深厚淤泥及强透水组合地层中水闸基坑降水优化设计
冯波
骆冠勇
张国才
富含地下水地区进行基坑开挖，其底板往往在地下水位以下，通常需将水位降至底板以下一定深度，以保证基坑干施工及基坑开挖安全。某水闸基坑上覆淤泥土层厚度达11m左右，下伏强透水砾砂层，周边为河道，环境条件极其复杂。在综合分析原降水方案的基础上，提出了降水井布置、滤水管深度等优化设计方案。考虑砂层及隔水帷幕渗透系数上下限组合，分4种工况进行了渗流计算，结果表明优化后的设计方案能满足降水要求。最后考虑了旋喷桩由于施工工艺控制不好导致局部存在漏洞的特殊工况，得出了此工况下最大单井出水量，从而可避免由于预案不足导致险情发生。
1 引言
富含地下水地区进行基坑开挖，其底板往往在地下水位以下，通常需进行降水，将水位降至底板以下一定深度，以保证基坑干施工及基坑开挖安全。降水若处置不当，不仅可能导致坑内大量集水，还可能造成坑底冒水、管涌、突涌等，影响基坑稳定性。国内外许多学者关于针对工程降水进行了深入系统的研究，取得了一些成果，但研究对象均位于陆地，环境条件相对简单。水闸基坑位于河道内，地下水与河水具有较强的水力联系，且处于动水环境中。开挖场地淤泥土层厚度达11m，下伏强透水砾砂层。因此场地环境条件极其复杂，基坑开挖具有极大的危险性，地下水处置不当极易引发工程事故。
2 工程背景
某水闸基坑平面尺寸约为146m×91m，开挖深度为5.9～10.15m（绝对高程-2.50～-6.75m）。河床底高程一般在-1.00～-2.50m之间，局部有高程在+1.00m左右。河岸两侧靠河边地面高程约为+3.40m。平面布置见图1。
该基坑设计支护方案为沿河道方向，采用放坡及搅拌桩拦淤支护；河道两侧放坡开挖，挂网喷混凝土支护；下部淤泥层直立开挖，并采用钻孔灌注桩+预应力锚索支护。当基坑开挖至基坑底以上0.5m时，进行填土挤淤施工，挤淤深度为2m。
图1 水闸基坑平面示意图
场地原始地貌为河道及海陆相堆积、冲积平原。场地内由上往下主要的地层有素填土、淤泥和砾砂。其中淤泥层厚达11m左右，顶面平均高程为0.30m，层底平均高程为-11.5m，含水量为66%，塑性指数18～25，呈流塑～软塑状。淤泥上为1～3m厚的素填土，下面基本为砾砂（局部细砂）。砾砂为白色、浅黄色，含少量黏性土，砾径2～5mm。标贯为11～25击。顶面平均高程为-11.5m，底面平均高程约为-21.5m，层厚约为10m。
基坑淤泥层底高程一般为-11.81～-16.85m，淤泥层厚度为11.9～18.1m，平均厚度约为15m。砂层底面高程为-20.98～-23.71m，砂层厚度为6.3～9.7m。基坑所处位置地质情况较差，施工难度较大。
3 降水优化设计方案
3.1 降水井优化布设
基坑原设计方案设6口降水井，要达到抗隆起的安全的要求，单井出水量为1200m3/d，单井出水量过大，容易出现问题。同时滤管底高程为-18.50m，进入透水层仅约2m，太短，限制抽水井出水量。由于该水闸基坑上下游水泥土挡墙的底高程为-15.00m，没有穿过砾砂层，因此挡墙下的砾砂层作为坑内与坑外的水力联系通道，水力联系十分密切，因此，需要在水闸基坑内设置数量比较充分的降水井才能及时将坑内的水位降至设计要求。
根据工程经验及反复试算，坑内沿原布设降水井的三条线上各设置5口降水井，共15口降水井，降水井半径设为0.225m，滤管底高程打到-20.00m，才能满足基坑开挖要求。降水井的布置如图2所示。
图2 基坑优化降水井布置图
（1）～（5）号降水井位于EF区间内，（6）～（10）号降水井位于DE区间内，（11）～（15）号降水井位于CD区间内。
3.2 地层及围护结构渗透系数
由于砂层难以取得原状样，室内试验测得的渗透系数误差较大，同时旋喷桩由于施工工艺及地层条件等差异性影响，其渗透系数空间差异性也较大，为确保基坑开挖安全，根据工程经验，取渗透系数上下限分别进行降水分析。渗透系数取值及各工况的参数见表1。
表1 砾砂与旋喷桩计算参数及工况
4 计算结果及分析
（1）工况1。工况1选取旋喷桩渗透系数为2.0×10-5cm/s，砂砾层渗透系数为2.0×10-2cm/s。通过平面渗流计算得出砾砂层内渗流等水头线如图3所示。由图可知，降水后基坑底部抗隆起稳定达到要求，15口降水井总出水量为1497m3/d，单井出水量为99.8m3/d。
图3 工况1——砾砂层内渗流等水头线图
（2）工况2。工况2选取旋喷桩渗透系数为2.0×10-4cm/s，砂砾层渗透系数为2.0×10-2cm/s。通过平面渗流计算得出砾砂层内渗流等水头线如图4所示。由图可知，降水后基坑底部抗隆起稳定达到要求，15口降水井总出水量为1796m3/d，单井出水量为119.7 m3/d。
图4 工况2——砾砂层内渗流等水头线图
（3）工况3。工况3选取旋喷桩渗透系数为2.0×10-5cm/s，砂砾层渗透系数为1.0×10-1cm/s。通过平面渗流计算得出砾砂层内渗流等水头线如图5所示。由图可知，降水后基坑底部抗隆起稳定达到要求，15口降水井总出水量为6274m3，单井出水量为418.3 m3/d。
图5 工况3——砾砂层内渗流等水头线图
（4）工况4。工况4选取旋喷桩渗透系数为2.0×10-4cm/s，砂砾层渗透系数为1.0×10-1cm/s。通过平面渗流计算得出砾砂层内渗流等水头线如图6所示。由图可知，降水后基坑底部抗隆起稳定达到要求，15口降水井总出水量为7496m3，单井出水量为499.7m3/d。
由上述的几种工况计算结果可知，当基坑中部设置15口降水井，并且使降水井的滤管底高程打入至-20.0m，即降水井打入砂层约5m时，各个降水井的出水能力得到显著提高，此时进行抽水可以满足基坑抗隆起的降水要求。考虑渗透系数不利工况组合，15口井最小出水量为1497m3/d，最大出水量为7496m3/d，单井最小出水量为99.8 m3/d，最大出水量为499.7m3/d。
图6 工况4——砾砂层内渗流等水头线图
施工时可根据工程的实际情况对降水井的位置进行调整，但必须保证1号和2号降水井位于坑底高程为-4.00m的EF区间内，3号和4号降水井位于坑底高程为-6.75m的DE区间内，5号和6号降水井位于坑底高程为-5.00m的CD区间内，7号和8号降水井位于坑底高程为-3.20m的BC区间内。
当基坑开挖完成后开始浇筑地下室底板时，应保持降水井继续抽水，以防地下室底板在停止抽水后地下水回升时被抬起，待地下室底板浇筑完成后，可向降水井内灌注混凝土进行封堵。
5 特殊工况分析
当旋喷桩的施工工艺控制不好，局部旋喷桩会存在漏洞，导致旋喷桩的渗透系数有可能大于2.0×10-4cm/s，此时旋喷桩的止水效果较差，当坑内降水井进行抽水时，坑外的地下水会大量涌入坑内，原有的降水井数量及其抽水量将不能满足要求。因此，有必要对旋喷桩的渗透系数大于2.0×10-4cm/s的特殊情况进行分析，以下针对水闸基坑的建议方案中取旋喷桩的渗透系数为2.0×10-3cm/s，砾砂的渗透系数为1.0×10-1cm/s的特殊工况进行分析，降水井半径为0.225m，滤管底高程为-20.0m。
通过平面渗流计算得出砾砂层内渗流等水头线如图7所示。由图可知，要使基坑满足降水后坑底抗隆起稳定达到要求，必须使15口降水井一天总的抽水量大于10499m3。实际工程中若是遇到此工况，建议设定每口降水井的抽水量为700m3/d。
6 结论
本文以某水闸基坑为研究对象，针对原降水方案存在的问题进行了优化设计，得出的主要结论如下：
（1）为达到基坑抗隆起安全要求，经综合分析，将基坑原设计方案6口降水井增加至15口，同时将滤水管长度增加至5m，有效解决了单井出水量过大及单井出水能力不足问题。
图7 工况1——砾砂层内渗流等水头线图
（2）砂层室内试验测得的渗透系数误差较大，同时旋喷桩由于施工工艺及地层条件等差异性影响，渗透系数空间差异性也较大，根据工程经验，取渗透系数上下限组成不同工况分别进行降水分析，15口井最小出水量为1497m3/d，最大出水量为7496m3/d，单井最小出水量为99.8m3/d，最大出水量为499.7m3/d。
（3）考虑旋喷桩由于施工工艺问题可能导致局部产生漏洞的特殊工况，将旋喷桩的渗透系数调整为2.0×10-3cm/s，要使基坑满足降水后坑底抗隆起稳定达到要求，在此工况下15口降水井一天总的抽水量大于10499m3，单井出水量为700m3/d。
参考文献
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