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摘要：针对杭州地区圆砾层承压水水量大、渗透性好、回水速度快和采取围护结构隔断承压水层困难的等特性，采用吴林高先生的三类基坑渗流模型理论，提出了采取悬挂式止水帷幕加坑内降水相结合的承压水降水方案，通过影响因素赋值比较法，综合对围护施工难度、围护施工风险和工期、基坑总涌水量、降水能耗和降水风险等多方面比较后，确定合理最优的基坑降水方案。
关键词：深基坑；承压水；降水方案；悬挂式止水帷幕
Abstract: aiming at the Hangzhou area round gravel layer artesian water, permeability is good, backwater speed and take palisade structure partition confined aquifer difficult features, the Mr. Wu Lingao three types of foundation pit seepage model theory, this paper puts forward to take mounted waterproof curtain and pit precipitation combination of confined water precipitation plan, through the influence factors of assignment, the comprehensive comparison of palisade difficulty in construction and building construction risk and time limit for a project, foundation pit total yield, precipitation and precipitation energy consumption risk and so on various comparison, determine reasonable optimal foundation pit precipitation scheme.
Key words: deep foundation pit; Confined water; Precipitation plan; Mounted waterproof curtain
中图分类号： S611 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
前言
随着城市地下空间的发展，深基坑工程越来越多，深基坑工程施工不可避免的要遇到承压水问题。由于各个地区承压含水层形成的地质年代、成因、性状及特征各不相同，各有特点，也使得承压水降压技术在各个地区各有特色。杭州地区涉及到的承压含水层主要为圆砾层，水量大，渗透性好，同时紧邻钱塘江，基坑降水难度较大。本次降水设计运用吴林高先生提出的三类基坑渗流模型，结合现场抽水试验取得了比较理想的降水效果，为以后类似工程的修建提供参考。
工程概况
杭州地鐵2号线人民广场站位于市心路与金城路的交叉路口，为2号线与规划5号线的换乘站。其中2号线沿市心路南北向布置，长472.3m，宽度为21.5m，基坑深度为17.71m，为地下两层结构；规划5号线沿金城路东西向布置，为地下三层结构。近期施工2&5号线换乘节点平面尺寸为21×36m，基坑深约25.1m。
图1车站总平面图
市心路与金城路分别为萧山区南北和东西方向交通主干道，现状宽58米。交叉路口四个象限规划基本成型，站位西北角为萧山区人民政府侧和人民广场；东北角为萧山区歌剧院和一待开发的地块；东南角为开元名都大酒店、时代广场等建筑物；西南角为绿都世贸写字楼、星都花园住宅小区等建筑物。
场地工程及水文地质情况
3.1工程地质
地铁2号线工程人民广场站位于萧山区市心中路上，距钱塘江约5km，属钱塘江冲海积和古浦阳江冲积平原地貌单元。
图22&5号线换乘节点地质剖面图
地层自上而下依次为：4m的杂填土层；13.8m的③全新统上中段钱塘江冲积层，河口相（al~mQ42+3），属古浦阳江冲积形成的粉性土及砂性土，由于堆积年代及固结条件不同，性质不一，竖向由松散至中密状态变化；10.6m的⑥全新统下段浅海相沉积层（mQ41），为海陆交互相沉积的淤泥质软土及粘性土；14.2m的⑧上更新统浅海相沉积层（mQ32），为海陆交互相沉积的淤泥质软土及粘性土；25m的⑿上更新统下段河流相沉积层（alQ31），为古钱塘江河床堆积的圆砾层，密实状态；其下为基岩。
3.2水文地质
拟建场地浅层地下水属孔隙性潜水，主要赋存于表层填土及③1～③7层粉土、粉砂中，由大气降水和地表水径流补给，地下水位随季节变化。
场地深层孔隙承压含水层主要分布于深部的⑧3层粉砂夹粉质粘土、⑿1层粉砂、⑿4层圆砾和⑿4夹1层含砾粉细砂中，水量丰富，隔水层为上部的粘土层（⑥、⑧层），承压含水层顶板高程为-32.80～-23.92m，隔水层顶板高程为-13.53～-11.46m。实测⑿4层圆砾承压水头埋深在地表下约8米，相应高程为-2.04米。
工程区土层渗透系数一览表
坑底承压水稳定性验算
基坑开挖后，基坑底部距离承压含水层顶板距离减小，相应地承压含水层上部土压力也随之减小；当基坑开挖到一定深度后，承压含水层上部土压力可能小于其含水层中承压水顶托力，导致基坑底部失稳，发生突涌现象，严重危害基坑安全。因此，需要对基坑在干开挖过程中的开挖面稳定性进行验算。
图3 承压水稳定性计算简图
不满足要求。
式中Pcz—基坑开挖面以下至承压水层顶板间覆盖土的自重压力(kN/m2)；
Pwy—承压水层的水头压力(kN/m2)；
Ky—抗承压水头的稳定性安全系数，取1.1。
通过对2&5号线换乘节点承压水抗突涌稳定性计算可以看出，基坑开挖期间抗突涌稳定性不能满足要求，因此在开挖至基坑底之前需采取降水措施。基坑底部至承压水层土体所能承受水头高度：h=Pcz /（10*Ky）=8.41m，当前承压水头22.38m，因此需降承压水头≥13.97m。
基坑承压水设计理念
在前期地下连续墙试成槽期间，发现入圆砾层4~5m相对较容易，随着深度的增加，圆砾层粒径越来越大。场地范围的圆砾层粒径与详细勘察成果存在较大的差别，最大粒径达到200mm以上。因此进入圆砾5m后成槽非常困难，成槽时间很长，极易出现槽壁坍塌。
详细勘察报告圆砾粒径分布情况表
考虑场地所处范围内承压含水层厚度较厚，且圆砾层粒径较大，地下连续墙成槽困难等实际情况，因此设计原则上采用悬挂式止水围护与坑内降水相结合的承压水处理方案，并遵循以下设计理念：
（1）有限含水层厚度中的非完整井
随着过滤器延长，同样降深的情况下，单井出水量也在明显增大。从基坑降水的角度设置降水井结构时，在单井出水量能够满足基坑水位降深要求的情况下，应尽量使用非完整井，以减少总的抽水量，降低排水压力，提高环境保护的能力。
图4非完整井与完整井流水位降深曲线
（2）地层结构的空间分布特征
圆砾承压含水层渗透系数的空间分布变化特征是影响工程降水的重要因素，充分利用地下水渗透规律、合理设置降水井的井结构、采用适合的降水井成井工艺，能够最大限度地优化圆砾层基坑降水设计。
（3）止水帷幕的绕流作用在降水设计中的应用
含水层具有一定厚度时，围护结构采用悬挂式止水帷幕，帷幕插入承压含水层一定深度，坑内降水，地下水渗流会形成三维绕流，流线比非完整井产生的弯曲程度更大，含水层的二元结构差异性越大，这种效果越明显。如果止水帷深度比减压降水井深，绕流效应明显，极容易达到抽水量最小化。
（4）降水井的布置形式
基坑减压降水是一个辅助性的施工措施，其目的就是短期内降低局部地层（基坑范围内）承压含水层的水头，以满足基坑工程建设的需要。坑内布井是为了尽量使得由井流消耗的承压水势能集中在坑内，而不是过多的消耗在坑外。坑外消耗的越多，所做的无用功也越多，无形中将消耗更多的电能，而产生更多的排水量，违背了抽水量最小化的减压降水设计思路。采用悬挂式止水帷幕进行基坑降水设计时，提出了“坑内布井为主、坑外布井为辅”的设计理念。
基坑承压水降水设计
根據前面分析，抗承压水稳定性不能满足要求，在基坑开挖施工期间至少需将承压水水头降低13.97m。
5.1承压水降水计算
本次基坑降水设计遵循“围护—地层结构—降水”一体化设计理论，即在基坑设计时，充分考虑围护结构对承压水产生的绕流作用，及地层本身的特性，做到满足基坑开挖期间承压水稳定性安全的前提下，尽量减少抽水量，确保周边环境的安全。帷幕插入目标含水层深度直接增加了地下水绕流进入基坑的渗流路径，为分析地墙插入深度对基坑降水的影响，采用三维数值模拟方法进行定量计算和分析。计算时分别对围护结构插入承压水层4m、6m、8m、10m和12m等工况进行计算。
根据以下地下水渗流的数学模型建立工程场区的水文地质概念模型。
式中：Kx、Ky、Kz—分别为沿坐标轴x、y、z方向的渗透系数（cm/s）;
H—点（x，y，z）在t时刻的水位（m）
H0—初始水位（m）；
W—汇源项，1/d；
D—研究的渗流区；
S—储水系数；
t—时间（h）；
Γ—渗流区的边界面，其中Γ1为给定的第一类边界面，Γ2为给定的第二类边界面，Γ=Γ1+Γ2；
Ψ—边界Γ1上的水位（m）；
q—边界Γ2上单位面积的侧向补给量（m3/d）
图5三维降水模型
5.2计算结果
从计算可以分析，围护深度加深后绕流作用明显。从45.5m～49.5m，围护结构每进入含水层增加2m，基坑涌水量减少约为30％。由51.5m向53.5m，围护结构增加2m，基坑总涌水量减少约为10％。
降14m围护深度－基坑总排水量关系表
5.3计算结果比选
根据以上理论分析计算结果，从围护结构的施工难度、围护结构施工的风险及费用和基坑总涌水量、用电量和降水风险等级综合考虑不同围护深度情况下的基坑工程分值。
围护结构施工难度W1
“围护—地层结构—降水”一体化设计比选表
通过对各种因素赋值办法，得到在围护深度47.5、49.5m时，最后的分值最高。综合对围护施工难度、围护施工风险和工期、基坑总涌水量、降水能耗和降水风险等多方面比较后，确定采用围护结构插入承压水层8m，即围护结构深49.5m，并在坑内布置6口降压井，外加1口井观测兼备用井的降水方案。
结束语
目前该工程在上述设计方案的指导下，已成功实施完毕，为以后的类似工程的修建提供借鉴经验。值得指出的是，在比选降水方案时，应结合所处工程的实际情况，对围护施工难度、风险、工期、承压水降水风险及周边环境风险做充分的比较，以期找出适合实际工程项目的降水方案。
参考文献：
[1]中华人民共和国行业标准.建筑与市政降水工程技术规范（JGJ/T111-98）.北京，中国建筑工业出版社，1999.
[2]浙江省标准.建筑基坑工程技术规程（DB/T1008－2000）.杭州，浙江省标准设计站，2000.
[3]基坑工程降水案例.吴林高,李国,方兆昌,娄荣祥等编著.人民交通出版社.
作者简介：潘海洋1981年出生，男，浙江省浦江县 2003年毕业于西南交通大学，大学本科，工程师，土木工程专业，现从事隧道与地下工程设计。
关键词：深基坑；承压水；降水方案；悬挂式止水帷幕
Abstract: aiming at the Hangzhou area round gravel layer artesian water, permeability is good, backwater speed and take palisade structure partition confined aquifer difficult features, the Mr. Wu Lingao three types of foundation pit seepage model theory, this paper puts forward to take mounted waterproof curtain and pit precipitation combination of confined water precipitation plan, through the influence factors of assignment, the comprehensive comparison of palisade difficulty in construction and building construction risk and time limit for a project, foundation pit total yield, precipitation and precipitation energy consumption risk and so on various comparison, determine reasonable optimal foundation pit precipitation scheme.
Key words: deep foundation pit; Confined water; Precipitation plan; Mounted waterproof curtain
中图分类号： S611 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
前言
随着城市地下空间的发展，深基坑工程越来越多，深基坑工程施工不可避免的要遇到承压水问题。由于各个地区承压含水层形成的地质年代、成因、性状及特征各不相同，各有特点，也使得承压水降压技术在各个地区各有特色。杭州地区涉及到的承压含水层主要为圆砾层，水量大，渗透性好，同时紧邻钱塘江，基坑降水难度较大。本次降水设计运用吴林高先生提出的三类基坑渗流模型，结合现场抽水试验取得了比较理想的降水效果，为以后类似工程的修建提供参考。
工程概况
杭州地鐵2号线人民广场站位于市心路与金城路的交叉路口，为2号线与规划5号线的换乘站。其中2号线沿市心路南北向布置，长472.3m，宽度为21.5m，基坑深度为17.71m，为地下两层结构；规划5号线沿金城路东西向布置，为地下三层结构。近期施工2&5号线换乘节点平面尺寸为21×36m，基坑深约25.1m。
图1车站总平面图
市心路与金城路分别为萧山区南北和东西方向交通主干道，现状宽58米。交叉路口四个象限规划基本成型，站位西北角为萧山区人民政府侧和人民广场；东北角为萧山区歌剧院和一待开发的地块；东南角为开元名都大酒店、时代广场等建筑物；西南角为绿都世贸写字楼、星都花园住宅小区等建筑物。
场地工程及水文地质情况
3.1工程地质
地铁2号线工程人民广场站位于萧山区市心中路上，距钱塘江约5km，属钱塘江冲海积和古浦阳江冲积平原地貌单元。
图22&5号线换乘节点地质剖面图
地层自上而下依次为：4m的杂填土层；13.8m的③全新统上中段钱塘江冲积层，河口相（al~mQ42+3），属古浦阳江冲积形成的粉性土及砂性土，由于堆积年代及固结条件不同，性质不一，竖向由松散至中密状态变化；10.6m的⑥全新统下段浅海相沉积层（mQ41），为海陆交互相沉积的淤泥质软土及粘性土；14.2m的⑧上更新统浅海相沉积层（mQ32），为海陆交互相沉积的淤泥质软土及粘性土；25m的⑿上更新统下段河流相沉积层（alQ31），为古钱塘江河床堆积的圆砾层，密实状态；其下为基岩。
3.2水文地质
拟建场地浅层地下水属孔隙性潜水，主要赋存于表层填土及③1～③7层粉土、粉砂中，由大气降水和地表水径流补给，地下水位随季节变化。
场地深层孔隙承压含水层主要分布于深部的⑧3层粉砂夹粉质粘土、⑿1层粉砂、⑿4层圆砾和⑿4夹1层含砾粉细砂中，水量丰富，隔水层为上部的粘土层（⑥、⑧层），承压含水层顶板高程为-32.80～-23.92m，隔水层顶板高程为-13.53～-11.46m。实测⑿4层圆砾承压水头埋深在地表下约8米，相应高程为-2.04米。
工程区土层渗透系数一览表
坑底承压水稳定性验算
基坑开挖后，基坑底部距离承压含水层顶板距离减小，相应地承压含水层上部土压力也随之减小；当基坑开挖到一定深度后，承压含水层上部土压力可能小于其含水层中承压水顶托力，导致基坑底部失稳，发生突涌现象，严重危害基坑安全。因此，需要对基坑在干开挖过程中的开挖面稳定性进行验算。
图3 承压水稳定性计算简图
不满足要求。
式中Pcz—基坑开挖面以下至承压水层顶板间覆盖土的自重压力(kN/m2)；
Pwy—承压水层的水头压力(kN/m2)；
Ky—抗承压水头的稳定性安全系数，取1.1。
通过对2&5号线换乘节点承压水抗突涌稳定性计算可以看出，基坑开挖期间抗突涌稳定性不能满足要求，因此在开挖至基坑底之前需采取降水措施。基坑底部至承压水层土体所能承受水头高度：h=Pcz /（10*Ky）=8.41m，当前承压水头22.38m，因此需降承压水头≥13.97m。
基坑承压水设计理念
在前期地下连续墙试成槽期间，发现入圆砾层4~5m相对较容易，随着深度的增加，圆砾层粒径越来越大。场地范围的圆砾层粒径与详细勘察成果存在较大的差别，最大粒径达到200mm以上。因此进入圆砾5m后成槽非常困难，成槽时间很长，极易出现槽壁坍塌。
详细勘察报告圆砾粒径分布情况表
考虑场地所处范围内承压含水层厚度较厚，且圆砾层粒径较大，地下连续墙成槽困难等实际情况，因此设计原则上采用悬挂式止水围护与坑内降水相结合的承压水处理方案，并遵循以下设计理念：
（1）有限含水层厚度中的非完整井
随着过滤器延长，同样降深的情况下，单井出水量也在明显增大。从基坑降水的角度设置降水井结构时，在单井出水量能够满足基坑水位降深要求的情况下，应尽量使用非完整井，以减少总的抽水量，降低排水压力，提高环境保护的能力。
图4非完整井与完整井流水位降深曲线
（2）地层结构的空间分布特征
圆砾承压含水层渗透系数的空间分布变化特征是影响工程降水的重要因素，充分利用地下水渗透规律、合理设置降水井的井结构、采用适合的降水井成井工艺，能够最大限度地优化圆砾层基坑降水设计。
（3）止水帷幕的绕流作用在降水设计中的应用
含水层具有一定厚度时，围护结构采用悬挂式止水帷幕，帷幕插入承压含水层一定深度，坑内降水，地下水渗流会形成三维绕流，流线比非完整井产生的弯曲程度更大，含水层的二元结构差异性越大，这种效果越明显。如果止水帷深度比减压降水井深，绕流效应明显，极容易达到抽水量最小化。
（4）降水井的布置形式
基坑减压降水是一个辅助性的施工措施，其目的就是短期内降低局部地层（基坑范围内）承压含水层的水头，以满足基坑工程建设的需要。坑内布井是为了尽量使得由井流消耗的承压水势能集中在坑内，而不是过多的消耗在坑外。坑外消耗的越多，所做的无用功也越多，无形中将消耗更多的电能，而产生更多的排水量，违背了抽水量最小化的减压降水设计思路。采用悬挂式止水帷幕进行基坑降水设计时，提出了“坑内布井为主、坑外布井为辅”的设计理念。
基坑承压水降水设计
根據前面分析，抗承压水稳定性不能满足要求，在基坑开挖施工期间至少需将承压水水头降低13.97m。
5.1承压水降水计算
本次基坑降水设计遵循“围护—地层结构—降水”一体化设计理论，即在基坑设计时，充分考虑围护结构对承压水产生的绕流作用，及地层本身的特性，做到满足基坑开挖期间承压水稳定性安全的前提下，尽量减少抽水量，确保周边环境的安全。帷幕插入目标含水层深度直接增加了地下水绕流进入基坑的渗流路径，为分析地墙插入深度对基坑降水的影响，采用三维数值模拟方法进行定量计算和分析。计算时分别对围护结构插入承压水层4m、6m、8m、10m和12m等工况进行计算。
根据以下地下水渗流的数学模型建立工程场区的水文地质概念模型。
式中：Kx、Ky、Kz—分别为沿坐标轴x、y、z方向的渗透系数（cm/s）;
H—点（x，y，z）在t时刻的水位（m）
H0—初始水位（m）；
W—汇源项，1/d；
D—研究的渗流区；
S—储水系数；
t—时间（h）；
Γ—渗流区的边界面，其中Γ1为给定的第一类边界面，Γ2为给定的第二类边界面，Γ=Γ1+Γ2；
Ψ—边界Γ1上的水位（m）；
q—边界Γ2上单位面积的侧向补给量（m3/d）
图5三维降水模型
5.2计算结果
从计算可以分析，围护深度加深后绕流作用明显。从45.5m～49.5m，围护结构每进入含水层增加2m，基坑涌水量减少约为30％。由51.5m向53.5m，围护结构增加2m，基坑总涌水量减少约为10％。
降14m围护深度－基坑总排水量关系表
5.3计算结果比选
根据以上理论分析计算结果，从围护结构的施工难度、围护结构施工的风险及费用和基坑总涌水量、用电量和降水风险等级综合考虑不同围护深度情况下的基坑工程分值。
围护结构施工难度W1
“围护—地层结构—降水”一体化设计比选表
通过对各种因素赋值办法，得到在围护深度47.5、49.5m时，最后的分值最高。综合对围护施工难度、围护施工风险和工期、基坑总涌水量、降水能耗和降水风险等多方面比较后，确定采用围护结构插入承压水层8m，即围护结构深49.5m，并在坑内布置6口降压井，外加1口井观测兼备用井的降水方案。
结束语
目前该工程在上述设计方案的指导下，已成功实施完毕，为以后的类似工程的修建提供借鉴经验。值得指出的是，在比选降水方案时，应结合所处工程的实际情况，对围护施工难度、风险、工期、承压水降水风险及周边环境风险做充分的比较，以期找出适合实际工程项目的降水方案。
参考文献：
[1]中华人民共和国行业标准.建筑与市政降水工程技术规范（JGJ/T111-98）.北京，中国建筑工业出版社，1999.
[2]浙江省标准.建筑基坑工程技术规程（DB/T1008－2000）.杭州，浙江省标准设计站，2000.
[3]基坑工程降水案例.吴林高,李国,方兆昌,娄荣祥等编著.人民交通出版社.
作者简介：潘海洋1981年出生，男，浙江省浦江县 2003年毕业于西南交通大学，大学本科，工程师，土木工程专业，现从事隧道与地下工程设计。