洪安全的影響，是很多臨江超深地下工程建設(shè)中常遇到的技術(shù)難題，也是水利防汛主管部門十分關(guān)心的問題，本文結(jié)合多個(gè)臨長江超深基坑工程降水實(shí)踐，分析基坑降水影響堤基沉降因素，探討降水引起堤基沉降量的預(yù)測方法，提出減少堤基沉降的工程措施以及工程措施在臨江超深基坑工程降水實(shí)踐中應(yīng)用效果[5]。

1 臨江超深基坑降水與防洪關(guān)系

基坑是為滿足建(構(gòu))筑物施工而形成的地下作業(yè)空間，在河道管理范圍內(nèi)基坑認(rèn)為是臨江基坑，一般坑深5.0～20.0 m為深基坑，超過20.0 m 為超深基坑。為了給地下工程創(chuàng)造安全、舒適、干燥的施工環(huán)境或施工條件，在臨江超深基坑正常使用期內(nèi)，需要降低作業(yè)區(qū)的地下水位。防洪是根據(jù)洪水規(guī)律與洪災(zāi)特點(diǎn)，研究并采取防洪對策和措施(包括工程措施和非工程措施)，減輕洪水災(zāi)害，保障社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。工程措施主要是為控制、防御洪水以減免洪災(zāi)損失所修建的工程，如堤防、護(hù)岸等工程。

臨江超深基坑與江河水力聯(lián)系密切，受江河洪水漲落影響，而基坑降水又直接影響堤防工程安全，兩者相互影響?；咏邓鸬牡袒两凳怯绊懙谭腊踩闹匾笜?biāo)，總沉降量太大會(huì)影響到堤頂安全超高，不均勻沉降可能會(huì)引起堤防結(jié)構(gòu)開裂，隱蔽且不易發(fā)現(xiàn)，在江河高洪水位容易形成堤防管涌通道。

2 影響堤防沉降量預(yù)測因素分析

臨江超深基坑降水引起堤基沉降量的影響因素很多，包括降水影響范圍內(nèi)堤基地質(zhì)條件、降水深度、降水點(diǎn)與堤間距離、降水歷時(shí)等因素。

2.1 地質(zhì)條件

降水引起堤基沉降與堤基土層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。長江中下游地區(qū)地層大多呈二元結(jié)構(gòu)，上部以黏性土為主，下部以砂性土居多，砂性土中一般有承壓水或微承壓水。對砂性土，降水前顆?？紫堕g充滿自由水，形成孔隙水壓力，應(yīng)力主要由孔隙水傳遞，降水后砂土中孔隙水排出，砂顆粒骨架承擔(dān)更多有效應(yīng)力，顆粒間壓得更緊密而引起地基沉降變形。砂土滲透系數(shù)大，降水快，漏斗影響范圍大，黏性土滲透系數(shù)小，孔隙水壓力消散過程相對比較緩慢，與降水井水位變化存在明顯滯后，降水漏斗影響范圍也小，堤基下層砂土水位降低后，黏土層中孔隙水在重力作用下向砂土滲流，加快黏性土層的孔隙水消散，也加快堤基黏性土固結(jié)沉降[6]。

2.2 降水深度

基坑降水引起堤基沉降與降水深度有直接關(guān)系，降水越深，堤基沉降范圍和沉降量越大。一般堤基隨江河枯洪水位變化引起的沉降已趨于穩(wěn)定，所以臨江淺基坑降水或淺表排水引起堤基沉降量較小，而當(dāng)超深基坑需要深層降水且降水浸潤線低于江河枯水位以下時(shí)，引起的堤基沉降量較大，對防洪工程影響也大，應(yīng)盡量避免深層降水或采取工程措施減少深層降水影響。

2.3 降水影響范圍

實(shí)測經(jīng)驗(yàn)資料也表明，基坑降水影響范圍一般黏性土層約為(2～4)H(H為降水深度)，砂性土層約為(8～12)H。因此臨江超深基坑施工過程中應(yīng)控制降水深度，減小降水影響范圍，或者降水點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離堤防，從而減少降水對堤防堤基影響[7-9]。

2.4 堤基水位下降深度

堤基附近地下水位下降是引起堤基沉降的關(guān)鍵因素，對于長江中下游地區(qū)呈二元結(jié)構(gòu)地層，其降水過程形成的漏斗浸潤線(至堤基方向)非單一曲線。其形成過程為先抽降砂層承壓水向無壓井流動(dòng)，砂層無壓地下水范圍擴(kuò)大，然后黏土層中孔隙水在重力作用下向砂層及降水井中緩慢消散，達(dá)到穩(wěn)定漏斗浸潤線時(shí)地下水位下降值ΔH可按無壓段ΔH1和有壓段ΔH2分別計(jì)算，如式(1)～式(2)[10]。

無壓段堤基地下水位下降值：

(1)

有壓段堤基地下水位下降值：

(2)

式中：k為含水土層滲透系數(shù);M為承壓含水層厚度；Q為流量；其他符號見圖1。

圖1 基坑降水與防洪工程關(guān)系

3 基坑降水引起堤防沉降預(yù)測

降水引起周邊地面沉降原因之一是地下水位變動(dòng)區(qū)土體容重發(fā)生變化(浮容重變成飽和容重或濕容重)，導(dǎo)致堤基土壓縮而引起堤基沉降，二是降水過程中水體含泥砂量過大，導(dǎo)致土層細(xì)顆粒流失而引起地基塌陷沉降。臨江超深基坑降水要嚴(yán)格控制含沙量，防止堤基細(xì)顆粒流失，下面主要探討地下水位變動(dòng)而引起堤基沉降預(yù)測方法[11]。

3.1 邊界條件

預(yù)測主要邊界條件：(1)堤身荷載引起的堤基沉降已固結(jié)完成。(2)不考慮降水過程中堤基土流失而產(chǎn)生的堤基沉降。(3)堤基變形僅豎向壓密變形，壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)等為常數(shù)。(4)每個(gè)降水井影響范圍為圓柱體。

3.2 堤基最終沉降量預(yù)測方法

地基最終沉降量理論計(jì)算公式較多，臨江基坑降水引起的堤基沉降量可以采用分層總和法計(jì)算，即堤基某點(diǎn)總沉降量等于該點(diǎn)處各土層沉降的總和如式(3)。

(3)

式中:S∞為最終沉降量;ai為土層壓縮系數(shù);e0i為土層原始孔隙比；hi為計(jì)算土層厚度;Δpi為降水產(chǎn)生的附加應(yīng)力, Δpi=ΔHiγw,γw為水容重。

3.3 降水期堤基沉降量預(yù)測方法

基坑降水是臨時(shí)施工措施，其降水時(shí)間的長短，直接影響堤基沉降量，降水時(shí)段越長，沉降量愈大。類似砂井抽水地基固結(jié)過程，基坑降水引起的地基沉降也是土體中孔隙水排出(消散)固結(jié)過程，與排水時(shí)間、滲透系數(shù)等有關(guān)，當(dāng)水平滲透系數(shù)和豎向滲透系數(shù)不等時(shí)，固結(jié)微分方程如式(4)：

(4)

式中：U為固結(jié)度；t為固結(jié)時(shí)間；z為沉降計(jì)算深度；Cv為豎向固結(jié)系數(shù)；Ch為徑向固結(jié)系數(shù)。

為了求解方便，A.B.Newman和N.Garrillo將上式分為豎向固結(jié)和徑向固結(jié)兩個(gè)微分方程，采用分離變量法求解，分別計(jì)算豎向和徑向排水平均固結(jié)度。

降水期總固結(jié)度如式(5)

Ut=1-(1-Ur)(1-Uz)

(5)

式中：Uz為豎向排水平均固結(jié)度；Ur為徑向排水平均固結(jié)度。

關(guān)于各種排水條件下土層平均總固結(jié)度的理論解也可參考曾國熙指數(shù)曲線配合法，即式(6):

Ut=1-αe-β t

(6)

式中：參數(shù)α、β可參見相關(guān)文獻(xiàn)資料[1]。從式中可以看出，降水歷時(shí)與堤基土層固結(jié)程度有關(guān)，直接影響堤基沉降量。

臨江超深基坑降水過程中沉降量比堤基最終沉降量小，當(dāng)基坑停止降水后，其地下水位逐漸恢復(fù)，相應(yīng)堤基沉降會(huì)停止(實(shí)測資料表明，地下水位恢復(fù)后堤基還會(huì)有少量回彈)，因此臨江超深基坑降水需要合理安排工期，盡量減少降水時(shí)間。降水期堤基沉降量為式(7)：

St=Ut×S∞

(7)

式中:St為基坑降水期引起的堤基沉降量，Ut降水期間土層平均固結(jié)度，S∞為基坑降水引起的堤基最終沉降量。實(shí)際工程中基坑降水深度是隨基坑開挖需要逐漸加深的過程，按上述公式計(jì)算的堤基沉降量略偏大，

3.4 降水期堤基不均勻沉降預(yù)測

堤防工程為長線狀，臨江超深基坑降水呈點(diǎn)狀(基坑降水與堤基沉降平面關(guān)系見圖2)。一般超深基坑降水點(diǎn)離堤越近，引起堤基沉降量越大，最大沉降量在堤防垂直點(diǎn)處，然后沿堤軸逐漸減少，這樣會(huì)引起堤基不均勻沉降。

圖2 基坑降水與堤基沉降平面關(guān)系

堤軸線上任意點(diǎn)沉降量變化差為ΔSt=St1-St2。若計(jì)算土層性質(zhì)和厚度相同時(shí)，任意兩點(diǎn)堤基沉降量St1、St2可近似認(rèn)為僅與兩點(diǎn)離基坑距離R1、R2有關(guān)。

3.5 工程實(shí)例分析

長江中下游地區(qū)某長江大橋錨碇超深基坑，矩形69.0 m×58.0 m，基底標(biāo)高-48.5 m，場區(qū)地層呈典型二元結(jié)構(gòu)，黏土層厚度約12.0 m，以亞黏土、淤泥質(zhì)亞黏土為主，下部為深厚砂性土層，厚度超過40.0 m，以粉細(xì)砂、中粗砂為主，滲透系數(shù)2.31×10-2cm/s，施工期基坑需要降水，降水管井深33.0 m，濾管直徑0.325 m，設(shè)計(jì)單井出水量80 m3/h，共布置28口降水井，降水井距長江堤防最近點(diǎn)79.0 m，基坑降水歷時(shí)70 d，降水最深時(shí)段31 d，降水引起基坑周邊地面沉降，沉降量預(yù)測和實(shí)測值如表1[12-14]。

表1 基坑降水引起周邊沉降量預(yù)測值與實(shí)測值

從工程預(yù)測和實(shí)測沉降量分析，基坑深層降水對周邊環(huán)境有影響，引起堤防最大沉降(S∞)預(yù)測值達(dá)55.0 mm，降水期對堤防影響范圍約170.0 m；從數(shù)值看，堤防沉降量與降水歷時(shí)有關(guān)，降水時(shí)間短，引起堤防沉降量小。降水后期，為了減少降水對長江堤防影響，在距長江堤防內(nèi)腳約30.0 m處設(shè)置懸掛式擋水帷幕和回灌井，對減少堤防沉降量有效果。

4 減少基坑降水引起堤基沉降的工程措施

減少基坑降水引起堤基沉降的關(guān)鍵是減少堤基地下水位下降幅度，結(jié)合近年來臨江超深基坑降水實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及效果，可以采用以下幾種工程措施[15]。

4.1 防滲隔滲墻

在降水基坑與防洪堤間設(shè)置隔滲墻，截?cái)嗷虿糠纸財(cái)嘟邓c堤防側(cè)地下水聯(lián)系。工程實(shí)踐中，江蘇潤揚(yáng)長江大橋北錨碇采用雙排高壓旋噴樁全封閉隔滲墻，隔滲墻深接近60.0 m，基坑開挖深度約50.0 m，基坑與隔滲墻間距15.0 m，兩墻間降水深度20.0 m，減少墻外地面沉降效果較明顯；武漢陽邏長江公路大橋南錨碇采用圓形自凝灰漿全封閉隔滲墻，墻厚0.8 m，墻距基坑約10.0 m，隔滲墻進(jìn)入基巖下1.0 m，監(jiān)測表明，引起附近長江武惠堤沉降量在6.0 mm內(nèi)；武漢長江航運(yùn)中心大廈地下基坑，坑外設(shè)置TRD隔滲墻后，降水引起附近堤防沉降可控，總之設(shè)置隔滲墻對減少基坑降水引起堤防沉降是有較好效果的。

4.2 適當(dāng)回灌，減少堤基地下水變動(dòng)幅度

在降水井與堤防之間合適位置，通過設(shè)置回灌系統(tǒng)，使堤基地下水位不因基坑降水而改變很大，通過該種方式可有效控制堤基總沉降量，相對措施費(fèi)用也較全封閉隔滲墻低。在南京長江四橋北錨碇基坑降水過程中，啟動(dòng)回灌井方案后對減少基坑降水引起的堤防沉降量有一定效果。

4.3 封隔與回灌結(jié)合措施

若隔滲墻不能形成全封閉隔滲帷幕，可以采用封隔結(jié)合回灌方式。在降水井與堤防間合適位置設(shè)置平行堤線的隔滲墻，隔滲墻與堤腳間設(shè)置回灌井，減少堤基地下水位變化。采取封隔與回灌結(jié)合方式對減少基坑降水引起的堤基沉降較單一回灌方式效果好。

4.4 合理安排施工工序和進(jìn)度，降低堤基變形量

降水深度和降水持續(xù)時(shí)間是降水引起堤基沉降變形大小的主要因素，如果能合理安排施工工序和施工進(jìn)度，降低降水井啟用時(shí)間，可以有效減少堤基的沉降量。比如施工過程中，根據(jù)基坑開挖需要合理控制降水井水位，不宜過早將地下水位降至基坑底板以下(一般降水深度動(dòng)態(tài)控制在基坑開挖面以下0.5～1.0 m比較合適)，使基坑降水引起堤基地下水位變化時(shí)間縮短，也可有效減少堤基沉降。

4.5 嚴(yán)控降水井抽水含沙量

合理配置降水井濾料，嚴(yán)格執(zhí)行降水井抽水技術(shù)要求，避免抽降水中含砂量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍(一般抽降水中含泥砂量控制在1/50 000～1/100 000)。防止基坑抽降水中含泥砂量過大，產(chǎn)生堤基土層細(xì)顆粒流失而引起堤基沉降變形。

5 結(jié) 語

臨江超深基坑降水會(huì)引起堤基沉降。理論計(jì)算和工程實(shí)踐表明：引起堤基沉降量大小與堤基周邊土層性質(zhì)、降水深度、降水離堤防距離、降水歷時(shí)等關(guān)系密切。砂性土堤基滲透系數(shù)大，基坑降水形成的降水漏斗平緩，影響范圍大，引起堤基地下水位下降快，因此基坑降水方案中應(yīng)盡量不采用深層降水管井，抽降砂土深層地下水，必須采用時(shí)可以采取工程措施(如設(shè)置隔滲墻或回灌井等)，減少基坑降水引起的堤基地下水位下降幅度。黏性土堤基滲透系數(shù)小，基坑降水引起的孔隙水消散緩慢，降水歷時(shí)短也可減少堤基總沉降量，基坑施工時(shí)需要合理安排工期，盡量縮短施工降水時(shí)間，另外基坑降水需要嚴(yán)格控制抽水含沙量，防止降水過程中堤基土流失而產(chǎn)生堤基沉降。