基坑工程降水引发的环境问题及对策

第 ２５ 卷 第 ４ 期 ２００７ 年 ８ 月
文章编号： １００４－ ３９１８（ ２００７） ０４－ ０６３０－ ０４
河南科学 ＨＥＮＡＮ ＳＣＩＥＮＣＥ
Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．４ Ａｕｇ． ２００７
基坑工程降水引发的环境问题及对策
蒋蒙宾
（华北水利水电学院，郑州 ４５００１１）
摘 要： 基坑工程开挖降水势必引起基坑周围土体内地下水位变化和应力场改变， 导致周围土体及建筑环境的变
１．４ 承压水水头下降带来的大面积地面下沉
国外墨西哥城及我国上海，在上世纪均有这方面的深刻教训，这里不再赘述 ．
１．５ 基坑产生管涌或突涌
管涌不仅对基坑安全带来麻烦，严重时也可能造成基坑外土体的流土，造成对周围建筑环境的危害 ．
１．６ 基坑开挖与降水产生变形的偶合导致的不均匀沉降
以往工程计算结果与实测结果的比较研究表明，地表下沉的范围及最大值位置与降水方法和土层情况
２００７ 年 ８ 月
蒋蒙宾： 基坑工程降水引发的环境问题及对策
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采用数学方法或系统分析方法，建立最优化数学模型，确定最优化数学模型中尚未确定的抽水井深、井 数，回灌井井深、井数等设计参数，通过验算确定最优化降水方案在选择基坑施工设计方案时，尽量选择降水 量较少的施工设计方案 ． 如，尽量选择使用止水帷幕的施工设计方案 ．
２）调查基坑周围重要建筑物、构造物和地下管线的分布情况，掌握它们对环境的要求，沉降的允许范围 等 ． 对工程资料作系统分析，提出采用回灌等措施保证基坑开挖的施工条件和安全，同时又满足周围环境 要求的降水最优化问题 ． 并采取必要的措施，控制建筑物沉降，特别是不均匀沉降的产生 ．
３）为了保护环境、节约水资源，要尽量采用保护和利用地下水的支护结构和工程桩的施工工艺和施工方 法 ． 在实施降水工程的过程中进行降水监测和降水维护，对降水井和观测井的水位、水量、水质进行同步观 测，并符合有关的规定和要求 ．
４）在基坑边抽取地下水，同时在离基坑稍远处回灌抽取的地下水，在保持基坑内地下水位较低的情况 下，保持基坑外较高的地下水位 ．
５）施工中抽取的地下水的合理利用 ． 主要利用方向，一是本建筑施工中的利用，如建筑施工用水、养护 用水、场地除尘和清洗用水等；另一个是施工场地周边的绿化用水、市政用水以及其他用水 ． 另可考虑对其 进行过滤后进入城市中水系统，发挥更大的作用 ．
程中可根据具体土层结构及土层性状，综合确定 ! 的取值 ．
１．２ 渗流引起的渗流固结
根据太沙基试验结论，渗流不稳定区产生条件如下：
土的浮重度
$′%ｊ
其中：涌水压力
ｊ ＝ ｉ$ｗ ＝
ｈ′$ｗ ｈ′＋２ｈａ
，ｈ′为外侧水位至坑底标高处的距离 ．
插入深度
ｈａ ＝
ｋ$ｗ － ２
$′ｈ′． $′
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"ｎ
Ｓ＝
ｉ＝１
ａ（ｉ １－ ２） １＋ ｅ０ｉ
"
ｐｉ
"
ｈｉ
（３）
式中：Ｓ— 地面最终沉降量；ａ（ｉ １－２）— 各土层的压缩 系数；ｅ０ｉ — 各土层的初始孔隙比；" ｈｉ — 各土层厚度； "ｐｉ— 各土层因降水产生的附加应力 ．
公式（３）需要较多的土性参数，在实际工程中并不
是总能满足的，因此这一方法的应用受到限制 ．
图 ５ 建筑物产生变形 ｂ Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｂ－ｔｙｐｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ
２ 基坑降水带来的水资源浪费
以郑州市东部工程为例，一般 ５ ０００ ｍ２、１０ ｍ 左右的深基坑，水位降深 ６～８ ｍ，平均日出水量在 ６ ０００～ １０ ０００ ｍ３ 左右，降水时间一般长达半年至一年之久 ． 出水量可达 １００￣３００ 万 ｍ３．
６）尽快制定保护监测孔的制度或法规，加强工程环境影响监测，按有关规定建立时空监测系统，优化监 测网 ．
７）及时根据监测数据调整降水方案，直至在一定时期结束降水 ． 在降水工程结束后，尚需对周围建筑物 持续做一段时间沉降观测，至确认不会因基坑降水而产生的滞后地面沉降影响环境安全为止 ．
４ 结论与建议
１）基坑降水工程是一项复杂的系统工程，需要从整体与局部、整体与外部环境的相互联系、相互作用、相 互制约的关系中找出最佳的方案 ．
当然，也有人认为基坑降水降的是浅层水，抽掉了会再补给回来的，符合“物质不灭”． 这种观点，缺乏 对水资源的认知，很危险 ．
３ 对策
１）进行降水工程的优化设计，将环境变形控制设计与最少抽水量作为目标函数，进行优化设计 ． 在软土地区围护结构设计中已引入变形控制理论，即在围护结构满足传统稳定、安全等因素的前提下， 控制围护结构变形对周围环境的影响 ． 降水在满足工程施工和安全的前提下，应以降水引发周围环境的最 低要求为约束条件进行降水设计 ．
在降水期间，降水面以下的土层通常不可能产生明
显的固结沉降，而降水面至原地下水位面之间的土层因
排水固结，会在所增加的自重应力下产生较大的沉降，
地表沉降主要由这一部分沉降量构成 ． 在对郑州市一
些复合地基降水工程实例统计分析的基础上，本文建议
图 １ 降水引起的地基沉降计算模型
用公式（４）来估算降水引起的建筑物平均沉降，公式中 Ｆｉｇ．１ Ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ａｆｔｅｒ ｗａｔｅｒ ｌｏｗｅｒｉｎｇ
有关，同时也与基坑本身的变形密切关联 ． 当支护结构存在较大的墙后侧阻时，实测地表下沉最大值位置
较计算值离坑周远，在离基坑稍远处计算值与实测值比较吻合，这主要是由于围护结构附近的地表下沉，
受到围护结构与岩土界面的摩擦阻力的约束作用，从而使得坑周近地表土体下沉较小 ．
图 ４ 建筑物产生变形 ａ Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ａ－ｔｙｐｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ
在上述公式中，单井抽水试验的引用影响半径 Ｒｓ 可以根据库萨金公式及经验确定：
Ｒｓ＝ ２ Ｓｗ !Ｋ·Ｍ
（２）
式中：Ｋ— 含水层的透水系数（ｍ／ ｄ）；Ｍ— 含水层厚度（ｍ）． 根据郑州市工程经验，常采用半理论、半统计的方法研究地面沉降的预测方法 ． 从理论上讲，井点降水 在无大量细颗粒被水带走的情况下，周围地面所产生的沉降量可用分层总和法进行计算：
收稿日期： ２００７－ ０４－ １０ 基金项目： 河南省自然科学基金项目资助（０６１１０１０３００） 作者简介： 蒋蒙宾（１９６３－），女，河南郑州人，从事环境岩土工程技术研究 ．
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蒋蒙宾： 基坑工程降水引发的环境问题及对策
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根据裘布依（Ｄｕｐｕｉｔ）地下水二维稳定流运动公式［３］，可以得到：
２）对于基坑降水工程，首先应该满足工程施工和工程安全需要，同时降水还要满足周围环境的变形要求 ． 存在一定的风险，将环境因素综合考虑进行降水设计是工程界长期奋斗的目标与任务 ．
３）今后应加强降水对周围环境影响，特别是对水资源的合理利用的研究 ．
参考文献：
［１］ 赵志缙． 简明深基坑工程设计施工手册［Ｍ］． 北京：中国建筑工业出版社，２０００． ［２］ 苏 滔． 软土地区二元结构地层深基坑降低承压水技术和应用研究［Ｄ］． 武汉：武汉理工大学，２００２． ［３］ 袁开先． 水文地质学［Ｍ］． 北京：水利电力出版社，１９８７．
各符号的意义如图 １ 所示 ．
Ｓ ＝ !·" Ｐ#·" Ｈ$ ２Ｅ１－ ２
（４）
式中："Ｐ
—
降水产生的自重附加应力平均值，"
Ｐ
＝"
Ｈ·#ｗ ；"Ｈ —
平均降水深度，可以取
"Ｈ
＝
"Ｈ１ ＋" Ｈ２ ２
，
"Ｈｉ—来自降水深度，是降水面和原地下水面的深度差，ｉ ＝１，２；Ｅ１－
２
—
降水深度范围内土层的压缩模量，Ｅ１－
另一问题是降水施工存在着巨大的水资源浪费 ． 大量被抽取的地下水往往直接排至下水管网，不仅可 能造成局部下水通道的堵塞，更是城市水资源的巨大浪费 ．
此外，地下水位的下降减少了浅层土壤的水分，不仅不利于表层土壤的水土保持，对植物的生长不利，也 影响着城市的空气清洁度 ．
１ 基坑降水引发的建筑及地面沉降机理［１－２］
２
＝
１＋ｅ ａ１－ ２
；
!— 沉降调整系数，其范围是 ０．５～１．５ ．
式（４）是将地基土视为单层结构，具有唯一确定的压缩模量 Ｅ１－２，并按弹性方法计算变形 ． 事实上，场地 土的结构是十分复杂的，即使土层较少，准确获得每一土层的具体参数又是一件困难的工作 ． 因此，按公式
（４）计算得到的地面沉降往往与实测结果有一定的出入 ． 这正是 ! 这一参数变化幅度较大的原因 ． 实际工
往直接排至下水管网， 是对城市水资源的巨大浪费． 在对问题分析的基础上研究讨论了相关对策．
关键词： 基坑降水； 沉降； 水资源； 对策
中图分类号： ＴＵ ４７３．３
文献标识码： Ａ
随着我国城市化进程的加快，城市建筑规模越来越大，地下空间资源的利用程度的提高，高层建筑基坑 的面积和深度越来越大，基坑工程中往往需要进行降水施工 ． 大量抽取地下水，降低地下水位会引发环境 问题 ．
Ｓｎｗ ＝ ｌｇＲ－ ｌｇ（ｒ＋Ｄ） Ｓｗ ｌｇＲ－ ｌｇｒ
（１）
式中：Ｓｗ— 基坑坑底的水位实际下降值（ｍ）；Ｓｎｗ—基坑外围距坑壁一定距离的待测点位处地下水位下降 值（ｍ）；Ｒ — 基坑降水时的引用影响半径（ｍ），Ｒ ＝ Ｒｓ＋ ｒ ；Ｒｓ— 单井抽水试验的引用影响半径（ｍ）；ｒ — 基坑的
! 等效半径（ｍ），当基坑为圆形或接近正方形时，ｒ ＝ Ａ ；当基坑为矩形时，ｒ ＝０．３（ａ ＋ｂ）；ａ，ｂ — 矩形的长边和短 ! 边尺寸；Ｄ— 待测点距基坑边壁的距离（ｍ）．
调查表明，我国深基坑挡土支护体系失效或部分失效而导致的安全问题和环境问题，约占工程总量的 １０ ％～２０ ％，近年来有所降低，但仍在 １０ ％左右 ． 其中约 ９０ ％的工程事故与地下水的控制有关 ．
引发的环境问题主要有，基坑支护体系失稳、基坑支护体系失效引发周围建筑物、构筑物和地下管线的 破坏 ．
形， 对周围环境产生不同程度的影响 ． 基坑工程的环境效应包括支护结构、工程桩施工、降低地下水位、土方开挖等
对周围环境的影响 ， 并表现在多方面， 基坑开挖降低地下水 引 起 围 护 结 构 变 形 及 造 成 基 坑 内 外 土 体 产 生 沉 降 、不 均
匀沉降和水平位移， 可能导致建筑物及市政管线的变形， 影响其正常使用， 甚至破坏 ． 此外， 大量被抽取的地下水往
动水压力大于土粒浸水重度
ＧＤ!!′ｗ，即
!ｗ
ｈａ － ｌ
ｈｂ
!!′ｗ
另认为流砂引发有如下几个因素：①水力坡度超过了临界值 Ｉｃｒ ＝（!－ １）（／ １＋ ｅ）；②地基中有承压水；③土 粒中粘粒含量小于 １０ ％，粉砂含量大于 ７５ ％ ；④土粒不均匀系数 Ｄ６０ ／ Ｄ１０ 小于 ５；⑤含水量大于 ３０ ％；⑥孔 隙率 ｅ 大于 ４３ ％；⑦在粘性土中夹砂层厚大于 ２５０ ｍｍ．
１．１ 有效应力增加产生的地基土压缩变形 地面沉降计算理论和模型主要有 ３ 大类：
１．１．１ 理论计算方法 传统固结理论：根据太沙基（Ｔｅｒｚａｇｈｉ）的土层渗透固结方程，取定边界条件，可分别计 算沉降过程中任意时间沉降量和最终沉降量 ． 流变固结理论：同时考虑土的渗透固结和骨架蠕变，常用粘 弹性固结理论和 Ｇｉｂｓｏｎ－ Ｌｏ 固结理论计算沉降 ． 准三维固结理论：假设土体为均质、饱和、各向同性、渗流符 合达西定律，并假定任一点的总应力之和为常量 ． 弹塑性理论：认为土在屈服前只有弹性变形，而屈服后弹 塑性变形并存，后者为永久变形 ． 土的屈服服从一定的模型，由各种模型得出增量形式的弹塑性应力—应 变关系矩阵，利用计算机数值方法计算沉降 ． １．１．２ 半理论、半统计方法 通过大量实测资料反演，求出土性参数，用固结理论或弹塑性理论进行沉降计 算，能够在一定程度上反映场地土体的复杂性 ． １．１３ 统计预测方法 用统计学的方法建立水位降低与地面沉降的相关关系，用以预测某类场地的沉降，具 有一定的局限性 ． 在降水漏斗范围内，水位下降值随着离开基坑边壁距离的增加而减小，因此，总的来说， 地面沉降也有随着离开基坑距离增大而减小的规律 ． 以此规律为基础，研究基坑降水的影响范围，对施工 决策有重要的指导意义 ．
河南科学
第 ２５ 卷 第 ４ 期
图 ２ Ａ 某工程工况流砂路径示意 Ｆｉｇ．２ Ｄｒｉｆｔｉｎｇ ｓａｎｄ ｐａｔｈ ｉｎ ｃａｓｅ Ａ
图 ３ Ｂ 某工程工况流砂路径示意 Ｆｉｇ．３ Ｄｒｉｆｔｉｎｇ ｓａｎｄ ｐａｔｈ ｉｎ ｃａｓｅ Ｂ
１．３ 动水压力引发流土带来的固结变形
流砂产生的条件及引发因素：