基坑疏干抽排地下水水资源论证——以天津市会展调蓄池一工程为例

潘海平,王江滨,石 棚

(中研地科(天津)科技发展有限公司,天津 300210)

0 引言

为促进水资源的优化配置和可持续利用,保障建设项目的合理用水要求,贯彻落实习近平总书记提出的“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的方针治水思路”,推动水资源节约、水资源保护,并且加强对水资源开发利用的管理,实现流域水资源合理开发、优化配置、高效利用、有效保护以达到水资源可持续利用,在开发地下水资源的同时尽量减少地面沉降,水资源论证可以为水资源行政管理主管部门进行水资源管理提供科学依据[1]。

天津市会展调蓄池一工程项目水资源论证在收集建设项目支护、止水、疏干抽排地下水方案的基础上,合理确定水资源论证范围,开展水资源地质条件、抽排水合理性、取水影响、退水影响及地面沉降防治的分析论证,合理提出科学有效的水资源论证结果及建议,为水资源管理工作及有效控制地面沉降提供依据。

1 项目概况

会展调蓄池一工程项目由天津海河金岸投资建设开发有限公司投资建设。该地块位于天津市津南区规划国顺路与规划润沽道交口东南角公园绿地内(图1)。中心地理坐标:北纬N39° 1′5.60″,东经E117°22′59.37″。项目新建雨水调蓄池一座,总占地面积3 664 m2。调蓄池设置于地下,平面尺寸72.4 m×30.4 m,平面面积约2 200 m2,容积为16 000 m3;地上新建管理用房一座,建筑面积为150 m2。本次论证工程基坑开挖面积约为2 628.16 m2,基坑为矩形,长76.4 m,宽34.4 m,周长约为221.6 m。现状地面大沽标高为0.30 m,基坑放坡深度4.8 m,放坡平面尺寸长112.6 m,宽70.6 m,基坑坑口大沽标高为-4.5 m;基坑开挖深度普遍区域为13.25 m,坑底大沽标高为-12.95 m;泵房局部深坑挖深为15.95 m,坑底大沽标高为-15.65 m。项目止水帷幕设置在放坡之下的基坑边缘,止水帷幕包围面积约为2 981 m2,止水帷幕周长约234 m。

图1 建设项目位置图

2 论证等级及范围

2.1 论证等级

参照相关分级指标(表1),项目疏干抽排地下水最大日抽排水量小于1 000 m3,属于三级;基坑开挖深度13.25～15.95 m,属于二级;基坑止水帷幕嵌入上更新统第四组滨海潮汐带沉积层粉质粘土层中,阻断潜水含水层及第一承压含水层水平联系,但降水涉及承压水,属于二级;基坑放坡区域降水未阻断潜水含水层,属于二级;降水工程所影响到的承压含水层为双层结构,属于二级;工程不考虑水源回灌,属于三级。综上所述,确定本基坑疏干抽排地下水论证分类等级为二级。

表1 疏干抽排地下水建设项目水资源论证分类分级指标

2.2 论证范围

建设项目水资源分析范围的确定应“以与建设项目取用水有直接影响的区域为准,统筹考虑流域与行政区相结合,并以行政区为宜”。项目位于天津市津南区,天津市区域地下水资源评价和区域开发利用规划均以区(县)为单位的行政区进行。因此,分析范围为天津市津南区,面积约387.84 km2(图1)。

论证范围为止水帷幕边界外扩基坑开挖深度的10倍区域。本项目基坑挖深13.25～15.95 m,按不利因素考虑,基坑挖深取15.95 m,则边界向四周外扩159.5 m,论证面积为172 282 m2。疏干抽排水影响范围与论证范围相同。本项目在基坑东侧设计1个三级沉淀池,抽排水经沉淀池处理后,少部分用于场地内道路临时降尘洒水和车辆泥土冲洗,剩余部分排入项目东侧国展大道市政雨水管网入口。退水范围包括基坑范围、排水管线、沉淀池、退水口位置,退水影响面积为15 438 m3(图2)。

图2 建设项目论证范围及

3 水资源论证

3.1 水文工程地质条件

建设项目位于华北平原北部,属冲积、海积低平原地貌,地貌单一。本次论证以埋深50 m以浅的地层为研究对象,地基土按岩石力学性质大致可划分为13个亚层(表2)。该深度内地层主要补给为大气降水,以蒸发为主要排泄方式,属于浅层地下水系统(图3)。结合水文地质特征可划分为潜水含水层、相对隔水层、第一承压含水层、相对隔水层、第二承压含水层(表2)。

表2 岩性分层一览表

图3 建设项目场地水文地质剖面图

3.2 抽排水合理性

3.2.1 疏干、降水设计

基坑采用大口井+碎石盲沟排水系统。基坑内布置18口疏干降水井,井深21 m;基坑外布置58口疏干降水井兼观测井,仅用于-4.50 m以上放坡区域的地下水降排,井深10 m;承压观测井布置6口,井深28 m,兼具备用减压井功能(图4)。降水井均采用无砂混凝土井管。在基坑开挖至坑底标高时,在基坑内部和四周布置碎石盲沟排水系统。基坑降水工期98 d。包括正常的预降水时间、土方开挖、地下室结构施工、主体施工等(表3)。根据开启井数和抽水量大小,将整个降水时间划分为4个时间段。

表3 降水时间安排表

图4 基坑降水井及观测井布置示意图

3.2.2 基坑疏干抽排水水量估算

本次基坑工程止水帷幕完全阻断降水目的含水层,因此基坑抽排水量包括:(1)基坑内疏干层出水量;(2)基坑内第一承压含水层出水量;(3)基坑内下卧未截断的第二承压含水层向坑内的越流量;(4)基坑外放坡区域疏干降水量。

依据相关技术标准,基坑内疏干层出水量估算公式为:

(1)

式中,Q为坑内疏干层范围内的出水量(m3);Δhi为i土层中水位变化(降深)值(m);A为基坑止水帷幕圈闭面积(m2);μi为i土层给水度(表4);i为基坑最大降水深度范围内所包含的土层数。

综上,计算基坑内疏干层出水量,Q疏干=2 981×0.394 37=1 176 m3。其余水量估算过程皆类似于基坑内疏干层出水量方法,经过计算该项目基坑抽排地下水总量为3 689 m3,其中基坑内疏干水量为1 176 m3,减压降水出水量为388 m3,越流量为271 m3,平均每天越流量约为2.765 m3/d,放坡区域疏干水量为1 854 m3。基坑越流量取最大值,即单位时间内越流量取最大水头差时的值。

3.2.3 论证范围水量估算

论证范围可出水总量包括潜水含水层出水量和承压含水层出水量。本次对范围内基坑降水涉及的第一承压含水层水量和第二承压含水层已揭露部分水量进行估算。承压含水层水量计算分为两部分,一部分为重力释水,一部分主要是弹性释水。

通过相关规范估算得出,基坑论证范围内可出水总量约381 396 m3,其中潜水含水层可出水量为67 943 m3,承压含水层可出水量为313 453 m3。

综上,本次基坑降水抽排的水量占论证范围内的可出水资源量比重较小,项目建设对水资源影响可控,因此该基坑抽排水量基本合理。基坑降水施工过程中应尽量按需降水,减少抽排水量,减少基坑抽排水对周边环境的影响。

3.3 取水影响

本次采用Visual Modflow软件对该基坑建立有效模型(图5),预测在基坑降水的条件下的地面沉降量及地下水位变化[2]。模型将地层岩性概化为潜水含水层、相对隔水层、第一承压含水层、相对隔水层、第二承压含水层(表2),按照初步设计的降水与观测井位置进行模拟预测(图4)。共划分为4个应力期,模拟时间为项目工期即98 d。

图5 模型网格剖分立体图

3.3.1 对周边地下水水位影响

本次观测井设置于基坑止水帷幕2 m处,基坑预降水14 d,观测孔中水位降深达到5.45 m,大沽高程-5.5 m,达到放坡深度下1 m,放坡施工结束后采用明渠沟+集水井排水,故基坑外的降水井停抽,水位有所回升,基坑内的降水井保持降水稳定水位。基坑抽排水98 d时,基坑放坡区域外水位降深在0～0.25 m之间,紧邻基坑位置降深大,向外侧降深逐渐减小(图6)。

图6 基坑降水98d周边地下水水位降深等值线图

3.3.2 对周边地面沉降的影响

根据模型预测,基坑抽排水98 d时由降水引起的最大地面沉降量约为7.0 mm;基坑外地面沉降在0.00～7.0 mm之间,最大沉降区紧邻基坑边界(图7)。综上,本项目取水对水位及地面沉降影响较小,取水方案合理有效。

图7 基坑降水98d周边地区地面沉降等值线图(单位:mm)

3.4 退水影响

3.4.1 退水系统及组成

基坑降排水系统由碎石盲沟与降水井组成。基坑东侧设置一个三级沉淀池,沉淀池尺寸为一级沉淀池:长×宽×深=2 m×1 m×2 m,二级沉淀池:长×宽×深=2 m×1 m×2 m,三级沉淀池:长×宽×深=2 m×2 m×2 m。降水井抽出的地下水经四周排水管线进入沉淀池进行沉淀后,部分用于现场道路临时降尘洒水和车辆冲洗用水,剩余部分排至项目东侧国展大道市政雨水管网入口。

3.4.2 影响分析

本项目基坑水为地下水,基坑抽排水无二次污染,不会对周边环境造成影响。基坑退水为Cl·SO4-Na·Ca型水,抽排水量相对较小,不会改变周围水体物理、化学和生物指标及特性,不影响水体正常使用功能,并未构成水生态系统渐变与突变,对水功能区影响不大[3-4]。本次基坑降水产生的退水经沉淀池沉淀处理后短时间内排入指定的市政管网。不会对第三方产生负面影响。

基坑东侧设置一个三级沉淀池,退水经四周排水管线进入沉淀池进行沉淀后,部分用于现场道路临时降尘洒水和车辆冲洗用水,剩余部分排至国展大道市政雨水管网。沉淀池位置紧邻进出工程场地主出入口便于退水的回收利用,在国展大道靠设置一个退水口,其市政雨水管网容纳能力可满足退水量需求,本次实际排水过程中不会对其正常使用造成影响,退水口位置兼顾项目基坑排水管线和沉淀池位置,退水口设置合理(图2)。

3.5 地面沉降防治

3.5.1 监测措施

根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2019)要求,在基坑开挖施工过程中,对基坑及周围环境的变形情况进行跟踪监测,所取得的数据能可靠地反映开挖及施工所造成的影响。本次地面沉降监测项目包括周边地表竖向位移监测、基坑外地下水位观测及基坑内外巡视检查(表5)。

表5 基坑监测期划分

3.5.2 抽水控制措施

(1)工期控制措施:本项目降水时间共计98天,在施工过程中采取严格控制降水措施,基坑开挖过程中参考降水时间节点设计,根据现场实际情况及水位情况及时停封降水井,完成相应工作。降水施工过程中在满足基坑抗浮稳定性要求的前提下逐步封井,尽量缩短施工时间,减小基坑出水量。

(2)基坑开挖措施:基坑开挖采用分层分期开挖措施以求达到节水目的。

(3)地下水的回收利用措施:基坑开挖及其他施工过程中,抽排的地下水部分用于扫路面和降尘,剩余部分经过滤沉淀后排入了指定市政雨水管网,符合节约用水相关要求。

4 结语

(1)项目基坑抽排地下水总量为3 689 m3,基坑论证范围内可出水总量约381 396 m3,本次基坑降水抽排的水量占论证范围内的可出水资源量比重较小,项目建设对水资源影响可控。

(2)项目建设退水主要为地下浅层水,为天然水,工程建设未对其造成二次污染,抽取的地下水经沉淀处理后在施工期间用于场地路面降尘、车辆冲洗等,剩余部分排入指定的市政管道下水口。地下水回收利用方案经济合理、具备实施条件,退水经过沉淀处理且未经二次污染,对周围环境不会造成影响。

(3)在基坑开挖施工过程中,对基坑及周围环境的变形情况进行跟踪监测,有效防治地面沉降的发生。