基坑工程排水设计关键点及 基坑底板稳定性应用 分析

基坑工程排水设计关键点及 基坑底板稳定性应用 分析

叶胜

广东省基础工程集团有限公司 广东广州 510620

摘要：在城市建设中，对地下空间的利用已越来越大，以致超深超大的建筑地下室不断涌现。而在基坑施工的环节上，如果控制得不好，施工场区就会涌出大量积水，不但影响到工程项目的进展，还会有可能降低边坡的稳定性和基坑土体的强度，甚至发生突涌或不均匀沉降，进而威胁基坑工程的质量及安全。而在工程地下水位控制的工作当中，施工排水设计是最关键的一环，基坑的降水措施是否符合设计要求和合理、可靠，将直接影响到基坑土方开挖以及其结构的后续施工。故此，现本文通过对基坑施工排水设计的关键点进行详细分析，并结合工程实例论述如何对基坑底板稳定性进行验算，旨在提高施工的降水效果，确保工程项目基础施工的顺利进行。

关键词：基坑工程；排水设计；关键点；基坑底板稳定性；应用分析

前言

随着建筑基础工程的日益扩大，对基坑支护施工的要求越来越严格。而在地下水控制的工作中，由于设计人员的技术水平参差不齐，加上地质土层的复杂多变，也制约着施工排水设计有效发挥，从而影响着基坑施工的地下水位控制。故此，为保证基坑施工的质量安全，必须从最基本的施工排水设计方面把好质量关，才能够保障基坑施工质量的可靠性。

1 基坑排水设计关键点

为确保基坑土方开挖时不出现地基承载力下降或边坡坍塌现象，在基坑排水设计前，必须秉承认真细致、周密严谨的态度，在工作上除了查明施工场区的特点、土层相关参数指标、降水深度和当地周边环境保护要求外，还需充分掌握有可能对基坑排水设计造成影响的关键点，以进一步提高地基基础的降排水措施的成效。

1.1 参数取值

地下的土质是比较复杂的，因此在基坑排水设计过程中，对于井点系统涌水量的计算切记不可大意，其结果的准确性会受土层渗透系数及抽水影响半径等的取值影响，应多方综合考虑，确保基坑降水的合理性。

（1）含水层的厚度

施工场区含水层厚度的取值与含水层顶底板标高有关，如果差距不大，则取施工区域范围内钻孔揭露含水层厚度的平均值，若相差较大时，就要根据所有勘探报告取有代表性的含水层厚度平均值。

（2）水位降低值

基坑排水设计的水位降低值一般在基坑底以下0.5m～1.0m，切不可因考虑安全问题而取第一层地下水降低至基底以下的水位降低值，务必按各含水层的地下水位来取值。如果选用大井法计算水量，就要按各含水层的设计水位降低值进行计算流量；若在降水管井的井内水位取值，就是基坑中心点的水位降低和管井至中心点的距离与水力坡度乘积之和，不过还需把井损和水跃值考虑在内。

（3）大井等效半径

基坑的降水井群通常选用封闭式外缘布局，同时可将若干个降水井看成一口大井来简化计算，方便运用已有的公式对此等效大井进行计算，并通过降水范围及基坑形状以确定井点系统的等效半径。

（4）抽水影响半径

井点系统的影响半径取值需要根据抽水试验资料来确定，也可用观测孔的试验资料求得。如果没有相关资料就要运用比拟法，根据所在地区相似水文地质条件的其它区域选取参数值或者当地的经验值；如果施工基坑的安全级别比较低时，就要运用经验公式进行计算。

（5）渗透系数

渗透系数的取值是不容忽视的，关系到基坑排水设计的合理性及降水工程的可行性。通常其按抽水试验计算所得，否则可根据附近100m范围内且有相似水文地质的工程项目抽水试验资料获得渗透参数；若基坑工程的安全级别较低时，需选用所在地区的渗透系数经验值。

1.2 地下水特征

在基坑排水设计中，主要是排除施工期间的地下上层滞水、孔隙潜水及承压水。而现在大多数的项目为深基坑工程，都会涉及到透水性强的承压水，如果处理得不好，就会有大量的水排出或发生承压水突涌事故，使坑内的土体达不到疏干固结目的，且威胁到基坑的稳定及安全。

（1）孔隙潜水

潜水层的自由水面一般会受当地的地质、气候和环境影响，其水位标高在雨季时上升或冬季时下降，但也会由附近的河、湖等地表水补给而影响浅层土体的固结度，并加大地表沉降系数。所以，如果基坑开挖面比孔隙潜水的水位标高低的情况下，虽然降深一般在开挖面以下0.5~1.0m，除非是对空旷的场地或降水影响范围内无需保护的建（构）筑物实施敞开式降水措施，否则，必须设置一定深度的隔水体系，以满足基坑排水设计。此外，潜水层的降水可以选用集水明排、轻型井点、管井（深井）等多种方式，应用时要按工程特点及适用范围来确定。而隔水体系须按基坑支护形式和环境特征进行制定，其井点布置须按土体含水量和所在地区经验确定，通常是均匀地布置在基坑内部，且尽可能布置在支撑边缘等开挖保护面。隔水帷幕底部一般须设置在相对不透水层或基坑底一定深度，进而阻隔地下水的水平补给以及加长避免帷幕底部绕流补给的路径，以稳定抗渗流。

（2）承压水

在地表下的承压水头动态埋深都比含水层的层顶要深，且有一定的压力和水量丰富。因而，在制定深基坑排水设计前，要详细分析基坑开挖深度与承压水的埋藏深度、水头埋深的关系，确定开挖的深度是否能满足承压含水层突涌的稳定性要求，保证开挖过程中承压水的水头压力能保持平衡，以免造成顶裂或冲毁基坑底板的现象。如果基坑工程处于地层水文地质条件较为复杂或没有当地承压水降压的相关经验资料的情况下，必须根据场地内的抽水试验逐一核对承压水抽水量与水头降深的关系、越层补给的水量大小以及降压对地表沉降的影响等参数指标，以进一步确定降压或疏干降水的井点布置和井管构造。因为深层降压与地表沉降的关系非常重要，如果影响不大的，可以实施坑内或坑外降压；若敏感度比较高的，则应先隔断深层承压含水层之后，方可实施坑内的疏干降水。此外，在基坑开挖过程中，还需根据水位观测井密切注意降压效果，以及时调控降压出水量，确保对场区周边环境的影响降到最低。

2 项目应用

2.1 工程简介及地质、水文条件

本工程项目深基坑占地面积约16000m²，设计地下3层，整体开挖深度为14.30~14.65m不等；工程地面标高±0.000对应绝对标高为+5.200，场地自然地面绝对标高选取为+4.900，即相对标高－0.300。本基坑围护形式采用钻孔灌注围护排桩+三轴水泥搅拌桩止水帷幕+三道水平砼支撑。

根据勘探报告显示，土方开挖范围内的地层均属第四纪全新世，主要由饱和粘性土、粉性土及砂土组成。地质条件复杂，砂质土层有6.0m厚，土质差、含水量高、渗透性强，需要设置强有力的降水措施，以防止发生坑壁坍塌、流砂、突涌等不良现场。勘察期间测得钻孔中地下水的孔隙潜水（①～③层）水位埋深约1.50～2.50m（绝对高程为2.45～3.73m），其埋深通常离地表面0.3～1.5m，除由大气降水补给外，也有临近众多河流涨落潮的补给源，所以与地表迳流互补性较强；还有潜水位年平均地下水位埋深为0.50～0.7m，设计计算中潜水水位埋深取0.5m。同时，据当地长期水位观测资料显示，承压水水头高度通常都比潜水位低，微承压含水层（⑤2层）顶板埋深最浅约17.80m（相应标高约－14.41m），其水位埋深约4.80m（相应标高约0.26m）；第一承压含水层（⑦层）顶板埋深最浅约44.90m（相应标高约－40.87m ），其水位埋深约7.2m（相应标高约－1.73m）；承压水水头埋深通常为3.0～12.0m，而本次基坑普遍开挖深度为15.00m，故影响比较大，须按承压水抗突涌计算开挖前的降水减压，以确保基坑底板的稳定。

2.2 基坑底板稳定性分析

在深基坑开挖过程中，随着开挖深度的增加，承压含水层的上覆土层厚度就会越来越薄，相应地其上覆土的压力也会随之变低。当上覆土的压力比承压含水层的顶托力小时，就会失去平衡，使基坑底隆起，甚至出现顶裂或冲毁基坑底板，最终发生突涌。故此，若深基坑开挖工程，必须要对基坑底部承压含水层的水压力进行验算，以确保基坑底板抗突涌的稳定性，保证基坑的安全和可靠。

基坑底不透水层厚度与承压水头压力的平衡条件为：P_cz/P_wy=（H·γ_s）/（γ_w·h）≥F_s；式中：Pcz—基坑底至承压含水层顶板间土压力（kPa）；P_wy—承压水头高度至承压含水层顶板间的水压力（kPa）；H—基坑底至承压含水层顶板间距离（m）；γ_s—基坑底至承压含水层顶板间的土的重度（kN/m³）；h—承压水头高度至承压含水层顶板的距离（m）；γ_w—水的重度（kN/m³），取10kN/m³。F_s—安全系数，国家标准安全系数一般取1.10。

本工程当地区域资料，对深基坑开挖产生影响的主要是第⑤2层承压含水层，考虑到承压水的顶托力会对基坑底板造成影响，需要验算其稳定性。在勘察期间，拟建场地第⑤2层承压水水位埋深实测为4.80m（相应标高约0.26m），按不利原则考虑，故计算时⑤2层承压初始水位取标高+0.26m。参考ZJ16勘探孔，其揭露⑤2层顶板标高为－13.17m。本工程安全系数取1.05；则承压水顶托力为：（13.17+0.26）×10×1.05=141.0kPa。而基坑临界降压开挖绝对标高为－4.79m，相当于挖深9.69m。则基坑底板抗突涌稳定性验算结果可见表1。

表1 基坑抗突涌稳定性验算表

注：根据计算，需考虑对⑤2层进行降压。

2.3 施工降水设计

从以上的计算结果表明，为保证深基坑开挖作业的安全，须对浅层潜水进行疏干的同时，还要采取降低下部承压含水层水位的措施。为此，本基坑的降水设计，依据开挖深度和地层信息，选用基坑内壁止水帷幕+坑底封底截水+真空疏干井+降水井进行降水。基坑内部布置：在三个基底加固深度为4m的区域内各布置1口降水井，井深16～20m（穿过加固区进入含水层4～8m即可），开挖前挖好排水沟、集水坑，及时排除明水，疏干开挖面的土体。基坑外部布置：设置4口观测井，井深20m，下部16m为虑管、井壁与管壁间填滤料，上部4m采用实管、井壁与管壁间采用粘土填实，对基坑开挖期间进行动态监测，达到按需降水或减压，并减少基坑抽排水量，以防高水头承压水从最不利点产生突涌，对基坑造成危害。

3 总结

综上所述，在对深基坑工程项目选择排水设计方案时，必须要先充分了解地下水的特征，不要因基坑坑底深部承压水处理问题而影响施工的开展。所以，对于深基坑开挖面较大较深时，必须重视基坑排水设计工作，加大基坑降水的有效控制，降低围护变形的影响，确保挖土的强度和刚度，保证基坑的施工安全和可靠。

参考文献

［1］JGJ/T111-2016.建筑与市政工程地下水控制技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2016.

［2］JGJ 120-2012.建筑基坑支护技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［3］姚天强,石振华编著.基坑降水手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1970.