地下水補(bǔ)給關(guān)系對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程的影響研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TU753 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）19-0093-04

Abstract：Thegroundwaterrechargeproblemduringfoundationpitexcavationisoneoftheimportantfactorsaffectingthe safetyandstabilityoftheproject.Changesingroundwaterwillnotonlyafectthebearingcapacityandstabilityofthesoilbut alsodirectlyaffctthedesignandconstructionqualityofthesupportingstructure.Startingfromtheinteractionbetween groundwaterrechargeandfoundationpitexcavationprocess，thispaperanalyzestheinfluenceofgroundwateronthemechanical properties，porewaterpressureandpermeabilitycharacteristicsoffoundationpitsoil.Thispaperdiscussestheposiblerisks causedbyexcessveorinsuffcientgroundwaterrecharge during foundationpitconstruction，andputsforwardcorresponding protectivemeasuresand technical means.Researchhasshownthatreasonablecontrolofgroundwaterrechargeanddrainageisthe keytoensuringthesafetyoffoundationpitexcavation，andscientificconstructionplansandemergencyplansshouldbe formulated based on factors such as engineering geological characteristics and climate change.

Keywords：groundwater；rechargerelationship；foundationpitexcavation;excavationimpact；water-soil interactionmechanism

基坑開(kāi)挖是城市建設(shè)中常見(jiàn)且重要的施工環(huán)節(jié)，尤其在高層建筑、地下結(jié)構(gòu)和大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過(guò)程中，基坑的穩(wěn)定性直接影響工程的安全性和施工進(jìn)度。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地下水的變化和流動(dòng)是不可忽視的因素，尤其是在水文條件復(fù)雜、地下水資源豐富的地區(qū)。地下水補(bǔ)給關(guān)系與基坑開(kāi)挖過(guò)程的相互作用，不僅對(duì)基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，還涉及土壤力學(xué)、環(huán)境保護(hù)、工程安全等多個(gè)方面。因此，研究地下水補(bǔ)給對(duì)基坑開(kāi)挖的影響，對(duì)于提高施工安全性、優(yōu)化施工方案及降低施工風(fēng)險(xiǎn)具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

地下水補(bǔ)給是指地下水源通過(guò)滲透、降水、河流滲透等方式補(bǔ)充地下水庫(kù)或地下水層的過(guò)程。地下水的補(bǔ)給關(guān)系受氣候條件、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、周?chē)h(huán)境等因素的影響，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地下水的流動(dòng)、補(bǔ)給量及地下水位的變化對(duì)土體的穩(wěn)定性、基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)及周?chē)h(huán)境都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。特別是在多雨季節(jié)或地下水位較高的地區(qū)，基坑開(kāi)挖可能導(dǎo)致地下水的流動(dòng)發(fā)生劇烈變化，甚至引發(fā)土體滑移、基坑坍塌、地下水污染等一系列安全問(wèn)題2]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的地下水問(wèn)題已有一定研究，主要集中在地下水位變化、滲透特性、排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與管理等方面。然而，地下水補(bǔ)給關(guān)系對(duì)基坑開(kāi)挖的影響仍然是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題，涉及到地下水流動(dòng)、土體力學(xué)、基坑施工方案等多個(gè)因素的綜合作用。因此，本研究旨在探討地下水補(bǔ)給與基坑開(kāi)挖過(guò)程之間的相互關(guān)系，分析地下水對(duì)基坑施工的潛在影響，并提出合理的地下水管理措施，以確?；娱_(kāi)挖的安全性和施工效率。

1基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下水的作用

1.1地下水對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地下水的存在和流動(dòng)對(duì)基坑的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。地下水不僅直接影響土體的強(qiáng)度、變形和承載能力，還可能導(dǎo)致基坑的變形、坍塌等安全問(wèn)題]。

地下水的存在會(huì)影響基坑土體的有效應(yīng)力，從而影響土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。根據(jù)土體有效應(yīng)力原理，土體的總應(yīng)力可分為有效應(yīng)力和孔隙水壓力2部分。地下水位的變化直接影響孔隙水壓力，而有效應(yīng)力決定了土體的強(qiáng)度和變形特性。有效應(yīng)力公式為

σ^′=σ-u，

式中： σ^′ 為有效應(yīng)力； σ 為總應(yīng)力； u 為孔隙水壓力。地下水位升高時(shí)，孔隙水壓力增加，導(dǎo)致有效應(yīng)力減小，從而使土體強(qiáng)度降低，易發(fā)生滑坡或坍塌。

地下水的滲透作用會(huì)改變土體的力學(xué)性質(zhì)，尤其是對(duì)粒狀土和砂土的影響更為顯著。地下水流動(dòng)對(duì)土體的滲透性和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行重塑，導(dǎo)致土體的密實(shí)度發(fā)生變化。當(dāng)基坑開(kāi)挖接近地下水位時(shí)，地下水的滲透作用會(huì)對(duì)土體結(jié)構(gòu)造成沖刷，降低土體的內(nèi)聚力和摩擦角，進(jìn)而影響基坑的穩(wěn)定性4]。

地下水補(bǔ)給過(guò)多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致基坑內(nèi)的水位升高，增加基坑內(nèi)外的水壓力差異，產(chǎn)生水土壓力差，這可能導(dǎo)致基坑周?chē)耐馏w產(chǎn)生滑移或坍塌現(xiàn)象。水土壓力差的公式表示為

式中： ΔP 為水土壓力差； γ_w 為水的單位重； H_w 為水頭高度。水土壓力差會(huì)導(dǎo)致基坑壁土體承受額外的壓力，進(jìn)而影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.2水土作用機(jī)制

水土作用機(jī)制是指地下水在基坑開(kāi)挖過(guò)程中與土體之間相互作用的過(guò)程，涉及到水對(duì)土體的滲透、沖刷、洗掏作用及水與土體力學(xué)性質(zhì)的耦合關(guān)系。這些作用在不同的土質(zhì)和地下水條件下會(huì)對(duì)基坑穩(wěn)定性、土體強(qiáng)度及變形產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

1.2.1 水的滲透作用

地下水在基坑開(kāi)挖過(guò)程中滲透到土體內(nèi)，能夠改變土體的孔隙水壓力，從而影響土體的有效應(yīng)力。根據(jù)Darcy定律，地下水的滲透流速與土體的滲透系數(shù)和水頭差相關(guān)

式中： q 為滲透流量； K 為土體的滲透系數(shù);A為滲流橫截面積; Δh 為水頭差； L 為水流路徑長(zhǎng)度。水流的存在可能導(dǎo)致局部土體的沉降或失穩(wěn)，特別是在基坑周?chē)耐翆又?，地下水的過(guò)度流動(dòng)容易引發(fā)土體的剪切破壞。

1.2.2水的沖刷和洗掏作用

在水土相互作用中，地下水的流動(dòng)會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生沖刷和洗掏作用，沖刷作用和洗掏作用的強(qiáng)度通過(guò)土體的流動(dòng)性指數(shù)來(lái)衡量，流動(dòng)性指數(shù)較大的土體更容易受到水流的沖刷[5]。

1.2.3水土力學(xué)耦合效應(yīng)

地下水的存在不僅影響土體的有效應(yīng)力，還會(huì)通過(guò)水土力學(xué)耦合效應(yīng)影響基坑的穩(wěn)定性。土體在水的作用下會(huì)發(fā)生孔隙變化，導(dǎo)致土體的強(qiáng)度和變形特性發(fā)生變化。當(dāng)?shù)叵滤疂B透到土體中時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則來(lái)表示

τ=c^′+σ^′tan（?^′）

式中： τ 為土體的剪切強(qiáng)度； c^′ 為有效凝聚力； σ^′ 為有效應(yīng)力； ?^′ 為有效摩擦角。當(dāng)?shù)叵滤疂B透使土體的有效應(yīng)力下降時(shí)，土體的剪切強(qiáng)度將隨之減小，導(dǎo)致基坑的穩(wěn)定性降低。

水土相互作用還可能導(dǎo)致基坑底部土層的軟化或沉降，影響基坑的深度和支護(hù)穩(wěn)定性。水流通過(guò)土體時(shí)不僅改變了土體的應(yīng)力狀態(tài)，還可能導(dǎo)致土體內(nèi)力分布不均勻，使得基坑開(kāi)挖區(qū)域內(nèi)的土體出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

1.3基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下水位變化的影響

1.3.1地下水位升高對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響

當(dāng)基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下水位升高時(shí)，孔隙水壓力隨之增加，導(dǎo)致土體的有效應(yīng)力減小。根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體的強(qiáng)度依賴(lài)于其有效應(yīng)力，而有效應(yīng)力的變化會(huì)直接影響土體的抗剪強(qiáng)度和變形能力。地下水位升高時(shí)，孔隙水壓力增大，王體的有效應(yīng)力會(huì)減小，從而降低土體的強(qiáng)度，增加基坑壁或周?chē)馏w的滑移風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于顆粒較細(xì)的土壤（如黏土），水位的升高可能導(dǎo)致土體變得更加軟弱，容易發(fā)生失穩(wěn)。

地下水位升高還可能引發(fā)基坑的土體沉降，特別是在土層中含水量較高的情況下。水位上升時(shí)，地下水通過(guò)滲透作用對(duì)土體產(chǎn)生壓力，可能導(dǎo)致基坑底部王層的壓縮和沉降，進(jìn)而影響基坑的深度和穩(wěn)定性。

1.3.2 地下水位降低對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響

地下水位的驟然下降可能導(dǎo)致周?chē)翆影l(fā)生沉降或出現(xiàn)不均勻沉降，尤其是在有黏性土或軟弱王層的地區(qū)?；拥撞炕蛑?chē)翆拥某两?，?huì)導(dǎo)致基坑深度變化、支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，甚至引發(fā)基坑塌方等安全問(wèn)題。地下水位降低帶來(lái)的沉降效應(yīng)也通過(guò)土體沉降公式來(lái)估算

式中： ΔS 為土體沉降量； H 為土層的厚度； ΔP 為地下水位變化引起的水土壓力差； E 為土體的彈性模量。水位的降低可能導(dǎo)致土層的壓縮效應(yīng)加劇，從而引發(fā)不均勻沉降。

1.3.3 基坑開(kāi)挖過(guò)程中水位波動(dòng)的綜合影響

在實(shí)際施工過(guò)程中，地下水位并非恒定不變，而是受到降水、抽水、蒸發(fā)等多種因素的影響，可能發(fā)生波動(dòng)。這些波動(dòng)會(huì)對(duì)基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生復(fù)雜影響。水位的頻繁波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土體反復(fù)經(jīng)歷“滲透一壓縮一滲透\"的過(guò)程，造成土體的循環(huán)疲勞，進(jìn)而影響基坑的穩(wěn)定性和安全性。為了應(yīng)對(duì)地下水位波動(dòng)帶來(lái)的影響，在基坑開(kāi)挖前需要進(jìn)行詳細(xì)的地下水位測(cè)量和預(yù)測(cè)，分析水位變化對(duì)基坑的潛在影響，并設(shè)計(jì)合適的排水、降水系統(tǒng)和加固措施。

2地下水補(bǔ)給關(guān)系與基坑開(kāi)挖過(guò)程的相互影響2.1地下水補(bǔ)給不足對(duì)基坑開(kāi)挖的影響

地下水補(bǔ)給不足對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)也非常顯著。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)通常需要抵抗外部水土壓力差和內(nèi)部土體的變形壓力。當(dāng)?shù)叵滤幌陆担馏w的水壓力減小，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所受到的外部水土壓力較小，但土體內(nèi)部的水分減少可能導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，特別是在土體干裂時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性容易受到影響8

支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形往往伴隨著基坑壁的局部坍塌或土體滑移。地下水補(bǔ)給不足時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須考慮到土體的水分變化和干裂現(xiàn)象，從而設(shè)計(jì)更為堅(jiān)固和靈活的支撐方案，以防止不均勻沉降導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

地下水補(bǔ)給不足對(duì)施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益的影響也不可忽視。在缺水地區(qū)或水源匱乏的情況下，基坑開(kāi)挖可能因土體的不均勻沉降和強(qiáng)度變化而受到阻礙。為了避免土體干裂或沉降過(guò)大，施工單位可能需要投入更多的時(shí)間和資金進(jìn)行土體加固、排水或灌漿處理，增加了工程的復(fù)雜性和成本。

在施工過(guò)程中，水位的補(bǔ)給不足還可能導(dǎo)致基坑周?chē)耐寥烙不虬l(fā)生其他不穩(wěn)定現(xiàn)象，施工團(tuán)隊(duì)需要對(duì)基坑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和修正，這不僅增加了工期，還可能影響整體的項(xiàng)自進(jìn)度。如果出現(xiàn)地下水補(bǔ)給不足導(dǎo)致的基坑結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，甚至可能導(dǎo)致施工中斷或重大安全事故。

2.2地下水補(bǔ)給過(guò)剩對(duì)基坑開(kāi)挖的影響

地下水補(bǔ)給過(guò)剩時(shí)，土體的孔隙水壓力增大，導(dǎo)致土體中的水分含量過(guò)多，降低了土體的摩擦系數(shù)和整體承載力。尤其在高水位的情況下，土體的有效摩擦力減小，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)面臨的外部水土壓力也會(huì)增大。過(guò)量的地下水可能導(dǎo)致土體在基坑邊坡處出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，甚至引發(fā)基坑的局部塌方或整體失穩(wěn)。

在黏性土或膨脹土中，地下水補(bǔ)給過(guò)剩會(huì)導(dǎo)致土體飽和，失去固結(jié)性，強(qiáng)度進(jìn)一步下降，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均，進(jìn)而影響整個(gè)基坑的穩(wěn)定性。為了防止這種情況，需要對(duì)基坑周?chē)馏w的承載力進(jìn)行評(píng)估，并采取加固措施，如設(shè)置排水系統(tǒng)，降低水位，避免土體的過(guò)度飽和。

2.3基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下水流動(dòng)的調(diào)節(jié)作用

2.3.1地下水流動(dòng)的調(diào)節(jié)與排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了有效調(diào)節(jié)地下水流動(dòng)，防止水位變化過(guò)大對(duì)基坑開(kāi)挖造成不利影響，合理設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)至關(guān)重要。排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要保證地下水位的有效控制，還要通過(guò)調(diào)節(jié)地下水流動(dòng)方向和速度來(lái)確?；又?chē)馏w的穩(wěn)定。

排水系統(tǒng)包括降水井、滲水管道、水泵系統(tǒng)等，具體選擇依據(jù)基坑周?chē)耐寥李?lèi)型、地下水流動(dòng)條件及工程的特殊需求。排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1中，檐溝與雨水溝這2個(gè)部分主要負(fù)責(zé)收集和引導(dǎo)地表水流向指定的排水管道。通過(guò)設(shè)立這些溝渠，可以防止雨水積聚在基坑周?chē)苊庥绊懲馏w穩(wěn)定性。雨水斗收集雨水并通過(guò)雨落管將水導(dǎo)入雨水溝或其他排水系統(tǒng)。這些部件確?；又?chē)牡乇硭焖倥懦觯苊庥晁疁粼斐赏寥澜?。排出管?fù)責(zé)將收集到的地下水和雨水排出至遠(yuǎn)離基坑的位置，從而保持基坑的干燥和穩(wěn)定。連接管則確保各個(gè)排水管道之間的順暢連接和水流引導(dǎo)。檢查井用于排水系統(tǒng)的檢查和維護(hù)，確保系統(tǒng)暢通無(wú)阻。立管通常與檢查井連接，用于排出地下水或?qū)⑺龑?dǎo)至排水管道中。埋地管作為地下水流動(dòng)的重要通道，在地下設(shè)置，避免暴露造成干擾。檢查口則便于維護(hù)和檢查整個(gè)排水系統(tǒng)的工作狀況。根據(jù)圖1的排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，地下水流動(dòng)的調(diào)節(jié)通過(guò)以下方式確?；影踩和ㄟ^(guò)設(shè)立降水井和滲水管道，可以有效降低地下水位，防止水位過(guò)高導(dǎo)致基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體的濕潤(rùn)和飽和，減少土體的不穩(wěn)定性。水泵系統(tǒng)可以持續(xù)排除進(jìn)人基坑的地下水，保持基坑干燥，避免水流在土體中滯留或加劇不均勻沉降。通過(guò)設(shè)計(jì)這些排水設(shè)施，能夠有效調(diào)節(jié)地下水流動(dòng)，保持基坑周?chē)馏w的穩(wěn)定，防正地下水過(guò)量進(jìn)入基坑并造成地基的不均勻沉降和安全隱患。

通過(guò)降低地下水位或調(diào)節(jié)水流速度，排水系統(tǒng)能夠減少基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體的飽和程度，降低土體的流動(dòng)性和不均勻沉降風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.2地下水流動(dòng)的監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)策略

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地下水流動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化需要通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)進(jìn)行有效控制。監(jiān)測(cè)流程包括地下水位監(jiān)測(cè)、滲透性測(cè)試、流量測(cè)量等。地下水流動(dòng)的監(jiān)測(cè)流程如圖2所示。

1）地下水位監(jiān)測(cè)：通過(guò)在基坑及其周?chē)O(shè)置水位計(jì)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位的變化。水位過(guò)高時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)排水系統(tǒng)，降低水位；水位過(guò)低時(shí)，可以通過(guò)補(bǔ)充水源或調(diào)節(jié)排水強(qiáng)度，保持適當(dāng)?shù)牡叵滤弧?/p>

2）流量與流速監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)地下水流量和流速變化，有助于了解水流的動(dòng)態(tài)特征，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水流過(guò)大或過(guò)小可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而采取適當(dāng)?shù)乃髡{(diào)節(jié)措施。

3）滲透性監(jiān)測(cè)：土體的滲透性受地下水流動(dòng)的影響，及時(shí)評(píng)估滲透性變化，有助于了解土體的穩(wěn)定性及其對(duì)地下水流動(dòng)的響應(yīng)。

3結(jié)束語(yǔ)

地下水補(bǔ)給對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程的影響是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)與水文相互作用的過(guò)程，涉及到地下水位變化、土體強(qiáng)度、孔隙水壓力和滲透特性等多個(gè)因素。無(wú)論是地下水補(bǔ)給不足還是補(bǔ)給過(guò)剩，都對(duì)基坑穩(wěn)定性、土體變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生顯著影響。通過(guò)對(duì)地下水變化引發(fā)的各種地質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析，本文可以更加清晰地認(rèn)識(shí)到在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，如何精準(zhǔn)地評(píng)估地下水的變化及其對(duì)土體的影響，采取合適的防護(hù)與治理措施，以確保基坑施工的安全與穩(wěn)定。因此，合理控制地下水的補(bǔ)給與排水，采取有效的水土保持措施，優(yōu)化基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是確保基坑開(kāi)挖過(guò)程中穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵。未來(lái)的研究應(yīng)進(jìn)一步探討地下水補(bǔ)給與基坑開(kāi)挖之間的相互作用機(jī)理，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與模擬分析，為基坑工程的設(shè)計(jì)與施工提供更加科學(xué)、精確的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

通過(guò)對(duì)地下水流動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)掌握水流的變化趨勢(shì)，并采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施。

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