1 绪论
1.1 基坑降水研究背景
近几十年来，随着工业革命和城市化进程的发展，我国工业与民用建筑建设步入高速发展时期，层出不穷的市政水利工程、高层住宅和超高层商业建筑、地铁隧道工程推动着基坑工程向大范围、深基坑、复杂多变方向发展。长沙湘江欢乐城项目基坑东西跨度 500m、南北跨度 300m、基坑深度达 100m；长沙地铁橘子洲站基坑深达 32m；深圳中石油液化天然气地下存储工程基坑直径达 100m、深度达 50m。大规模工程的数量不断增加，基坑的降水、防水问题逐渐成为基坑工程的焦点。深基坑支护和地下水的控制是保证基坑施工安全的主要任务，尤其是在地下水相对丰富的地方，必须进行基坑降水。通过降水，基坑施工的进度与质量不断得以提升。首先，它可以为施工的劳务人员提供疏干的作业面，减少水下作业的频率。其次，它可以在一定程度上降低承压水造成基坑底板突涌的可能性，提高边坡结构的稳定性，有效避免流砂和管涌等事故的发生。胡其志（1998）提出了通过降水预压法增强深基坑底部饱和软土强度的理论，详细阐述了理论基础、基本原理与计算公式[1]。虽然深基坑降水工程存在诸多优点，但大型基坑的深井和群井降水的缺点也显而易见，极容易引起周边地表土体的不均匀沉降等生态问题。
基坑工程是一项综合性较强的岩土工程，既牵扯到土力学中土体强度知识又涉及到支护体系的稳定性建设，同时还包含地下水的渗流及各种力的相互作用[2]。即使在科技昌明的今天，降水施工对现场支护与围护体系的稳定性、周围生态环境及地下埋设管线所造成的影响，亦无法获得比较准确的结果。伴随着岩土理论知识的完善、计算技术的进步以及建筑技术的不断发展，深基坑降水工程的设计理论和施工技术也日趋成熟。
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1.2 基坑降水的国内外研究现状
19 世纪，德国率先采用基坑降水技术，成为基坑降水技术的先驱者。1896 年，德国在地下铁道施工时，首次采用深井降水来控制地下水，降低水位，减轻地下水的不良地质作用。随后世界各地的基础设施建设都根据其实际情况采用不同的降水方法。20 世纪 50 年代，井点降水技术随着理论的进步与以往工程经验积累有了新的发展。当前，国内外深基坑工程存在的重要的安全隐患之一就是如何控制潜水与承压水。针对不同的地质条件，各国因地制宜采取了不同的方式来应对，最常用的是单独降水法或者根据实际情况采用组合隔断降水法。日本东京新丰洲 500KV 地下变电站项目，就采用了加大围护结构的插入深度和加强截水帷幕的组合隔断的方法，来阻止基坑内外地下水的渗流。目前全球一般都采用“隔、降、灌”组合的方法来进行降水[3]。比如通过加深围护结构来切断同一含水层对地下水流的侧向补给；或通过采取各种措施来加固坑底的深层地基使其成为“人造隔水层”，同时根据工程的实际情况选取更为合理的降水方案，让降水达到理想状态。与此同时，为保护周围的生态环境，可采用地下水回灌措施降低对周围环境影响。
20 世纪 50 年代，国内基坑降水技术开始发展，与国外相比，有一定的滞后性，随着东北重工业基地及其他钢铁企业大规模的工程的建设，喷射井点降水和轻型井点降水技术得到了广泛应用，并为我国的降水工程的发展奠定了基础。随着轻型井点降水和喷射井点降水方法的普及，一些重大项目在施工时逐渐意识到降水的重要性，在施工中通过降水试验取得了良好的效果。通过借鉴国外的先进经验与国内地下空间大规模开发所取得的实践成果，国内井点降水方法逐渐成熟完善起来。深基坑工程数量日益增加，在此期间，获取了大量的试验数据与现场实测数据，形成了一系列降水理论观点，基本掌握了基坑降水时地下水渗流场的分布规律，降水过程中周围地层沉降现象也得到一定控制。同时，潜水控制问题逐渐成为施工过程中新的控制点，1985 年上海浦东煤气厂过江管工作井工程，发生了国内第一例由潜水引发的事故。从 20 世纪 90 年代至今，由于城市化进程的加快，城中村改造及棚户区的安置项目的增多，基坑降水对周边建筑物及地下管线的影响逐渐被人们所重视。对基坑降水引起的地面沉降的控制，成为了建筑行业新的关注点，人们逐渐认识到基坑降水在城市建设过程中的重要性。基坑封闭施工、地下水回灌等技术逐渐发展起来。以水位控制和沉降控制为核心，经济合理、综合全面的地下水治理体系逐步建立。地下水治理体系的建立，确保了大规模基础设施建设过程中城市功能的正常运行和社会生活的稳定。
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2 基坑降水的相关理论
2.1 地下水的分类与运动的基本规律
根据透水层、含水层和隔水层不同的组合方式，地下水按埋藏条件一般可以分为三大类：包气带水、潜水、承压水。其中潜水与承压水是基坑降水的主要对象，也是基坑施工中的主要危害源。
在所要研究的渗流场区域内任一点，地下水的各运动要素（渗流量、渗流速度、压强、水头等）不随时间发生变化，它们在时间上从始到终保持为常数，它们是空间坐标的函数，这种渗流称为稳定流。
在所要研究的渗流场区域内任一点，地下水的各运动要素（渗流量、渗流速度、压强、水头等）随时间变化而变化，各要素是时间和空间坐标的函数，这种渗流称为非稳定流。从工程实践出发，为了简化计算，我们还是把大量的渗流问题按照稳定流渗流对待和处理。
图 2.2 电渗井点降水布置示意图
2.2 基坑降水的主要方法现场
基坑施工根据施工组织设计要求通常需要开挖到地下水的含水层中及其以下位置。在以往的工程施工案例中时常会出现流砂、管涌、坑底突涌现象，而且施工人员因为在含水的基坑里作业导致项目进度缓慢无法正常履约。为了不影响工程进度，防止基坑坑壁土体坍塌，保证施工和周边环境的安全，在施工前必须降低地下水位。尤其是当基坑开挖深度内存在饱和软土和含水层时，如果未对含水层进行减压，地下水渗流很容易破坏基坑底部，同时还伴随流砂和基坑底部土壤流失现象。根据基坑的大小和深度，地质条件和土壤特性，可以通过各种降水方法来控制地下水。
基坑降水一般分为明沟排水和井点降水两大类。井点降水的主要方法有：真空轻型井点、二级真空轻型井点、喷射井点、管井井点、电渗井点、深井井点和辐射井点等[4，5，6]。根据场地的水文地质条件与地表的复杂程度，上述井点方法可组合应用。并且，各类井点降水方法也各有特点，结合施工现场实际的地质条件、周边建筑情况，考虑基坑降水对周围建筑物的影响，可择优选择降水方案。
（1）明沟排水最为经济、简单、方便，适于浅基础排出上层滞水[7]。地下水比较丰富，开挖深度不大于 4m，水的渗水量较少的地层中宜适用此种降水方法。若在地下水位较高的地方仅采用这种方法，容易使基坑底部土质软化，并造成地下水侵蚀、基坑边坡出现渗漏失稳，并且锚喷网支护施工难度可能会增加。所以，在此类的基坑支护施工过程中，明沟排水一般不单独使用，经常与其他降水方法结合使用，降低工程风险。
（2）轻型井点降水是一种使用频率较高的排水系统[8]。它通过集水总管利用降水设备在井点管路内形成真空，将地下水从井管内不断抽出，从而降低地下水位（如图 2.1 所示）。该系统可以根据地下水量安排井间距，适用于地下水位较高的地方；3～6m 是此种方法降水的最佳深度，一般不超过 8m。如果基坑的降水设计深度在 6m 之上，原理上可采用二级轻型井点降水，但需在基坑周围预留足够空间，以利于放坡或挖槽工程的进行。
图 2.1 轻型井点降水示意图
3 单井降水与群井降水现场试验...............................10
3.1 单井降水设计...................................10
3.1.1 试验区条件...............................10
3.1.2 降水井技术指标....................... 11
4 基坑降水方案优化与效益分析......................................27
4.1 基坑降水的计算方法.......................27
4.2 地下水的渗流模型......................... 28
5 论文总结............................44
5.1 结论..................... 44
5.2 存在问题.......................................44
4 基坑降水方案优化与效益分析
4.1 基坑降水的计算方法
随着计算技术的发展，现代基坑降水的计算方法也发展出多种类型。一般应用解析法、有限差分法、有限单元法、边界单元法等进行基坑降水的数值计算[28~30]。
（1）解析法
解析法的主要原理是基于基坑设计的降深要求、地质水文特征、地下水的渗流状态等来选择最恰当的数学解析公式进行计算[31]。通过试验观测及模拟计算可以得到地下水流在该区域内的分布函数。除了要符合基本微分方程，还得符合现场的边界条件。但是地质水文特征复杂多变、自然降水因素以及现场边界条件的非确定性，在做数值分析时，通常设计一个比较理想的状态，因此，解析法一般在方程性质比较单一，现场边界形状比较规则的状态下能推导出相对精确的结果。但是对于非线性方程和复杂的边界条件，解析法则相对无力。到目前为止，解析法一般是为了解决边界条件比较理想的地下水的渗流。
（2）有限差分法
有限差分法是通过经纬网格把地下水的渗流运动分解成有限数量的单元，通过网格节点上形成的差分组成差分方程，用差分线性方程组代替解析法的微分方程。通过计算节点的渗流参数，来反映整个地下水渗流的整体过程[32，33]。它的优点是计算比较简单，概念比较通俗易懂而且具备良好的理论基础。并且在网格划分和边界条件理想的状态下，计算精度可得到保证，符合基坑降水工程的设计要求。迄今为止，有限差分法在地下水运动的计算方面仍然被普遍使用。但是由于基坑边界不规则和地下水渗透介质的差异性，导致建立差分法方程组有一定的难度。
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5 论文总结
5.1 结论
影响基坑降水工程的因素众多，如施工组织设计不合理、施工质量控制不当，这些因素均可能导致基坑降水事故的发生。是以，基坑降水工程施工之前，必须选取经济合理的设计方案。本文以某安置房工程深基坑降水试验为研究对象，从深基坑降水的主要方法着手，介绍了各种基坑降水方法的适用条件、深基坑的特性，分析总结影响基坑降水施工质量的主要因素，通过单井降水现场试验与群井试验内容来进行降水渗透量的计算与数据模拟，并利用有限差分法进行数值计算，最终计算结果符合实际情况，编制的降水方案可应用于该工程的基坑降水。
（1）选择比较有代表性的地下水含量比较丰富的地方作为试验场区并进行单井降水现场试验，利用相关方程，对水文地质参数进行计算，单井降水现场试验中的渗透系数为 0.46m/d，降水的影响半径为 55m，并根据计算数值初步拟定采用管井降水的设计方案。
（2）在保证满足基坑降水的需求下，展开对照试验，验证相同地质条件下浅井与深井的降水效果、井径对降水的影响，以及降水井的分布与排水量的关系。根据试验结果选取更为合理的降水方法，并为群井降水现场试验提供一定的数据支持。
（3）在单井降水的试验基础上进行了群井降水现场试验，降水的渗透系数为0.40m/d，降水的影响半径为 60m。依据群井降水现场试验数据，引入布西涅斯克方程，采用有限差分法进行数值模拟计算，并利用软件进行模拟。将模拟数据与实际监测数值进行比较，误差较小，最终选取降水的渗透系数为 0.45m/d，同时并根据地下水水位情况的变化对井位的平面布置形式进行相应的调整。
（4）优化后的降水方案能满足基坑降水工程设计精度的要求，并且与项目初期策划含截水帷幕的降水方案进行对比分析。通过优化，不仅可以降低施工成本，节约资金 100 余万元，而且可以缩短项目工期，实现安全效益、经济效益与环境效益的统一。
参考文献（略）