基坑工程中的地下水问题及其控制浅析

朱 家 宏

(河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)

我国地域辽阔，各地工程地质水文地质条件差异性很大。在长三角等沿海地区，分布着大量的深厚软土地层，这些地层土体含水量高，土体抗剪强度低，地下水水位埋深浅，存在着高水头承压水。根据大量的工程实践，这些地区的基坑工程事故，多数是由于基坑工程设计施工中，没有处理好地下水的问题，地下水控制成为基坑工程成败的关键。因此深入了解基坑工程中的地下水问题，以及相应的地下水控制技术是确保基坑工程安全的关键。本文对基坑工程中常见的地下水问题进行了分析，并对相关的设计控制方法、风险问题进行了探讨。

1 深基坑抗渗流稳定性问题

在基坑工程中，由于基坑开挖预降水，基坑侧壁内外常形成一定的水头差，一般容易发生流土破坏，基坑工程设计中通常采用设置基坑止水帷幕，通过设置一定深度止水帷幕，达到满足抗流土破坏的目的。

基坑工程中，管涌现象也时有发生，比如基坑止水帷幕漏水甚至止水帷幕整体失效，则基坑外侧的地下水通过止水帷幕的孔隙中渗漏，水流夹带基坑外围的细颗粒流入基坑，将外围的土体掏空，造成基坑外围地表大面积沉降下陷、基坑周边房屋开裂。

对于不同水文地质条件，常采用设置不同插入深度的止水帷幕，一般将止水帷幕按照端部是否进入相对隔水层，可分为悬挂式止水帷幕和封闭式止水帷幕[1]。

在深厚含水层的情况下，除了特别复杂敏感的环境条件限制以外，受经济条件的限制，一般采用悬挂式止水帷幕较多，对于此种类型的止水帷幕设置深度，既要满足抗渗流的影响，同时还需考虑降水对周边环境的影响，尽量做到按需降水。

2 深基坑抗突涌稳定性问题

当基坑开挖深度内存在承压水含水层时，由于承压水水头往往高于基坑内待开挖的土体开挖面，当开挖深度内的土体自重，不足以平衡承压水水头压力时，基坑内承压水含水层，在向上的水头压力下水体会冲破基坑底板土体造成突涌破坏，同时会发生喷水冒砂的现象，由于喷出的水流带出土体中的细颗粒，会造成基坑周边大面积沉降下陷、基坑周边道路开裂沉降、房屋开挖变形。

在深基坑工程中，由于承压水突涌造成的工程事故时有发生，例如2009年发生的上海地铁四号线董家渡段隧道地层塌陷等[2]，虽然采用各种措施进行了修复，例如地下水回灌等措施，但仍然给国家造成了不小的损失。

3 深基坑工程地下水降水设计

3.1 基坑降水的作用

基坑降水是基坑土方开挖过程中，确保基坑支护结构安全的必要措施，其主要的作用为[3]：

1)防止基坑侧壁因地下水在水头压力下发生渗流破坏。

2)消除或减少作用在基坑支护结构上的静水压力与渗透压力，提高基坑支护结构的稳定性。

3)为基坑土体开挖及主体结构施工，提供干作业面，方便施工。

4)满足主体结构抗浮要求。

3.2 深基坑降水设计

深基坑降水设计是基坑工程支护设计的一部分，降水设计应根据基坑工程为满足主体结构施工的开挖深度、基坑开挖深度范围内含水层水文地质条件确定具体的设计方案，以达到疏干开挖深度范围内的土体、降低含水层水头满足基坑抗突涌安全要求，同时基坑降水还需配合土方开挖，满足基坑分期、分区开挖土方的要求。基坑降水往往会对基坑周边造成一定的不利影响，随着降水的进行，地下水影响半径范围内水头会有一定的降低，根据土力学有效应力原理，土体的重度会从浮重度增大到接近于饱和重度，从而在降水影响范围内产生附加沉降。

基坑降水设计计算，可根据相关的规范进行计算，按照现行基坑规范推荐的“大井法”公式，但由于规范公式无法考虑一些比较复杂的水文地质条件，如含水层厚度变化、边界条件不规则、基坑设置了止水帷幕等情况，实际应用中一些基坑降水方案设计往往根据场地的地质条件，建立三维地下水渗流模型，并采用数值方法进行设计计算，比较符合实际情况。

根据地下水动力学原理，依据场地实际的水文地质工程条件，可将求解地下水水流流动、水头分布的问题，概化为一定的水文地质概念模型。然后根据与工程场地具体的水文地质条件，建立与之相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型[4-6]：

其中,kx,ky,kz分别为渗透系数在x,y,z方向上的分量,m/d；h为点(x,y,z)在t时刻的地下水水头,m；W为单位体积井流量,L/d；h0为模型计算区域的初始水头,m；h1为第一类边界的水头值,m；Ss为地下水的贮水率,L/m；t为时间,d；Ω为计算的区间范围；Γ1为第一类边界。

对整个渗流区网格剖分后，可采用相关的数值方法，如有限差分或者有限单元方法将上述数学模型进行离散，得到数值模型，以此为基础运用计算程序软件，例如visual modflow，GMS等，结合抽水试验资料，对模型参数进行识别、检验，从而得到能代表实际含水层的地下水流模型，然后进行基坑降水设计计算、预测不同时间尺度上的基坑降水引起的地下水水头分布、基坑水位降深变化情况。

基坑降水引起的地面沉降变形，主要结合太沙基一维固结理论、比奥固结理论，实际工程应用上一般先根据上述地下水流模型计算出各含水层中的水位变化，根据各含水层的水位变化情况，计算各土层的有效应力的变化，再计算各土层的变形量，各土层的变形量之和即为地表沉降量。实用中基坑降水引起的周边沉降情况，一般可采用JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程的公式进行计算[7]:

其中，s为基坑降水引起的土体沉降量，m；Ψw为沉降计算经验系数；Δσzi′为基坑降水引起的地面下第i土层中点处的附加有效应力，kPa；Δhi为第i层土的土层厚度，m；Esi为第i层土的压缩模量，kPa；应取土的自重应力至自重应力与附加有效应力之和的压力段的压缩模量值。

基坑降水对周边环境的不利影响主要是由降水漏斗引起的周边建筑物、地下管线的不均匀沉降造成的，可根据具体情况在基坑外设置一定数量的回灌井设施，进行地下水回灌，保持需要保护的部位的地下水水位不变，以消除基坑降水所产生的地表变形危害。

4 结语

本文结合相关工程规范，对深基坑工程设计施工中的地下水问题以及相应的控制技术，进行了分析探讨，深基坑工程中的设计施工中，必须对水的问题有一个清晰的认识，才能确保基坑工程本身及周边建筑物的安全：

1)深基坑工程设计中，需考虑基坑地下水抗渗流稳定性，满足流土、管涌及抗突涌安全验算。

2)基坑降水设计，需根据场地实际的水文地质条件进行设计计算，同时降水深度应按需进行，确保基坑周边环境变形在容许的范围内，对于一些大型、基坑周边环境复杂的工程，可采用地下水三维数值模拟，建立水文地质数值模型进行设计计算，必要时可结合地下水回灌系统，使基坑周边的变形在允许的范围以内，以达到确保基坑周边环境安全。