泵站承压含水层中基坑降水方案优化设计研究

泵站承压含水层中基坑降水方案优化设计研究

余晨孙璐牛香玉孙志锋

黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003

摘要：泵站工程一般地质条件较差，水文地质条件复杂，承压水丰富，而承压水是泵站基坑工程主要风险源之一，基坑施工常因隔水层厚度不足或者承压水头过高而导致基坑发生突涌水，因而基坑降水设计方案是泵站顺利施工的关键。以池州市某泵站基坑降水工程为例，在分析场区工程地质与水文地质条件的基础上，采用数值模拟软件FEFLOW建立了三维地下水渗流模型，优化了基坑降水设计方案。结果表明，优化后的设计方案在抽水11d后，基坑地下水位降到设计水位，可满足施工要求。

关键词：泵站；承压含水层；基坑降水；数值模拟

中图分类号：TV221.2       文献标志码：A      文章编号：

Research on optimal design of foundation pit dewatering scheme in confined aquifer of pumping station

YU Chen, SUN Lu, NIU Xiangyu, SUN Zhifeng

( Yellow River Engineering Consulting Co．， Ltd．， Zhengzhou，Henan 450003)

Abstract: The general geological conditions of the pumping station project are poor, hydrogeological conditions are complex, pressurized water is abundant,and pressurized water is one of the main risk sources of pumping station foundation pit engineering, In the construction of foundation pits, sudden water inrushes occur in foundation pits due to insufficient thickness of the water barrier or too high pressurized water head, therefore, the design scheme of foundation pit precipitation is the key to the smooth construction of the pumping station. Taking the foundation pit dewatering project of a pumping station in Chizhou City as an example, on the basis of analyzing the engineering geology and hydrogeological conditions of the site, a three-dimensional groundwater seepage model was established by numerical simulation software FEFLOW, and the design scheme of foundation pit precipitation was optimized. The results show that after 11 days of pumping, the groundwater level in the foundation pit drops to the design level, which can meet the construction requirements.

Keywords: Pumping station; Confined aquifers; foundation pit precipitation; Numerical simulation

泵站是水利工程中的典型建筑物之一，一般修建在河流、湖泊近岸，而河流、湖泊近岸地质条件一般较差，常伴随松散的岩土层和丰富的地下水，给泵站基础施工带来巨大的困难。因此，在涉及到地下水的基础施工中，基坑降水是施工的重要环节，基坑降水效果直接影响到工程的进度、费用和工程安全[1]。尤其对于承压含水层中的深基坑工程，水文地质条件一般较复杂，常因水头高、水量大、补给迅速、隔水层厚度不足导致突涌水，因此，地下水的有效控制成为基坑开挖成败的关键 [2,3]。

目前，通过构建三维地下水渗流模型来进行基坑降水方案的设计已经广泛应用于各种基坑工程中。它是根据场区的工程地质和水文地质条件建立数值模型，对场区地质条件进行合理概化，求解模型，从而得到地下水变化特征趋势。国内外关于基坑降水的数值模拟计算成果较多，董佩瑾

[4]等利用GMS建立场地地下水渗流与地面沉降三维耦合模型，预测了基坑降水方案实施后的地下稳定水位和周围土体沉降空间分布；王鹏等[5]运用Visual Modflow建立三维渗流模型分析了坑内降水疏干和坑外回灌对周边环境的影响；游洋等[6]利用数值模拟分析了两种降水方案下的降水量及其降水对周边环境的影响，选定了最优方案；骆祖江等[7]对三维非线性稳定渗流场进行数值模拟研究，优化了降水方案，同时分析了基坑内外渗流场的变化。

现以池州市某泵站前池基坑降水工程为例，在分析场区工程地质和水文地质条件的基础上，采用数值模拟方法通过调整降水井的数量、深度等参数进行分析计算，对原降水方案进行优化，提出满足基坑降水要求、可实施性较强且降水周期短的设计方案，为类似复杂水文地质条件下基坑降水提供参考。

1工程概况

拟建泵站位于池州市某大堤附近排涝渠中，周边为现状居民点和道路、水塘，场地周边环境见图1。泵站周边地势较为平坦，现状地表高程在9m左右。泵站设计排涝流量38.6m3/s，总装机容量3400Kw，泵站主要建筑物包括进水闸、前池、泵房、出水渠等。泵站前池为一明挖基坑，基坑长33.2m，宽15.4m，开挖深度约7m。

图1  拟建场地周边环境

Fig.1  Proposed site surrounding environment

2工程地质及水文地质条件

2.1工程地质条件

根据勘察成果，泵站前池基坑地层主要为第四系全新统冲积层（Q4al），地层岩性自上而下分别为①层粉质黏土、②粉土、③层粉砂、④层粉质黏土、⑤层细砂、⑥层卵石土。具体土层分布情况及相关参数见表1。

表1   基坑土层分布及相关参数

Table 1  Distribution of soil layer and related parameters of foundation pit

2.2水文地质条件

场地地下水类型上部为第四系松散岩类孔隙潜水，下部为承压水。潜水主要赋存于③层粉土､④层粉砂之中，为弱透水层，渗透性较小，主要接受大气降水补给，其次为下部承压含水层越流补给，排泄方式主要为径流排泄和蒸发，潜水的水位高程为6.07m~6.5m。承压水赋存于⑤层粉质黏土以下的地层中，主要的含水层为⑥层细砂、⑦层卵石土层，该类地层孔隙度较大，渗透性较好，水量随季节变化明显，其主要接受大气降水的垂向补给和河水的侧向径流补给（河床切穿承压含水层），向相邻含水层越流排泄和季节性向河流排泄，承压水头高程为6.7m。根据设计要求，泵站基坑开挖施工时要求将地下水位控制在高程0.4m以下。对该基坑开挖影响较大的是⑥层细砂、⑦层卵石土的承压水，也是本次泵站基坑降水的主要控制对象。

3基坑承压水控制方案

3.1基坑抗承压水突涌稳定性验算

为了防止基坑开挖后承压水突涌从而造成基坑危害，根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012)[8]附录C.0.1，对基坑抗承压水坑底突涌稳定性进行验算，其计算公式如下：

D·γ/(hw·γw)≥Kh

式中：D为坑底以下不透水层的厚度(m)；γ为不透水层的平均重度(kN/m3)；Kh为基坑抗承压水突涌稳定安全系数(一般不应小于1.10)；hw为承压水含水层顶面的压力水头高度(m)；γw为水的重度(kN/m3)。

以汛期和非汛期的基坑抗承压水突涌稳定安全系数计算为例，第⑥层承压含水层顶板平均标高为-4.3m，非汛期承压水头标高为6.7m，汛期承压水头标高为16.6m，坑底标高为1.4m，γ取19.0kN/m3。按压力不平衡法计算，不采取减压措施时，非汛期基坑抗承压水突涌安全系数为0.39；汛期基坑抗承压水突涌安全系数为0.20，均小于基坑抗承压水突涌稳定安全系数，即不论是汛期还是非汛期，基坑整体的承压水压力远大于土压，需采取措施降低承压水头。

3.2原降水方案

针对基坑含水层特性，按照“潜水疏干，承压水减压”的原则设计降水方案，原设计降水方案在泵站前池左侧设置3眼浅井，右侧4眼浅井、3眼深井设置作为施工期降水井。浅井的井底高程为-1m左右，含水层岩性主要为粉土、粉砂；深井的的井底高程为-12m左右，含水层岩性主要为粉土、粉砂、细砂、卵石土。原降水方案布井示意图见图2。

在上述降水井施工完毕后，即进行基坑降水作业，浅井的单井出水量约为5m3/h，深井的单井出水量约70m

3/h～80m3/h。抽水的同时每日观测基坑附近观测孔和降水井水位，水位观测结果见表2。

图2  原降水方案布井示意图

Fig.2  Well  layout diagram of the original dewatering scheme

表2  部分降水井及观测孔水位高程观测表（单位：m）

Table 2  Observation table of water level and elevation of some dewatering wells and observation holes(unit:m)

根据表2，在连续降水18天后，浅层地下水位降至4.11m，浅层水降水效果不明显，承压水降至3.17m，承压水降深较大，但是由于深井数量较少，水位下降速率较慢，而泵站前池底板开挖施工时要求将地下水位控制在高程-1.0m以下，因此采用原降水方案的降水效果不能满足前池施工要求，需要对原降水方案进行优化设计。

4基坑降水方案优化设计

通过进一步分析场区水文地质条件，发现原降水方案中深井数量过少，在水泵最大抽水能力下仍不能满足降水需求，因此需优化原设计方案特别是需要增加深井数量进行降水作业。为了确定最适合本基坑的降水方案，设置合理数量的抽水井，采用承压非完整井理论结合国内外广泛使用的地下水渗流模拟软件FEFLOW建立三维地下水渗流模型，对抽水井的位置与深度、数量与井径、单井抽水量等参数进行分析研究，提出适宜本基坑的降水方案。

4.1水文地质模型

依据基坑水文地质条件，采用三维有限单元法将模型区离散为不规则三角形网格，将水文地质渗流系统概化、单元剖分，形成地下水三维非稳定渗流模型。为克服边界的不确定性导致计算结果产生误差，选取计算区域时在影响半径基础上适当向外扩大，模拟区边界前池基坑东、西各1000m定为零流量边界，距离基坑南侧约150m为现状河流，为定水头边界，其水位高程取5.4m；基坑北侧定为定水头边界，其水位高程取8.8m；上部边界为自由水位边界，下部为隔水底板。模型尺寸为2000×2000，面积为4.0km2，垂直方向上按照地层岩性分为6个模拟层，总厚度22m。

考虑到计算速度和计算精度，在远离基坑处采用较大的计算单元格，在接近基坑范围时对单元格进行加密剖分，模型共计单元281382个。通过设置合适的水文地质参数对模型的识别验证，经反复调试后得到最终的模型，并在模型中进行降水井的优化设计。

4.2降水井优化设计

本基坑承压含水层主要涉及⑥层细砂和⑦层卵石土，⑦层卵石土层底高程-16.95m～-13.15m。在模型中通过设置不同数量的降水井和单井出水量来模拟基坑地下水位变化情况。考虑到现场施工条件和工期要求，经综合比选后，在原方案基坑两侧浅井附近新增深井11眼，井深均为25m，井底高程在-16.0m左右，井径650mm，同时恢复基坑内的1#砂井和3#砂井作为降水井，深井抽水泵采用原降水方案中抽水泵。由于潜水含水层厚度较薄，浅井出水量有限，浅井抽水对基坑降水作用有限，优化后取消所有基坑周边浅井，利用深井抽排承压水的同时带出潜水。优化后降水井布置方案见图3。

图3  优化后降水井布置方案

Fig.3 Layout  scheme of dewatering well after optimization

4.3计算分析

在FEFLOW软件中，通过设置降水井的启停、过滤器长度、抽水流量等参数来控制模拟过程。根据施工工期要求和开挖工况，对基坑降水进行数值模拟。模拟初始条件为，基坑东侧河道水位高程5.4m，基坑西侧定水位高程8.8m，基坑中心承压水位高程6.7m。模拟过程中，14眼深井和2眼砂井同时开启，深井每眼井抽水量1800m3/d，砂井每眼井抽水量为120m3/d，总抽水量25440m3/d，根据以上条件通过模拟计算获得的部分降水井水位高程与时间曲线见图4，前池基坑水位等值线图见图5。

图4    部分降水井地下水位变化历时曲线

Fig.4  Duration curve of groundwater level change in some precipitation wells

图5  前池基坑水位等值线图（历时11d，单位：m）

Fig.5  Contour map of water level of foundation pit in front pool(lasted 11d

, unit:m)

根据图4、图5，泵站前池基坑在开启16眼降水井历时11d后基坑中心附近区域地下水位高程基本下降到-1.0m以下，满足工程施工的需要。基坑地下水位在开采初期降幅较大，随着时间的推移，水位变化历时曲线趋于平缓，逐渐达到基本稳定。

5结语

本文采用三维非稳定流数值模拟方法分析预测了基坑降水引起的地下水流场变化特征，为泵站工程基坑降水优化设计提供了依据，为类似工程提供了参考。

（1）该泵站基坑地下水丰富，承压水头高、补给迅速，水文地质条件复杂。由于前期对水文地质条件认识不足，在仅有7眼浅井、3眼深井同时降水的情况下，地下水位并未达到设计要求。

（2）采用三维渗流数值分析的方法，并结合现场条件对降水方案进行优化，通过合理布置抽水井数量、间距、井深、抽水量等参数，经模拟计算抽水11d后基坑地下水位高程可达到施工要求，满足施工要求，降水效果明显。

（3）前池基坑承压含水层厚，承压水头较高，在基坑降水过程中应谨慎对待下部承压含水层高承压水头的控制，避免降水失败。

参考文献:

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[4]董佩瑾,胡敏红.基于GMS的场地基坑降水数值模拟研究[J].工程勘察,2020,(8):41-46.

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[7]骆祖江,刘昌军,瞿成松等.深基坑降水疏干过程中三维渗流场数值模拟研究[J].水文地质工程地质,2005,32 ( 5):48 ～ 53.

[8]中国建筑科学研究院.建筑基坑支护技术规程:JGJ120—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

第一作者简介：余晨（1989-），男，工程师，硕士研究生，主要从事水利水电工程地质勘察以及水文地质方向的研究

邮箱：yuchen@yrec.cn