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［摘要］土建工程中的深基坑基礎在我國具有廣泛的應用。為分析地下水對深基坑工程的危害，提出有效的預防措施，本文對土建工程中基坑降水方案設計及降水引發的地面沉降規律進行了研究。首先分析了地下水的主要危害，其次介紹了基坑基礎降水基本方法、設計理論，提出了深基坑工程中地下水處理思路。選取了適合本土建工程實例對基坑基礎降水方案進行數值模擬，現場實測表明得出了方案有效，為類似工程提供借鑒。

［關鍵詞］地基基礎;地下水;基坑;危害

隨著我國城鎮化建設的發展，為了有效利用土地資源，人們對地下空間發展的需求越來越大，如地下室、地下通道、地下地鐵站等，地下空間的發展推動了基坑工程的發展。近年來在大中城市里，尤其是一線城市中，大量的地鐵車站、高層建筑以及地下通道都涉及到了深基坑工程［1－2］。深基坑工程的廣泛應用，促使人們對于深基坑工程降水的研究，基坑的降水開挖過程，尤其是在地下水豐富的地區，地下水的處理直接影響到了基坑工程的安全。富水地區的地下水位較高，如上海、廣州等沿海地區。這些地區開挖基坑時，基坑內外產生的巨大的水頭壓力差會致使地下水發生滲流運動，甚至可能發生流沙和管涌現象，從而影響整個基坑的穩定性。而隨著地下水降水的進行，降水又不可避免的涉及到固結沉降問題［3－6］。目前城市空間十分緊張，基坑降水引起的地面沉降必然影響到周邊建筑物，如建筑物的開裂、基坑周圍市政管道的爆裂等。因此，如何避免地下水產生的不良影響，對周圍建筑產生威脅，帶來損失以及影響到工程的施工進度，使建筑工程的安全性和施工質量都能夠有所保障將是日后我們需要清楚了解和探索的方向［7－8］。

1地基基礎工程中地下水主要危害

1．1地下水埋藏分類。按埋藏條件地下水可以分為上層滯水、潛水與承壓水三類。上層滯水沒有穩定的補給源，不是基坑施工考慮的主要問題。潛水一般位于地表以下第一個擁有自由水面的含水層中，以大氣自然降水的補給為主，對基坑施工的危害不大。承壓水是指兩個穩定隔水層中的地下水，其最重要特征就是具有承壓性，性質及形態比潛水穩定。當開挖到一定深度時，承壓水對工程的影響是最具危害的，是地下水處理的主要對象。1．2土建工程基礎施工的重要性。我國高度重視基礎設施建設。土木工程的基礎施工必須按照更嚴格的模式進行，否則會造成很大的疏漏和挑戰。結合以往的工作經驗和目前的工作標準，土木工程基礎施工的重要性主要體現在以下幾個方面:第一，在土木工程基礎施工過程中，可以為今后的工程施工提供更多的幫助。例如，在一些地方的小型土木工程建設中，由于缺乏對基礎建設的重視，很難達到良好的水資源利用效果，不僅在短期內造成了嚴重的經濟損失，土木工程的保護還不夠，導致更大的安全風險。二是在土木工程基礎施工過程中，及時發現問題和不足，選擇正確的解決辦法，為今后的工作提供更多的保障。1．3基坑地下水主要危害。1．3．1滲透破壞。滲透破壞是指土壤顆粒在滲流作用下的局部運動或損失，導致土體變形和失穩。在基坑工程中，主要表現為流沙，管涌和潛在腐蝕，這些都會影響基坑的穩定性和安全性。當滲流通過松散土體孔隙時，土體顆粒會阻礙水流過孔隙，水流與土體顆粒會產生相互作用的力(滲透壓力)，該力方向垂直于土體顆粒的表面。此外，土體顆粒還承受切向滲流摩擦。在滲流壓力和滲透摩擦力的共同作用下，土體顆粒會和水流一起滾動或者使其發生整體失穩。1．3．2水壓力破壞。圖1水壓力破壞示意圖當基坑中的土壤繼續挖出時，當上覆的土壤層不足以抵抗水的壓力，挖掘深度達到臨界值時，承壓水的水頭壓力會使基坑底部的水和沙子涌出(如圖1)。其表現是基坑底部的土壤被隆起，出現裂縫，同時向外噴水和噴砂。與此同時基坑底部充滿水，土壤變軟，基土失去強度，承壓水位降低，并且在基坑外部發生表面沉降。如果底座的不滲透層很薄并且下部有較大的壓頭，則在達到臨界狀態后可能會引起隆起和損壞。

2基坑地下水預防基本理論與設計方法

2．1基坑降水的作用。在基坑工程中，采取各種降水舉措具有以下作用:(1)便于人員施工，防止基坑坡面和基底的發生滲水現象。(2)在干燥的環境中，可以杜絕基坑中常見的流砂現象，對基坑側壁和坑底的穩定性有加強的作用。(3)伴隨著水位的下降，土體的物理力學指標會相應的得到改善;減小支護結構的變形以改善基坑支護的穩定性和安全性。(4)降低地下水位時，土體會由于孔隙水壓力減小有效應力增大發生固結，在這個過程中，土體的抗剪強度增強，并且得到了加固，所以降水也是一種土層加固方式。2．2基坑降水的方法。目前現有的基坑降水方法有很多種，在深基坑工程中應用的較多的是井點降水方法，這是由于深基坑開挖的范圍往往到了地下含水層以下。在開挖前，需要把地下水降低到邊坡面和坑底以下。在水文地質條件，遇到基坑底下含水層為承壓含水層的時候，尤其需要注意，即使上面的潛水含水量極少，我們通常也會采用降水的方法，將承壓水抽出，避免滲透水壓力差過大，基坑底部發生隆脹和突涌的破壞現象。地下水的降水方法根據基坑開挖時基坑的尺寸和深度、場地地質條件和土的特性，一般有明排水和井點降水兩類方案，分述如下。2．2．1明排水法。明排水時基坑中開挖集水井和集水溝，集水溝和集水井組成排水系統。水由集水溝流入集水井，然后水從集水井抽出，隨著開挖的進行，集水井和集水溝需要重新施設。2．2．2井點降水。(1)輕型井點輕型井點降水原理是真空作用降水。其可設置多級降水，單級井點降低水位一般小于5～6m，在弱含水層中降水尤其有效。在國內外降水系統中采用最多了就是此類方法，采用輕型井點降水的優點在于，它的井點的間距設置比較靈活，在設置小間距的時候，可以很好的減小滯水層中的水量，并對阻斷地下水補給特別有效，對保證基坑壁的土體穩定有明顯效果，特別是對小基坑、降低水位不深時尤為適宜，井點系統也可設置多級。缺點在于，占地面積大，設備較多，維護管理復雜。輕型井點的平面布置可由分為環形、U形和線性，這種布置形式是根據基坑的水文地質條件、基坑的平面形狀、大小、要求降深等確定。一般布置在基坑的外側1．0～1．5m。(2)噴射井點噴射井點屬于真空抽水的一種，它的工作原理是內部的水流經過高壓泵的作用，以極高的速度被噴出，在這種速度下，周邊形成了真空環境，在真空的作用下，周圍的水流不斷的被吸入抽出。此法適用于對降水深度要求較大和含水層是粘土等基坑工程，缺點是降水管網布置較為復雜，工作效率不高，費用較高，人工管理要求高。噴射井點的布置形式和輕型井點相同。(3)電滲井點接通電流后，土中的水由于帶正電荷，而土中的粘土顆粒帶負電荷，兩者移動方向相反，在電滲流和真空抽吸的雙重作用下，粘土和水被逐漸分離開來，達到了降水的效果。此法一般適用于難以降水的弱透水地層，如地層中含有滲透系數較小的飽和軟粘土或是淤泥、淤泥質土。(4)管井井點管井井點降水是通過機械鉆孔打井，從井中不斷抽取地下水以達到降水目的降水方法。適用于粘性土以外的各類土，地下水豐富，降水深、面積大、時間長的情況，對于有流沙和重復挖填土方區使用效果尤佳。常用的降水方法及其適用條件如表1所示。2．3基坑井點降水的基本理論與設計原則。以上假設是井點降水設計的基本理論。法國水力學家Dupuit對完整承壓井和完整潛水井分別進行了研究，并根據達西的滲流理論，分別得出了不同完整井的流向井的水量公式。流向井中的水量根據降水井的類型、地下水水文地質情況以及降水井的布置情況主要分為潛水完整井、承壓完整井、承壓－潛水完整井、潛水非完整井、承壓非完整井，根據降水井布置的不同情況分為線性圓基坑和形基坑。表2為常見的降水井類型下流向井的水量的計算公式。降水井的布設有坑內降水井點和坑外降水井點布設兩種，其適用條件和優缺點，見表3。降水井布設設計步驟主要如下:(1)選取降水井類別和降水井布設形式根據降水的要求(表3)選取降水井的布設，根據土層要求(表1)選取合適的降水井類別。(2)初步確定井深、井距井管總長;(3)按圓形(矩形、不規則形換算為圓形)或線形基坑計算基坑出水量Q;(4)估算單井出水量及單井單位長度出水量q;(5)井點數量(6)水位降低檢驗

3地基基礎地下水處理思路探討與應用

3．1處理思路探討。土建工程是建筑工程建造的基礎工程，也是影響建筑工程質量的主要因素。隨著城市經濟的不斷發展，我國建筑工程的數量不斷增多，土建工程建造也隨著建筑工程增加而不斷的增加。正因為如此，我國建筑工程遇到的問題越來越多，其中地下水對深土建工程的開挖影響極大，為了土建的施工可以避免由于地下水帶來的不便，相關人員應對其作出研究。(1)若開挖過程遇水，則停止開挖，整體站區高程根據現場情況抬高，高度0．5～1m。場平填筑料采用級配良好的砂礫石。場區基礎回填礫石要求壓實度不小于0．96，分層夯實，每層填筑厚度不大于30cm。(2)站區回填砂礫石后，若局部地面繼續出現出水情況，可根據現場實際情況在回填砂礫石層上部鋪設25cm厚的C25混凝土墊層，抗滲等級W4。鋪設墊層范圍為全站區(除主變、事故油池、管理房區域外)，其余電氣設備基礎可直接坐落于該墊層上，取消原有基礎的墊層和換填?；A施工完成后回填土壓實系數不小于0．94，最終站區地面坡度應與場平圖中坡度一致。最終地面高程以實際情況為準。(3)條形基礎若場址區有地表水出露，施工前應采取降水措施確保干地施工，清除基礎位置處的表層松軟淤泥，使基礎坐落在砂礫石層上。(4)灌注樁若施工過程中遇到塌孔或孔內有水應采用套筒、水下混凝土澆筑等施工工藝。(5)對于地下水位較深且持力層為砂礫石或塊碎石土的的地區采用鉆孔灌注樁基礎的形式。對于地下水位較淺的濕地、草甸地區，土質松軟，不易成孔，則采用PHC管樁基礎。(6)箱型淺基礎:若開挖過程遇水，則停止開挖，以遇水面高程以上100mm為基底高程進行基礎施工，確?；A總高度不變的前提下，對箱變四周地面進行填高處理，回填處理范圍:平面超出基礎四周各2m，高度確?；靥钔辽媳砻婢嗷撞恍∮?．2m，回填土與周圍自然地坪斜坡過渡，回填土壓實系數不小于0．94。3．2工程數值模擬與應用。以上海黃浦江附近某建筑物為研究背景，研究區地基土均為第四系松散沉積物，物理力學性能較差。施工場地淺層為灘涂土，由古黃浦江形成。承壓含水層在施工現場不連續分布，顯著增加了排水難度?；觾鹊叵滤闹饕愋蜑闇\層粘土含水層中的無承壓水、淺層含水層2的第一承壓水和深層含水層中的第二承壓水。第2層和第2層的測壓頭埋深分別為8．10～8．90m(高程－3．40～4．20m)和8．07～8．58m(高程－3．37～3．88m)。根據有限差分法(FDM)進行模型計算。范圍設定為2000×2000m，共有89行146列。各單元的初始水頭由現場觀測結果求得。模型的邊界條件定義為一個恒定的頭部邊界，地下連續墻被定義為不透水邊界。為了避免由于承壓含水層中的水壓引起的開挖底板的抬升，基坑底板對承壓含水層頂板的壓力必須大于承壓水的升力。根據地質調查，在不利條件下，2層測壓頭埋深為7．00m(高程4．70m)。開挖時，為便于施工，埋置測壓頭應在底板以下1m以上。基坑底板的穩定性可以計算如下∑H•γs≥Fs•γw•h(1)其中H是從基坑底板到承壓含水層(m)的頂板的距離;γs是計算域(kN/m3)中土體的單位重量;h是承壓水的壓頭與承壓含水層(m)的頂板的距離;γw是水的比重量(kN/m3);Fs是安全系數，在本計算中定義為1．1。各開挖深度降深要求計算結果見表4。根據降水要求和以往經驗，將需要降水的開挖場地劃分為三個小區域。地下水流動與地面沉降的數值模擬這三個區域分別計算。為了保證計算結果的一致性，數值模擬采用了離散化的反分析網格。(1)一區:QJ1－QJ7抽油井運行120h，抽完后一區測壓頭輪廓線如圖2所示?？觾葴y壓頭高度小于－13m，是測壓頭控制要求的兩倍以上。選取距計算區域5m的8個點進行沉降計算。計算結果表明，大部分計算點的地面沉降均超過控制要求。因此，應提供額外的處理，以保護周圍環境。圖2一區測壓頭輪廓線(2)二區:QJ23－QJ26泵井運行120h，二區泵后測壓頭輪廓線如圖3所示。降水區測壓頭高程小于－10m，超過了測壓頭控制要求。選取距計算區域5m處的6個點進行沉降計算。計算結果表明，大部分計算點的地面沉降均超出控制要求。應提供額外的處理措施以保護周圍環境。(3)三區:QJ8－QJ22泵井運行120h，三區泵后測壓頭輪廓線如圖4所示。除QJ13外，抽水后排水區內測壓頭高程滿足控制要求。在檢查了所有可能的因素后，在巖土工程勘察報告中發現，破壞是由于QJ13周圍地層分布不正確造成的。過濾管安裝在不透水層內。通過提高濾水管進入承壓含水層的高度，修正了誤差。上述降水計算結果表明，該降水方案是合理的。但整個降水區內測壓頭高程均大于控制要求，導致降水區外沉降較大。在工程實踐中，需要較少的抽油井來滿足降深要求，并且多余的井可作為儲量。應加強對周圍環境的監測，并為基坑外的超量沉降準備額外的處理措施，如補給。

4結語

本文介紹了地下水埋藏的分類情況、基坑降水的作用，以及可能會產生的不良現象，并對目前已有的降水設計方法及其適用條件做了系統的介紹基坑降水工程是一項復雜的工程項目。每一個特定的基坑場地降水都有其工程與水文地質條件，必須根據不同的地質條件和降水要求選擇經濟、安全、合理的降水方法。基坑降水設計中，降水試驗是必須做的，通過降水試驗對降水設計的參數提供參考設計依據，并能對數值模擬試驗提供必要的合理參數，從而進一步減小基坑降水方案的設計誤差。

作者:李欣哲 單位:甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司