李立偉，劉景蘭

（天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所，天津 300170）

0 引言

地面沉降是天津平原區(qū)最為主要的地質(zhì)災(zāi)害。傳統(tǒng)認(rèn)為，本區(qū)引發(fā)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的主要因素是超量抽取深層地下水資源。近年來(lái)分層標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在深層地下水控制開(kāi)采區(qū)，如市內(nèi)六區(qū)及塘沽城區(qū)，由于基坑工程疏干抽排淺層地下水引發(fā)的地面沉降則成為總沉降量的重要組成部分。

鑒于此，2014年1月3日，天津市政府以“天津市人民政府令第5號(hào)”通過(guò)《天津市控制地面沉降管理辦法》，要求施工基坑開(kāi)挖深度超過(guò)5 m，且需要疏干抽排地下水的建設(shè)項(xiàng)目在抽排地下水之前進(jìn)行水資源論證工作，并根據(jù)論證結(jié)果制定地面沉降防治措施。

本文以天津市河北區(qū)某項(xiàng)目為例，對(duì)基坑工程疏干抽排地下水水資源論證工作的方法、內(nèi)容、流程等進(jìn)行探討。

1 工程概況

工程位于天津市河北區(qū)三條路圍成的三角地塊，擬建物為高層住宅10棟，3～4層配套建筑2棟及3層附屬建筑1棟，場(chǎng)地整體分布2層地下室，基坑開(kāi)挖深度為11.0 m～12.2 m。

基坑支護(hù)采用鉆孔灌注樁支護(hù)，其中場(chǎng)地西側(cè)，鉆孔灌注樁有效樁長(zhǎng)21.5 m，共計(jì)156根；場(chǎng)地北側(cè)和西南側(cè)有效樁長(zhǎng)19.5 m，共計(jì)187根；南側(cè)有效樁長(zhǎng)20.5m，共計(jì)218根；東側(cè)有效樁長(zhǎng)17.5 m，共計(jì)194根。

場(chǎng)地東側(cè)主要用三軸水泥攪拌樁，有效樁長(zhǎng)30.0 m，共計(jì)230組；其他部分采用TRD水泥土連續(xù)墻。

基坑內(nèi)疏干井采用無(wú)砂管井和鋼管井間隔設(shè)置，共布置疏干井134口，潛水觀測(cè)井13口?？觾?nèi)降水疏干井井管采用直徑500 mm無(wú)砂管及273 mm鋼管井；坑外潛水觀測(cè)井井管采用直徑500 mm無(wú)砂管，管底封閉。

場(chǎng)地內(nèi)45 m以上范圍內(nèi)，地基土主要由一個(gè)潛水含水層和兩個(gè)微承壓含水層組成。

（1）潛水含水層

主要為①1雜填土、④2粉土、⑥3粉土層、⑥4粉質(zhì)粘土層，其下⑦粉質(zhì)粘土、⑧1粉質(zhì)粘土作為相對(duì)隔水層。由大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式排泄為主，同時(shí)向下部越流排泄。水位受微地形、地貌影響較大，穩(wěn)定地下水位一般埋深約1.40 m～2.50 m，地下水位年平均變幅為0.60 m～0.80 m。

（2）微承壓含水層

2 取用水合理性分析

該項(xiàng)目基坑疏干抽排水工程屬于城市建設(shè)項(xiàng)目，基坑的支護(hù)、止水及抽排水方案符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的要求。建設(shè)單位采取止水措施有效阻斷地下水含水層并對(duì)疏干水進(jìn)行回收利用，符合節(jié)約、循環(huán)利用、有效利用水資源的相關(guān)政策。

建設(shè)單位采取止水措施有效阻斷地下水含水層并對(duì)疏干水進(jìn)行回收利用，符合節(jié)約、循環(huán)利用、有效利用水資源的相關(guān)政策。工藝技術(shù)采取合理，可有效減輕抽排地下水對(duì)地質(zhì)環(huán)境和水資源的影響。

2.1 合理抽排水量計(jì)算

根據(jù)天津市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑降水工程技術(shù)規(guī)程》，基坑止水帷幕截?cái)嘟邓康暮畬拥姆忾]式疏干降水，基坑降水出水量應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:QW為基坑疏干降水總出水量，m3；Q1為坑內(nèi)疏干層范圍內(nèi)的出水量，m3；Q2為下覆未截?cái)嗟某袎簩酉蚩觾?nèi)的越流涌水量，m3；Δhi為 i土層中水位變化（降深）值，m；Δh2為坑內(nèi)降水設(shè)計(jì)的目的水位與越流承壓層水頭的水頭差為坑內(nèi)降水設(shè)計(jì)的目的水位與越流承壓層頂間土層的等效垂直滲透系數(shù)，m/d；A 為基坑降水面積，m2；μi為 i土層給水度；i為基坑最大降水深度范圍內(nèi)所包含的土層數(shù)；m為坑內(nèi)降水設(shè)計(jì)的目的水位

與越流承壓層頂間土層的厚度，m；T為降水時(shí)間，d。

本基坑面積大約39500 m2，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

經(jīng)計(jì)算:Q1=19295.8m3，Q2=13082.8m3，QW=Q1+Q2=32378.6m3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本工程抽排水量為32378.6 m3。

表1 計(jì)算參數(shù)取值

2.2 工程水量估算

（1）潛水含水層水量計(jì)算

在潛水含水層中，儲(chǔ)存量的變化主要反映為水體積的改變，稱(chēng)為體（容）積儲(chǔ)存量，可用下式計(jì)算:

式中:W為地下水的儲(chǔ)存量，m3；μd為含水層的給水度，取厚度加權(quán)平均值0.046；F為潛水含水層的面積，m2，論證范圍內(nèi)面積約72400 m2；h為潛水含水層的厚度，m。

經(jīng)計(jì)算，W=44960 m3。

（2）承壓含水層水量計(jì)算

本工程主要涉及的承壓水為⑧2層承壓水，故對(duì)論證范圍⑧2層承壓水水量進(jìn)行估算?？砂聪率接?jì)算（由于是疏干工程，因此忽略彈性釋水量）:

⑧2承壓含水層:

式中:W為承壓水的儲(chǔ)存量，m3；μ為給水度，此處取0.05；F為承壓含水層的面積，m2；h為承壓含水層厚度，m。

經(jīng)計(jì)算，W=7240 m3。

綜上，論證范圍水資源量估算為52200 m3。

3 取水影響論證

3.1 計(jì)算方法

用地下水三維滲流與地面沉降耦合模型計(jì)算軟件Processing Modflow建立地下水—地面沉降耦合模型，預(yù)測(cè)在基坑降水的條件下的地面沉降量及地下水位變化。

3.2 對(duì)周邊地下水水位影響分析

（1）數(shù)值模擬

根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)的實(shí)際地質(zhì)及水文地質(zhì)特點(diǎn)，計(jì)算區(qū)域上下邊界為隔水邊界，四周水平側(cè)向外邊界為定水頭邊界。外邊界的初始水位由各層含水層的初始流場(chǎng)獲得。內(nèi)邊界條件根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。

依據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，結(jié)合基坑結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)要求及抽水井、止水帷幕的深度等條件，垂向上由上向下將潛水含水層、承壓含水層及其之間的土層總共分成10層，地面標(biāo)高統(tǒng)一按照2.05 m考慮，垂向上整個(gè)地層厚度為35.0 m，見(jiàn)表2。

表2 基坑地層剖面與模型垂向分層對(duì)應(yīng)表

整個(gè)區(qū)域呈長(zhǎng)方形，根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，遵循邊緣單元稀、基坑中心單元密的原則，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行三維剖分。將整個(gè)計(jì)算區(qū)域在平面上剖分成114×96的矩形網(wǎng)格單元，垂向上依據(jù)上述分成的10層剖分，每層的網(wǎng)格單元總數(shù)為10944個(gè)，共計(jì)109440個(gè)計(jì)算單元格。

為提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，抽水時(shí)間計(jì)劃工期為210天，將整個(gè)過(guò)程分為10個(gè)應(yīng)力期，每個(gè)應(yīng)力期根據(jù)施工實(shí)際情況設(shè)置不同開(kāi)啟的井?dāng)?shù)，各個(gè)應(yīng)力期分為15個(gè)步長(zhǎng)。

根據(jù)研究區(qū)周邊已有研究成果以及本項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告，確定參與計(jì)算的模型參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 分層水文地質(zhì)參數(shù)一覽表

（2）對(duì)周邊地下水位的影響

由模擬結(jié)果可見(jiàn)，抽水持續(xù)210天，基坑周邊半徑約30 m內(nèi)地下潛水水位降幅在0.20 m～0.40 m之間，且隨著距離止水帷幕越遠(yuǎn)，水位下降越小。由于采取有效阻擋含水層的隔水帷幕，因此切斷所抽取地下水與基坑外地下水的水力聯(lián)系。但是考慮到止水帷幕底部產(chǎn)生越流補(bǔ)給，因此本次開(kāi)始抽排地下水后對(duì)周邊地下水位產(chǎn)生一定的影響。

（3）對(duì)周邊地面沉降影響分析

利用Modflow中三維滲流與地面沉降耦合模塊，計(jì)算抽排水產(chǎn)生的地面沉降。從開(kāi)挖對(duì)潛水含水層進(jìn)行降水，降水運(yùn)行至210天時(shí)，得到由于抽取地下水引起的周邊地面的累計(jì)沉降量等值線(xiàn)圖。

基坑論證范圍內(nèi)疏干抽排地下水引發(fā)坑外地面沉降量在1.00 mm～5.00 mm之間，分析水位降深和地面沉降趨勢(shì)，越靠近基坑，水位降深越大，地面沉降也越大。加之周邊環(huán)境復(fù)雜，已有建筑較多，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)周邊建筑物和道路的沉降觀測(cè)，降低由于降水引起的地面不均勻沉降對(duì)基坑周邊建筑物的影響。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)天津市某項(xiàng)目采用水資源論證法分析基坑疏干抽排地下水工程的合理抽排量，得出該工程抽排水量為32378.6 m3，論證范圍水資源估算為52200 m3。

2）基于Modflow軟件，分析該基坑工程疏干抽排地下水對(duì)周邊地下水位及地面沉降的影響，得出抽排地下水后對(duì)周邊地下水位會(huì)產(chǎn)生一定的影響，且越靠近基坑，水位降深越大，地面沉降也越大。

4.2 建議

1）天津市基坑開(kāi)挖深度超過(guò)5 m且需要疏干抽排地下水的建設(shè)項(xiàng)目在抽排地下水之前須進(jìn)行水資源論證工作，并根據(jù)論證結(jié)果制定地面沉降防治措施。

2）論證工作應(yīng)在查明場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件及巖土體水文地質(zhì)參數(shù)的前提下進(jìn)行。

3）論證工作應(yīng)對(duì)取水合理性進(jìn)行分析，包括疏干抽排水量、涉及層位的地下水資源量。

4）論證工作應(yīng)當(dāng)對(duì)疏干抽排地下水對(duì)地下水位和地面沉降的影響進(jìn)行分析計(jì)算，宜在建立水文地質(zhì)概念模型、數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值法進(jìn)行計(jì)算論證。