西江某水泵站基坑设计实例分析

雍 刚

(广东宇源水利发展有限公司，广东 梅州 514000)

广东西江由海相冲积粉土非常大范围的分布散落于其沿岸，海相的冲积粉土有着非常复杂多变的物理力学特性，对沿岸周边场区的工程建筑有着复杂的影响，其物理力学性质是在黏性土和无黏性土中间[1]。在西江边施工基坑工程，往往由于西江沿岸的地下水水位高，同时地下水由于与西江的河水水利联系广泛复杂，两者间的有着充分补给，与此同时，这种海相冲击的粉土往往夹杂砂砾，所以抗渗能力较差，其渗透的稳定性比较低[2]。在基坑开挖过程中往往会导致坑内土体的流失，容易出现管涌、流砂等现象，导致开挖中基坑的变形超过允许范围或者周边地面的不均匀超出合理的沉降[3]。除此之外，在对靠近西江的深基坑工程总结中，止水帷幕的施工选择通常至关重要，很多案例显示在江边会发生严重的支部变形过大或者地下水渗漏由于帷幕的施工质量差或者设计不合理导致。

本泵站基坑工程位于广佛西江边，基坑范围和规模大，普挖近9m，属于深基坑。场区的地层中覆盖含深厚的粉砂土层，地层岩性与周边的水文地质情况分布特殊，地下水水位较浅，水利联系非常复杂，水量较大。所以需要设计采用一定的降水方案来确保泵站工程的施工在开挖在过程中应保持对坑内进行降水疏干，本文对此基坑设计和施工遇到的问题如变形控制和突涌进行了分析研究总结，对降水井的改进补充进行了分析，非常具有一定的实际意义和理论研究价值具，也为滨江地区的泵站厂房基坑工程的设计和施工提供一定的借鉴价值。

1 工程概况

本工程位于佛山市南海区西江边，属于取水兼顾排涝的水泵工程。工程在西江周边的浦江支流开挖建设一个敞开式的临河非对称式的基坑，为了合理布置泵站和旁边既有排涝泵站的需要，如图1所示，基坑的最大深度达9m。基坑周边的现有河道位于基坑东侧，也仍然为非常重要的排涝河道。此河道将担当重要的泄洪功能，在基坑施工期间如果遇到极端天气导致特大洪灾根据工程的施工导流方案，届时过流将淹没过基坑。

拟建工程的四周有着相对复杂的环境状况，旁边早先有3座建设时间较为长远的水利工程，分别是1座泵站和2座水闸。其均没有做桩基础。除此之外，该项目工程在作为取水工程外兼顾为周边的排涝应急工程。施工工期仅不足5个月，时间较短。

2 工程地质和水文地质条件

2.1 工程地质条件

根据岩土工程勘察成果显示，在该泵站的基坑开挖影响范围内的地下地层按其分布成果和力学特性可作如下。

杂填土：主要以粉质黏土和含泥碎石块为主，层厚范围1.0～3.2m；淤泥质粉质黏土：主要为淤泥和淤泥质粉质黏土为主，夹杂粉土，分布层厚度为1.5～2.5m；黏质粉土：主要成分是黏质粉土，层厚2～4.5m；砂质粉土：主要是以砂质粉土，土质的密实度松散至密，压缩性偏中等，层厚1.8.～5m。各层土的指标和物理力学特性见表1。

表1 土层物理力学特性指标

2.2 水文地质条件

泵站分布地区的周边地势开阔平摊，地面标高范围6～8m。场区内主要分布了微透水和透水的粉黏土，部分夹砂，地层的透水性较差、保水性也一般。在实际测量的钻孔里面潜水位埋深2.5～3.5m，承压水头-4～-5m，孔隙性潜水和孔隙性承压水为地下水的主要类型。主要的沉积相的土层为第四系杂填土、粉土、粉黏土、黏性土、粉黏土夹砂等，土层为沉积堆积泵房区域地层的水文地质特性见表2。

泵站基坑的底板处于夹砂层与粉质黏土之间，因为上部为无黏性土覆盖层，开挖可能会击穿不透水层。在开挖时可能上部覆盖层重量会被下部含砂层承压水产生的顶托力超过，所以开挖会存在一定的突涌风险。

表2 场区土层渗透系数表 单位：cm/s

3 基坑围护方案设计

3.1 工程特点

(1)基坑周边地质条件复杂，周边场地狭窄，又有既有泵站和现有河道的影响。属于深基坑，必须设计合理的支护体系方案，确保施工安全。

(2)基坑靠近西江，场地内地下水位高，地基土的抗渗能力弱，地层的渗透系数较小，由于含有透镜体状的粉砂或夹有薄层的部分土层的存在，其透水能力得到了加强。

(3)此基坑的施工工期非常短，所以土方开挖的速度必须要快。

(4)工区分布有碎石块状土在表层，地基上部还含有淤泥质粉质黏土，土体整体性质相对较差，不利于桩基的施工。

(5)在开挖基坑底部土方时，靠近西江侧的基坑内壁先有少量涌水，在初始阶段涌水量非常小，后面其涌水量逐渐加大。

3.2 围护结构设计

围护结构使用单排直径80mm间距100mm的钻孔灌注桩。西江边地下水水利联系丰富，部分土层渗透系数较高，周边设置了双排止水帷幕，帷幕打到坑底5m以下，止水帷幕使用直径70mm间距50mm双轴搅拌桩。基坑围护体系的剖面图如图2所示。

由于基坑较深，布置2排水平支撑。第一道支撑使用了C25的钢筋混凝土支撑，规格为60×80cm，第二道支撑使用钢管支撑来做内撑，其直径为60cm。根据工程的现场情况，基坑在靠近既有河道一侧为开敞不设支撑和围护桩，所以在其远河一侧设置了斜撑来受力。除此之外，基坑的内侧3m设置了搅拌桩加固来控制开挖中基坑底部软黏土的变形。基坑内外设置了疏干井自流深井。

图2 基坑典型围护断面图(高程单位：m，尺寸单位：cm)

3.3 降水方案选择和设计

基坑降水方案大体上归为两类，一种是重力降水；另一种是强制降水。前者的原理即明排，后者则是井点法。具体可以根据地层的岩性、渗透性、目标水位降深等特点来选用合理的降水方法[4]。

基坑普挖深度达9m，开挖面地面高程8～9m，基坑底高程-0.9～1.2m。在开挖时地下水水位必须降至基础底板以下1m，因此设计水位的降深为10.6m，有着较高的降水施工的要求，所以选取井点降水法，含砂层为此基坑井管滤水管所处的位置，渗透系数为9.26×10-3cm/s。井管布置范围为矩形，长为100m、宽约90m。

计算井点管埋深的公式：

H≥H1+h+iL=9.39+1+40×0.1=14.39(m)

式中，H1—按设计为9.39m，即从基坑底面到井点管埋置面的距离；h—基底至降低后的地下水位线距离，取1m；i—水力坡降，环形井点布置取1/10；L—井点管至基坑中心点水平距离，40m。管井设计的长度不含滤管段16m，滤管长4m。

因为地基土的内部各向异性比较大，且地下水在土壤孔隙中由于其分布不均匀其运流状态也非常复杂多变，通常会使用简化模型的方法来计算基坑的涌水量[5]。通常假设含水层为各向同性且均质水平的，以裘布依理论为基础，水流状态为径向流运动且轴对称满足达西定律[6]。水位会下降到0在距井轴一定距离下。则承压井涌水量微分方程为：

Q=K·2πrMdy/dx

(1)

对于质含水层的承压非完整井，则对(1)式分离变量并积分后得：

(2)

4 基坑变形及监测降水井观测分析

4.1 变形监测

在对基坑坑底土方进行开挖时，在基坑的靠近西江侧坑底先出现了涌水。开始阶段涌水量比较小，逐渐增大基坑的其排水量还是比较可控的。在继续清理坑底土方施工时，逐渐在基坑底部出现了多处的涌水点，同时涌水量也逐渐增大。

通过布置在近西江侧的监测点显示，随着基坑涌水量增大后，基坑旁边的位移和变形也显著增大。在基坑涌水期间的位移监测点的变化情况如图3所示。可以看到图3上，从20开始灌水后，后面的变形逐渐得到控制，有些许反弹向外，基坑的变形受基坑涌水影响较大，也说明了在抢险应急中灌水对突水有大作用。

图3 监测点基坑变形曲线

4.2 涌水分析及应急方案

前期涌水方案主要是及时暂停基坑的施工在其变形和涌水超过警戒设计值后。首先应解决涌水，研究发现主要产生较大变形的原因是被动区土体的流失在发生涌水时[7]。主要采取的相应举措包括多布置设置防渗帷幕、在基坑底部注浆、减小基坑内外侧的水头差等等[8]。由于项目周边存在既有河道，为分布敞开式，可以考虑迅速打开闸门，基坑内灌入河水，减少涌水量，快速降低基坑内外水头差，减小基坑由于涌水产生的变形。

分析其原因主要有以下：

(1)即便是室内土工试验发现基坑内主要的砂质粉土的渗透系数比较小，然而由于会夹有透镜体状粉砂或薄层在海相冲积粉土的部分土层夹杂，都增加了地层的透水能力。

(2)使用冲击钻施工时，有较多的块石存在于基坑顶部的杂填土里，扰动了粉土的结构，增大了粉土间的间距，同时也增大了坑内土的渗透能力。

(3)坑内的止水帷幕多使用了双轴搅拌桩来进行止水防渗，但是在搅拌桩桩间的存在比较多的连接接缝，同时考虑施工工法的问题，容易形成渗漏通道。

假使使用注浆加固、反压回填坑内土、增加布设防渗帷幕等举措在基坑涌水发生后，也会增加工程的施工工期，使得很难在汛期节点内完成工程建设目标。

本工程总结设计如下的应急方案：

(1)在基坑旁边增加设置新的降水管井，通过抽排降低，增大基坑周边的降水，来控制基坑内外两侧的水位。

(2)使用“挖、排、铺、平”的施工工序，用水下开挖的举措，在开挖至坑底剩余少量土方时，先用用长臂挖掘机，快速开挖到基坑设计的坑底标高处，然后快速实现基坑降水抽水，最后短时间内实现对底板面的铺平、垫层混凝土浇筑。

(3)在基坑不排水下，搭建平台使用平台法绑扎基坑底板处的钢筋，操作绑扎钢筋在平台上实施，并且将其整体沉放到基坑底部。清理基坑底部的浮泥和沉渣，混凝土浇筑泵房底板。

在浇筑完底板施工后，观察基坑的监测结果显示基坑变形已经逐渐稳定，能够继续进行后续工程的施工。

4.3 降水观测及分析

在对观测井也是第一口井进行施工，使用的潜水泵抽水量达40m2/h，功率为4kW，在经过了24h的观测后发现，抽水出水非常稳定，其他降水管井的施工也在后面接着逐步完成。在基坑开挖到4.70m高程时，此时基坑内出现渗水比较少，机械开挖能够正常进行。观测基坑内的水位高程在4.2m左右，相比在基坑的前进水池的高程3.61m仍旧高，存在安全隐患影响后期施工。通过具体分析研究此时降水的不正常现象，结合场地周边的地质环境和施工现状，发现主要存在以下问题：

(1)场地位于西江海积相平原的南部，滨河滨海地区。该地区为河流堆积和海相沉积的二元结构地貌，地层的各项异性渗透性差异很大，地下有复杂的土层结构，综合渗水量的计算结果受降水影响半径和渗透洗漱于基坑影响非常大并且敏感。往往使用现场抽水实验日对降水影响半径和渗透系数而比较精确和准确。所以必须要做现场抽水试验来选取合理的降水影响半径和合理的渗透系数来进行计算降水。

(2)基坑深部地层为含砂层，并且靠近西江，江水补充地下水，进而会增加基坑的渗水。并且施工期间降水较多，恰逢秋雨季，基坑的渗水必定会因为西江水的水位增长所影响。

(3)在开挖过程中由于现场综合因素导致部分管井的施工延滞靠后，没有快速实现封闭场地为降水片区，使得基坑部分的降水成效产生了一定影响。

综合考虑技术和工期分析，在基坑的前进水池靠近西江侧增加布设管径50mm，管长6m，间距1.5m的轻型井点进行降水。为满足施工要求，保证基坑开挖到设计标高，在运行后应将轻型井点的地下水位降低至-1.60m。

5 结语

通过广东西江平原南部某取水排涝泵站基坑设计和降水的抢险可以发现：即便是在弱透水层，应该注意考虑到透镜体状的粉砂和砂质粉土中薄层对地层渗透性的影响，可以通过基坑安排合理的抽排水试验。在地下水补给丰富区应该尽可能选择连续封闭的止水帷幕方案。使用回灌水基坑突发遭遇涌水比较紧急情况时有一定效果。但是在突水比较紧急严重，一时间难解决坑内的涌水情况下，应该考虑减少基坑的暴露。应该及时勘察探明基坑场区附近水体补排的情况，重点考虑基坑渗水受其他水体补充和排泄的影响。合理利用各种降水方式，可以多井结合布设抽水。