深基坑减压降水设计优化与止水帷幕隔水效应分析

深基坑减压降水设计优化与止水帷幕隔水效应分析

王治华

中国能源建设集团天津电力建设有限公司天津300012

摘要：深基坑减压降水设计优化是项目工程中的重要内容。为了可以有效地控制项目工程降水所引起的地面沉降现象，结合“按需降水”的原则，在地下水动力学经典理论的基础上，探讨减压降水中止水帷幕隔水效应以及承压水头方面的分布特性。并且依靠优化深基坑减压降水设计，控制坑外水位的降水和地面沉降方面的可行性。同时结合一定的工程实例，模拟探究了基坑降水方面的优化效果，对工程止水帷幕深度和地面沉降量之间的定量关系进行认真讨论。

关键词：地面沉降；深基坑工程；降水设计；止水帷幕；沉降防控

前言：当前背景下，我国经济发展较快，科技也在不断进步。这种环境为建筑工程的发展提供了良好的机遇。各类建筑项目工程不断涌现，数量非常多。但随之而来的也有一些问题的存在，要求对这些问题进行解决。本文就项目工程中由于降水引起的地面沉降等展开探讨，分析了深基坑减压降水设计方面的优化，以及止水帷幕隔水效应，从而希望可以为这种类型的工程问题提供一定借鉴，以便更好地解决该类问题。

城市地区通常广布深厚的第四纪地层，其固结程度较低，易在开采地下水作用下引发土层压缩变形，而基坑降排水等工程活动，更会产生叠加效应，使地面沉降的时空分布格局趋于复杂，增加地面沉降防治难度。工程性地面沉降逐渐成为城市地区地面沉降防治的重点。

1研究现状

当前背景下，在基坑降水设计的优化方面，已经有了类似的的研究分析。比如，在经济效益的基础上，通过非线性规划的原理，提出了得到基坑井群降水最优参数的方法以及求解的公式。同时，选择目标函数法，优化布置基坑降水井群。并依靠相关控制和约束条件的增加，使其模型得到进一步的优化与完善。然而，这方面的研究基本上都是从经济技术方面来讨论的，并没有从工程降水引发地面沉降控制方面来进行研究分析。[1]根据地下水浅层回灌试验，评价其在工程降水地面沉降防治的可行性和适用性。本文结合了某地地铁站基坑作为研究的实例，对地面沉降效应进行了认真分析。通过一些试验，探讨了控制地面沉降的方法以及效果。目前这方面的研究还不是很多，但同实际联系较为紧密。因此，具有非常强的现实意义。

2理论依据

基坑降水若是可以依靠止水帷幕的条件，就能够合理地降低坑内降水对坑外承压水位所产生的不利影响，并且有效地控制基坑降水引起的地面沉降量。

2.1镜像法理论

结合镜像法的原理，能够用虚井影响来替代边界效应。如此一来，原来的问题就能够转化成无界径流方面的问题。[2]然后通过叠加的原理，把虚井与实井相结合并求解，就能够简化有界含水层井流方面的问题。对于承压水井，直线隔水边界附近非稳定流降深可以表示成：

S=S（r，t）+S（r'，t）

在上面式中：r'表示观测井与镜像井之间的径向距离，L表示抽水井与隔水边界之间的径向距离。其中，0＜r＜L，则有2L-r≤r'。

2.2模型应用

结合s（r，t）函数的性质，因为r'ϵ[2L-r，2L+r]，就可得到s（r，t）+s（2L+r，t）≤s（r，t）+s（r'，t）≤s（r，t）+s（2L-r，t）。也就是说距降水井r处，在降水井和隔水边界垂线方向，其水位降深将会最大。而在降水井和隔水边界反向延长线的一侧，其水位降水将会最小。[3]而其它方向的水位降水则在这两者间。所以，综合考虑止水帷幕深度的设计，运用基坑止水帷幕隔水的作用，依靠对减压降水井群的合理布设，并对观测井的布设位置进行优化。当相关的工程安全条件得到满足的时候，控制地下水位超降以及地面沉降是能够达到的。[4]

3工程案例分析

以某市地铁车站基坑降水工程为例，对减压降水设计方案的优化与降水的效果进行分析，探究了止水帷幕隔水效应。

3.1工程概况

其为T型地铁换乘车站，双柱三跨两层框架结构，总长208m。其中西侧基坑长58m，面积1312m2，端头井挖深约19.5m，采用1000mm厚地下连续墙围护，墙深36.5m，标准段挖深约18.4m，采用800mm厚地下连续墙围护，墙深34m，地下连续墙墙趾位于第⑦1-1层。根据工程勘察资料，拟建场区第一、二承压含水层沟通，而其历史最高水位标高为-1.12m。经底板抗突涌稳定性验算，需进行减压降水才能保证基坑安全开挖，端头井最大降深8.2m。

3.2降水设计及优化

依靠承压水非完整井涌水量的计算公式，选择“大井法”来对基坑的涌水量进行计算。[5]同时，根据单井的出水量，将基坑里面需要布设的五口43m的降压井以及两口43m的观测井兼备用井计算出来。为能够有效地控制坑外水位的降深，使地面沉降变小，周边已经建成的工程得到保护。结合抽水试验的结论，对相关设计方案展开优化。把基坑标准段的三口降压井深进行修正，改为为37m。依靠现场抽水试验得到的数据，修正水文地质模型。并且用校正模型模拟降水运行的过程。[6]最终结果表明，基坑里面的端头井水位降深可以达到10m，而标准段的水位降深大概是7m，这可以很好地满足水位降深方面的设计需求。

3.3止水帷幕隔水效应分析

为进一步研究止水帷幕的隔水效应，探讨止水帷幕深度与坑外水位降深的定量关系，针对止水帷幕加深到43m和48m时，利用校正的水文地质模型，计算基坑降水90天后承压水位降深情况。通过不同止水帷幕深度条件下水位降水对比可知，随着止水帷幕深度增加，坑外水位降深随之减小，地面沉降也明显降低。尤其当止水帷幕深度大于或等于43m，即大于或等于降水井深度时，坑外水位降深明显减小，地面沉降可得到有效控制，反映了在此条件下，止水帷幕隔水作用明显，“镜像”效应显著。根据降水引起的地层变形模型，计算上述条件下的地面沉降量，4）通过对不同止水帷幕深度条件下降水运行过程模拟计算，表明随着止水帷幕深度增加，坑外水位降深及地面沉降量明显减小；当止水帷幕深度超过降深井深度时，变化速率明显减缓。可见，在基坑水位降深设计得到满足的情况下，止水帷幕同降压井在深度方面深度相等时，基坑降水工程经济技术较为合理。

结语

综上所述，地面沉降等现象将为项目工程带来严重影响。加强深基坑减压降水设计优化、止水帷幕隔水效应等方面的研究，有助于科学合理应对地面沉降等问题，从而为建筑工程的施工质量提供有力的技术支撑，使其质量符合相关要求和标准。如此一来，建筑项目工程才能够在今后的发展中为人们提供良好的使用体验，改善人们生活。

参考文献：

[1]李培妍，宫全美，元翔，宋福贵.杭州某地铁深基坑减压降水措施研究[J].地下空间与工程学报，2014，10（01）：213-219.

[2]李伟，童立元，王占生，刘松玉.地铁车站不同工况减压降水对环境的影响[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2014，15（03）：258-263.

[3]王康达，童立元，王占生，刘松玉.考虑围护结构影响的深基坑降压井布置方案优化[J].岩土工程学报，2014，36（S2）：259-264.

[4]艾心荧，侯玉杰，余地华，黄刚，叶建，王伟.基于连通器效应的超大深基坑混合井自动降水技术研究与应用[J].施工技术，2015，44（14）：7-11.

[5]童立元，郑灿政，张明飞，车鸿博.地铁车站止水帷幕对南京秦淮河古河道地下水流场的影响分析[J].东南大学学报（自然科学版），2016，46（S1）：190-196.

[6]杨学林，曹国强，周平槐.杭州钱江新城金融地块不对称超深基坑支护设计研究[J].岩土工程学报，2014，36（S1）：17-24.