考虑隔水帷幕作用下的深基坑地下水降水设计

　　近年来，随着城市的快速发展，越来越多的深基坑工程也应运而生。而在基坑影响范围内常常会伴随着地下水，特别是坑底以下的承压水，如果控制不利，则会引起坑底隆起等问题而导致基坑失稳。因此，控制承压水水头成为基坑工程能否顺利施工的关键。
　　目前，地下水渗流计算主要有理论分析和数值模拟这两种方法。理论分析方法简单、高效，并且能够清晰地反映各参数间的函数关系，因此，在工程中占有重要的地位。然而，对于围护结构深入隔水层的基坑，目前还没有一套完善的理论能够准确地表达出基坑涌水量的值，如果仍按规范公式进行计算，则会导致计算结果偏大，从而误导工程设计，造成不必要的浪费。
　　随着计算机技术的迅猛发展，各种三维有限元软件已被应用到实际工程当中，用来对各工况进行模拟，进而指导施工。地下水模拟软件VisualModflow 是目前最新流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件，运用该软件可以灵活地建立符合天然场地实际条件的三维地下水流模型，从而大大提高了基坑降水方案设计的工作效率和准确性。

　　1.场地概况及水文地质条件
　　拟建的金祥地铁站位于福州市金山新区，区域地貌为闽江下游冲淤积平原地貌，整体地势平坦，地形起伏较小，金祥站为地下两层车站，车站全长约204 m，标准段宽为19.7 m，场地地面高程在7.20 m ～ 8.90 m 之间。

　　1.1　场地地层分布
　　根据沿线所揭露地层的地质时代、成因类型、岩性特征、风化程度等工程特性，将沿线岩土层分为九大层，各地层的地层厚度、层底标高见表1。

　　1.2　场地水文地质条件
　　金祥站的主要潜水含水层为②-5( 含泥) 中砂，勘察期间②-5( 含泥) 中砂的稳定水位埋深为3.79 m ～ 3.74 m，标高为4.04 m ～4.02 m，在基坑开挖前需设置坑内疏干管井对潜水进行疏干处理; 松散岩类孔隙承压水主要赋存于③-2( 泥质) 粉砂和③-8卵石中，顶板埋深约为40.2 m，承压水位标高约1.75 m( 埋深约6 m) 。②-4-2淤泥质土和③-1粉质粘土构成了潜水层与承压水层之间的隔水层，使两者在基坑范围内无水力联系。各层渗透系数建议值见表2。
　　2.基坑降水设计与施工

　　2.1　数值模拟范围与边界条件
　　根据场地地质条件，结合前人的研究成果和基坑降水实际影响范围内的观测资料，本次模型建立尺寸设为800 m ×400 m。在竖直方向上，地面高程取7.8 m，模型下界取－55 m。计算时取模型四周为定水头边界。基坑开挖深度为21.6 m，潜水水位按4.0 m、承压水水头按1.75 m 进行计算。

　　2.2　潜水降水方案设计
　　根据JGJ 120—2012 建筑基坑支护技术规程，群井按大井简化的均质含水层潜水完整井的基坑降水总涌水量公式: 　　其中，Q 为基坑降水的总涌水量，离规范化个面，m³/d; k 为渗透系数，m/d;H0为潜水含水层厚度，m; S0为基坑水位降深，m; Ｒ 为降水影响半径，m; r0为沿基坑周边均匀布置的降水井群所围面积等效圆的半径，m。计算得Q = 7 098.4 m³/d。
　　然而，此公式仅用于未设置隔水帷幕的深基坑涌水量计算。本工程地下连续墙插入地面以下约42 m，而潜水含水层层底标高为－ 10.8 m，地下连续墙已将潜水含水层完全隔断。因此，在计算潜水层涌水量时，如果仍按照JGJ 120—2012 建筑基坑支护技术规程中的潜水总涌水量公式进行计算，则计算结果偏大。运用VisualModflow 三维有限元软件进行数值模拟:潜水降水井平面布置在两侧端头井处时，降水井按横向间距8 m 跳跃布置，其余位置按横向间距10 m 跳跃布置，总共布设21口潜水降水井。
　　运用VisualModflow 程序对参数进行反复调试，最终疏干管井单井抽水量设定为70 m³/d，即总抽水量为1 470 m³ /d。当基坑抽水5.8 d 后，坑内水位示意图见图1。如图1 所示，
　　此时，坑内水位线已低于－10.8 m，潜水已被疏干。此时，总涌水量设计值远小于按照JGJ 120—2012 建筑基坑支护技术规程所计算的涌水量。由此，我们可以得出，止水帷幕对防止基坑周围地下水渗流到基坑内部，从而对增加基坑的稳定性起到了重要作用。

　　2.3　承压水降水方案设计
　　抗承压水计算:
　　取左端头井处进行计算: 基坑底板至承压水含水层顶板距离:H =15.7 m; 承压水水头高度: h =29.83 m，抗承压水安全系数为: 　　其中，Fs为安全系数，一般为1.0 ～ 1.2，本次计算取1.1; h 为基坑底至承压含水层顶板间距离，m; γi为基坑底至承压含水层顶板间各层土的重度，kN/m3 ; H 为承压水头高度至承压含水层顶板的距离，m; γw为水的重度，取10 kN/m3。
　　因此左端头井处抗承压水稳定不满足规范要求，需采取布设降压管井措施来降低承压水水头。当开挖至距离坑底3 m 时开始降承压水。计算得承压水水头标高降至－3.0 m 时，方可继续开挖。
　　用同样的方法计算可得: 右端头井处当开挖至距离坑底2.5 m 时开始降承压水，要求将承压水水头标高降至－2.35 m 时方可继续开挖; 标准段处当开挖至距离坑底1． 3 m 时开始降承压水，要求将承压水水头标高降至－0.5 m 时方可继续开挖。
　　根据JGJ 120—2012 建筑基坑支护技术规程，群井按大井简化的均质含水层承压水完整井的基坑降水总涌水量公式: 　　其中，M 为承压含水层厚度，m。计算得Q = 11 242 m³ /d。
　　运用VisualModflow 程序对参数进行反复调试，最终降压管井单井抽水量设定为1 100 m³/d，即总涌水量为6 600 m³/d。
　　坑内降压管井布置在端头井两侧，按横向间距8 m 跳跃布置，左端头井处布置4 口降水井，右端头井处布置2 口降水井。抽水2.5 d 时坑内承压水头示意图见图2。 　　左端头井处承压水头低于－3.0 m，右端头井处承压水头低于－2.35 m，标准段承压水头也低于－0.5 m。因此，此方案满足设计要求，各部位承压水头均降至设计水头以下。但由于地下连续墙仅插入承压含水层1.8 m，而承压含水层厚度达14.5 m，因此在基坑开挖过程中需持续抽水，才能保证承压水水头稳定。

　　3.结语
　　1) 利用可视化三维地下水流模拟软件VisualModflow 对实际基坑工程降水进行数值模拟，并与规范计算进行比较可得，止水帷幕对防止基坑周围地下水渗透到基坑内部，从而增加基坑的稳定性起到了重要作用。
　　2) 该基坑工程富含潜水及承压水，并且承压水水头较高，对基坑开挖的稳定性具有重要影响。通过采用坑内降水的方式，成功降低了承压水头，并有效防止坑底隆起等问题。