基坑降水施工基坑降水深化設(shè)計(jì)

4.1. 基坑突涌穩(wěn)定性分析 14.2. 基坑降水對策 24.3. 真空疏干深井 34.4. 基坑降水三維滲流模擬分析 44.4.1. 基坑降水水文地質(zhì)概念模型 44.4.2. 基坑降水?dāng)?shù)值模擬 54.4.3. 基坑降水設(shè)計(jì)計(jì)算 84.4.4. 坑內(nèi)備用井及水位觀測井布設(shè) 94.5. 基坑降水對周邊環(huán)境的影響 104.5.1. 地面沉降計(jì)算原理 104.5.2. 減壓降水引起的地面沉降預(yù)測 154.5.3. 減壓降水引起的地面沉降控制措施 154.6. 坑外水位觀測井分析 164.7. 降水設(shè)計(jì)工作量 174.1. 基坑突涌穩(wěn)定性分析基坑底面設(shè)計(jì)標(biāo)高以下存在承壓含水層，開挖過程中，必須有效控制承壓水水頭埋深，防止基坑發(fā)生突涌事故，因此，必須進(jìn)行基坑突涌穩(wěn)定性分析?；拥装蹇雇挥糠€(wěn)定條件：在基坑底板至承壓含水層頂板之間，土的自重壓力應(yīng)大于承壓水含水層頂板處的承壓水頂托力，可按下式進(jìn)行承壓水位控制：式中：F安全系數(shù)（本工程取1.10）hs基坑開挖深度（m）D安全承壓水頭埋深值（m）H承壓含水層頂板埋深值（m）γs基坑底板至承壓含水層頂板間的土層重度的層厚加權(quán)平均值（本工程取19.00kN/m3）γw地下水的重度（10.00kN/m3）參考本工程勘察資料及抽水試驗(yàn)報(bào)告，考慮季節(jié)變化因素：取本工程基坑下伏第⑦層承壓水初始水頭取歷史最高水位埋深為5.90m，水頭標(biāo)高為-2.70m（85國家高程基準(zhǔn)）；第⑦層層頂分布最淺埋深30.36m（鉆孔C96）；根據(jù)上式計(jì)算，開挖深度hs對應(yīng)的承壓水安全水位埋深D，第⑦層抗突涌穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)詳見下表4.1-1：基坑開挖深度hs與第⑦層安全水頭埋深D對應(yīng)關(guān)系表表4.1-1序號區(qū)域開挖深度hs(m)安全水位埋深(m)水位降深（m）安全系數(shù)1臨界狀態(tài)16.845.90不需降壓1.052普挖區(qū)18.558.993.090.92319.2510.264.360.864局部落深坑22.8516.7710.870.58524.5519.8513.950.45綜上基坑開挖區(qū)域分布有第⑦層承壓含水層，安全系數(shù)取1.05時(shí)，基坑開挖不滿足承壓水抗突涌驗(yàn)算，基坑開挖深度超過臨界挖深時(shí)16.84m，需對第⑦層承壓水進(jìn)行處理；本工程中，基坑普挖區(qū)，需要對第⑦層降水，最大降壓幅度為4.36m，基坑開挖局部深坑位置時(shí)，第⑦層降壓幅度最大為13.95m?？觾?nèi)減壓降水幅度非常大，降水運(yùn)行過程中，需嚴(yán)格遵循“按需降水”原則，加強(qiáng)對坑外地下水水位的監(jiān)測。4.2. 基坑降水對策針對本工程特點(diǎn)，充分利用我公司在蘇州、南京、上海等地的已完成或在建的、與本工程水文地質(zhì)條件或圍護(hù)特征、開挖工況等較為類似的專業(yè)降水設(shè)計(jì)及地下水控制經(jīng)驗(yàn)，采用以下措施解決本基坑降水工程中的難點(diǎn)問題。 分層降水：（1）對于淺部開挖深度范圍內(nèi)的潛水以及逐漸第（3-2）粉土夾粉砂、（4-2）粉砂夾粉土層微承壓水，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)已對其有一定的隔水效果，且其與下伏的第7層承壓水并無水力聯(lián)系，對其采用真空管井進(jìn)行疏干處理，控制地下水水位在基坑開挖面以下1.0m，為基坑開挖作業(yè)提供良好的環(huán)境。（2）對第⑦層承壓水，考慮地層埋置深度較大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對其已有一定的隔水效果故在坑內(nèi)單獨(dú)布置第⑦層的減壓降水井進(jìn)行“按需降水”，保證基坑安全及施工順利進(jìn)行。 水位監(jiān)測：（1）在基坑內(nèi)布置適量第⑦層坑內(nèi)備用井兼水位觀測井，根據(jù)地下水位監(jiān)測結(jié)果指導(dǎo)降水運(yùn)行。（2）基坑外側(cè)利用第三方水位監(jiān)測孔進(jìn)行水位觀測，監(jiān)測內(nèi)部抽水后坑外水位變化情況。 按需降水：降水運(yùn)行過程中，對第⑦層承壓水的控制必須遵循“按需降水”原則，控制承壓水的水位滿足開挖時(shí)的安全要求，不得超降。在運(yùn)行過程中，科學(xué)管理，根據(jù)水位變化嚴(yán)格控制開啟減壓降水井的數(shù)量以及開啟時(shí)間、流量等，減少降水對周邊環(huán)境的影響。 生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)：在基坑正式開挖施工之前，需進(jìn)行生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)，可根據(jù)坑內(nèi)外水位變化情況，初步檢驗(yàn)止水帷幕對淺層潛水、微承壓含水層以及第⑦層承壓含水層的隔水效果，必要時(shí)候結(jié)合專門的地墻滲漏監(jiān)測技術(shù)，及時(shí)排查滲漏點(diǎn)，采取相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)措施。4.3. 真空疏干深井為確保基坑順利開挖，需降低基坑開挖深度范圍內(nèi)的土體含水量，本工程需要疏干的層位包括①、②、③、④、⑤層?？觾?nèi)疏干深井?dāng)?shù)量按下式確定：n=A/a井式中：n—井?dāng)?shù)(口)；A—基坑需疏干面積(m2)；a井—單井有效疏干面積(m2)；以粘性土、粉性土為主的含水層中，本次單井有效疏干面積a井取250～300m2。疏干及真空疏干深井布置原則：1、 坑內(nèi)采用土體加固時(shí)，疏干及真空疏干深井需對其進(jìn)行避讓。2、 真空疏干深井抽水采用超級壓吸聯(lián)合抽水系統(tǒng)，1臺真空泵帶3～6口真空疏干深井。確保真空度不超過-0.065MPa。降水井詳細(xì)分析如下：C基坑總面積約24900m2，扣除加固面積后，整個(gè)基坑共布置真空疏干深井89口，井深26/29m。真空疏干深井平面布置圖詳見附圖01，井結(jié)構(gòu)剖面圖詳見附圖02。施工時(shí)井位根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況可進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。真空疏干深井及真空疏干深井，必須給予充分的預(yù)抽水時(shí)間（15-20天），根據(jù)土方開挖進(jìn)度，將水位控制在基坑開挖面以下1.0m。4.4. 基坑降水三維滲流模擬分析根據(jù)前述基坑突涌穩(wěn)定性安全驗(yàn)算結(jié)果，必須對第⑦層承壓含水層采取有效的減壓降水措施，才能防止產(chǎn)生基坑突涌破壞。為了有效降低和控制承壓含水層的水頭，確?；娱_挖施工順利進(jìn)行，必須進(jìn)行專門的水文地質(zhì)滲流計(jì)算與分析。根據(jù)擬建場地的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及開挖深度等因素，本次設(shè)計(jì)采用了三維滲流數(shù)值法進(jìn)行計(jì)算，為減壓降水設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)。該計(jì)算方法已成功應(yīng)用于上海、天津、南京、蘇州、珠海等多地的深大基坑工程的降水工程。4.4.1. 基坑降水水文地質(zhì)概念模型本次承壓水減壓降水設(shè)計(jì)中，減壓降水目的層為第⑨層、第⑩t層、第?層承壓含水層。考慮到降水過程中，上覆潛水含水層將與下伏承壓含水層組之間將發(fā)生一定的水力聯(lián)系，因此，將上覆潛水含水層、弱透水層以及下伏深層承壓含水層組一起納入模型參與計(jì)算，并將其概化為三維空間上的非均質(zhì)各向異性水文地質(zhì)概念模型。為了克服由于邊界的不確定性給計(jì)算結(jié)果帶來隨意性，定水頭邊界應(yīng)遠(yuǎn)離源、匯項(xiàng)。通過試算，本次計(jì)算以整個(gè)基坑的東、西、南、北最遠(yuǎn)邊界點(diǎn)為起點(diǎn)，各向外擴(kuò)展約500m，即實(shí)際計(jì)算平面尺寸為1500×1500m2，四周均按定水頭邊界處理。4.4.2. 基坑降水?dāng)?shù)值模擬地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，建立下列與之相適應(yīng)的三維地下水運(yùn)動(dòng)非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型:式中：；；；為儲水系數(shù)；為給水度；為承壓含水層單元體厚度；為潛水含水層單元體地下水飽和厚度。 分別為各向異性主方向滲透系數(shù)；為點(diǎn)在時(shí)刻的水頭值；為源匯項(xiàng)；為計(jì)算域初始水頭值；為第一類邊界的水頭值；為儲水率；為時(shí)間；為計(jì)算域；為第一類邊界。對整個(gè)滲流區(qū)進(jìn)行離散后，采用有限差分法將上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，就可得到數(shù)值模型，以此為基礎(chǔ)編制計(jì)算程序，計(jì)算、預(yù)測降水引起的地下水位的時(shí)空分布。滲流數(shù)值模型建立根據(jù)已有的巖土工程勘察報(bào)告、水文地質(zhì)條件、鉆孔資料，模擬區(qū)平面范圍按下述原則確定：以基坑為中心，邊界布置在降水井影響半徑以外。圖4.4-1物理模型地質(zhì)剖分示意圖1、含水層的結(jié)構(gòu)特征根據(jù)研究區(qū)的幾何形狀以及實(shí)際地層結(jié)構(gòu)條件，對研究區(qū)進(jìn)行三維剖分。根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特性等信息，水平方向?qū)⑺牡刭|(zhì)概念模型剖分為242行、194列。網(wǎng)格立體剖分圖見圖4.4-2。圖4.4-2離散模型網(wǎng)絡(luò)三維圖2、模型參數(shù)特征根據(jù)本工程的勘察資料、鄰近工程抽水試驗(yàn)報(bào)告及相關(guān)工程資料，對模型進(jìn)行賦值。3、水力特征地下水滲流系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律；含水層分布廣、厚度大，在常溫常壓下地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律；考慮淺、深層之間的流量交換以及滲流特點(diǎn)，地下水運(yùn)動(dòng)可概化成空間三維流；地下水系統(tǒng)的垂向運(yùn)動(dòng)主要是層間的越流，三維立體結(jié)構(gòu)模型可以很好地解決越流問題；地下水系統(tǒng)的輸入、輸出隨時(shí)間、空間變化，參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性，但沒有明顯的方向性，所以參數(shù)概化成水平向各向同性。綜上所述，模擬區(qū)可概化成非均質(zhì)水平向各向同性的三維非穩(wěn)定地下水滲流系統(tǒng)。模擬區(qū)水文地質(zhì)滲流系統(tǒng)通過概化、單元剖分，即可形成為地下水三維非穩(wěn)定滲流模型。4、源匯項(xiàng)處理方式1)減壓井處理在《VisualModflow》中，減壓降水井可以設(shè)置過濾器長度、出水量等參數(shù)。2)邊界條件處理在本次基坑降水模擬中，模型邊界在降水井影響邊界以外。故可將模型邊界定義為定水頭邊界，水位不變。5、本次減壓降水三維滲流模型建立假設(shè)條件：1）第⑦層承壓含水層的初始水頭埋深5.90m；2）地下連續(xù)墻深度按40.90m考慮，中隔墻35.00m考慮；3)降水井運(yùn)行時(shí)，考慮地連墻隔水效果及群井效應(yīng)因素，隨著降水井運(yùn)行時(shí)間加長，第⑦層單井涌水量平均2～5m3/h。圖4.4-3定水頭邊界4.4.3. 基坑降水設(shè)計(jì)計(jì)算基坑第⑦層減壓降水井井深設(shè)置為37m，降水井孔徑650mm，井管及過濾器外徑273mm。根據(jù)本基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)資料、勘察資料等，建立三維滲流數(shù)值模型。在基坑內(nèi)布置第⑦層降壓井14口，經(jīng)過計(jì)算，水位可以滿足安全水位要求。圖4.4-4～4.4-5為基坑開挖過程中，執(zhí)行“按需降水”，第⑦層承壓含水層水位埋深等值線圖及水位降深等值線圖。圖4.4-4第⑦層降水運(yùn)行后預(yù)測基坑水位埋深等值線圖（單位：m）圖4.4-5第⑦層降水運(yùn)行后預(yù)測基坑水位降深等值線圖（單位：m）4.4.4. 坑內(nèi)備用井及水位觀測井布設(shè)在基坑施工過程中，由于施工現(xiàn)場工序工種繁多，常常出現(xiàn)對降水井保護(hù)不力而致其破壞，無法按預(yù)期完成降水目的，在滿足“按需降水”計(jì)算的基礎(chǔ)上，需設(shè)置坑內(nèi)降水應(yīng)急備用井，其數(shù)量約占正常運(yùn)行降水井的10%左右。坑內(nèi)減壓井的運(yùn)行依賴于實(shí)際的水位變化，水位的實(shí)時(shí)變化指導(dǎo)開挖施工過程中的降壓井運(yùn)行數(shù)量及時(shí)間等計(jì)劃，因此需分別布置第⑦層的坑內(nèi)水位觀測井。在本基坑中，應(yīng)急備用井及水位觀測井適時(shí)共用，共布置2口第⑦層坑內(nèi)觀測兼應(yīng)急備用井，井結(jié)構(gòu)同所在區(qū)域的降水井。4.5. 基坑降水對周邊環(huán)境的影響4.5.1. 地面沉降計(jì)算原理運(yùn)用沉降計(jì)算理論與太沙基固結(jié)理論進(jìn)行分析，得到降水引起地面沉降的變化規(guī)律。(1)沉降計(jì)算理論土中的有效應(yīng)力：式中，——作用在土中任意面上的總應(yīng)力（自重應(yīng)力與附加應(yīng)力）；——有效應(yīng)力，作用于同一平面的土骨架上，也稱粒間應(yīng)力；——孔隙水壓力，作用于同一平面的孔隙水上。上式即為飽和土有效應(yīng)力原理的表達(dá)式。抽取地下水引起的土層壓縮變形反映在土層孔隙的變化，因而，根據(jù)土力學(xué)原理，由土層孔隙的變化，可以求得土層的壓縮變形量。依土的壓縮系數(shù)定義式中，負(fù)號代表隨著有效應(yīng)力的增量，孔隙比e逐漸減少，下面推導(dǎo)孔隙比e與土層變形的關(guān)系。設(shè)土體初始高度為S0，變形后高度為S，土層壓縮變形，上圖表示了土層高度、孔隙比、土粒體積和孔隙體積之間的關(guān)系，由于固體顆粒的體積Vs變化很小，通常假定不變，故有：從上式得出：用代替，有，則(1)根據(jù)定義式中：—土體垂向總應(yīng)力；—孔隙水壓力；假定保持不變，則而依水頭的定義假定水體重力密度γw保持不變，則或(2)即有效應(yīng)力的增加量可用水頭的減少量來表示。把（2）式代入（1）式有：(3)可見，當(dāng)水位降深相等時(shí)，即不變，土層的壓縮變形量與原始厚度、初始孔隙比和土層壓縮系數(shù)有關(guān)。依定義土體的側(cè)限壓縮模量，所以土層的壓縮變形量，與水位降深、壓縮模量和土層的初始厚度有關(guān)。若共有N層土層，則總的沉降量為：式中：ξ——為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。(2)太沙基固結(jié)理論1925年太沙基建立單項(xiàng)固結(jié)基本微分方程，并獲得了一定初始條件和邊界條件下的解析解。①單層土的太沙基固結(jié)解利用單元土體的體積壓縮變化量和表面流量的關(guān)系可得：其中，體積應(yīng)變，單位面積流量。并由達(dá)西定律得：其中，為滲透系數(shù)，水容重，孔隙水壓力。又因?yàn)榭倯?yīng)力不隨時(shí)間變化，故彈性土體單向壓縮時(shí)，有：其中，體積應(yīng)變，壓縮模量。從而得太沙基單項(xiàng)固結(jié)的基本方程：其中，為固結(jié)系數(shù)單項(xiàng)固結(jié)的初始條件和邊界條件(單面排水)為：，用分離變量法得到太沙基固結(jié)方程的理論解為：其中，，為時(shí)間因素。若壓縮層內(nèi)孔隙水均勻分布則：對于彈性土體，反映孔隙水壓力消散程度的指標(biāo)為固結(jié)度應(yīng)等于變形比：其中，為最終沉降量。②分層土體的太沙基解考慮多層土體，厚度H，含土層n層，土層i的厚度，豎向滲透系數(shù)，壓縮模量均已知，包含單面排水和雙面排水兩種情況。并從理論上說，給定初始條件和邊界條件就可以運(yùn)用數(shù)學(xué)方法即可解出定解。SBhiffman在1970年曾就恒載作用下多層土體的一維固結(jié)問題進(jìn)行了分析?？紤]變荷載作用下分層土體的固結(jié)微分方程為：方程的求解條件：同時(shí)，與均質(zhì)地基的求解不同，多層地基的求解條件要考慮各個(gè)土層層與層交界面的連續(xù)性條件：即在分界面上的一點(diǎn)的孔壓相對于分界面上下兩層土是相同的，流量也是相同的。滿足方程一切求解條件的解為：進(jìn)而，通過求解超越方程等形式將式中有關(guān)參數(shù)求解，可得變荷載作用下分層土體的固結(jié)微分方程的理論解。求得各個(gè)點(diǎn)的孔壓值后，便可以繼續(xù)求得各層土的平均固結(jié)度：相對于整個(gè)分層土體而言，按孔壓定義的平均固結(jié)度：4.5.2. 減壓降水引起的地面沉降預(yù)測由于基坑地下結(jié)構(gòu)施工采用順作法，根據(jù)建立的沉降預(yù)測模型，本基坑工程降水運(yùn)行完成后，降水引起的坑外環(huán)境地面累積沉降等值線圖見下圖。圖4.5-1降水井運(yùn)行60天引起的累積地面沉降預(yù)測分布圖從上圖可以看出，在基坑減壓降水運(yùn)60天后，坑外沉降約1.1mm~3.1mm。后期降水運(yùn)行中，建議對坑內(nèi)外觀測井水位進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測，嚴(yán)格控制減壓運(yùn)行的時(shí)間與開啟的數(shù)量，遵循“按需降水”原則，以減小減壓降水對周邊環(huán)境的不利影響。上述沉降值為降水引起的沉降理論預(yù)估值，實(shí)際環(huán)境變形由開挖后墻體變形、坑底隆起、降水、墻體滲漏等共同形成，應(yīng)綜合考慮這些因素。基坑暴露期間應(yīng)密切監(jiān)測周邊環(huán)境變形，以實(shí)測值為準(zhǔn)。4.5.3. 減壓降水引起的地面沉降控制措施（1）臨近建筑物和地下管線的減壓井抽水時(shí)間應(yīng)盡量縮短，按需降水。（2）采用信息化施工，建議對坑內(nèi)外觀測井水位進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整抽水井?dāng)?shù)量及抽水流量，進(jìn)行按需降水。（3）環(huán)境監(jiān)測資料應(yīng)及時(shí)報(bào)送降水項(xiàng)目部，以繪制相關(guān)的圖表、曲線，調(diào)控降水運(yùn)行程序，確保基坑開挖安全和環(huán)境安全。（4）在降水井群施工完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行試運(yùn)行，詳細(xì)制定降壓降水的運(yùn)行方案。（5）在降水運(yùn)行過程中隨開挖深度逐步降低承壓水頭，根據(jù)試運(yùn)行得到的結(jié)果，按開挖深度確定井群的運(yùn)行。在控制承壓水頭足以滿足基坑穩(wěn)定性