某小区基坑降水事故的分析与处理
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摘要：由于基坑降水设计单位对场区岩土工程条件缺乏分析，采用了不合实际的基坑降水方案，造成建筑场区基坑周边地面大面积沉降，导致基坑周边建筑物墙体开裂，地基下沉等事故。本文系通过对该场区降水事故的分析与监测，提出了新的降水方案及补救措施，取得了较好的降水效果。
关键词 基坑降水 地面沉降分析 处理方案
1工程概况
该工程位于辽宁某沿海城市。为满足高层建筑需要，设计基坑南北长95.5米，东西宽69米，底板深度9.0米。为满足建筑物底板施工的需要，需将场区地下水从地下1.0米降至9.0米以下。原降水工程共设计施工降水孔31个，井径550mm,井深25米，单井出水量264m3/d。工程降水始于2011年1月7日，基坑总排水量8184m3/d,2011年1月12日测得基坑周边观测孔水位降深14米，于1月20日发现基坑周边200米范围内的地面沉降量约50-100mm，建筑物墙体开裂，裂缝宽度20-100mm，为此经当地建筑主管部门责令该工程降水停止施工。
2 场区岩土工程条件
2.1 基坑周边环境条件
建筑基坑周边东侧和北侧为马路，马路对过为中、高层住宅小区。西侧和南侧为住宅小区。南侧建筑物基础埋深 3.5米，条形基础，楼层2-3层；西侧建筑物采用桩基础，桩底深度16米。详见图2-1
2.2地层
场区地貌单元属辽河口三角洲平原，地势平坦，地表上部沉积地层主要为第四系全新统海陆交互相砂类土。简述如下：
（1）杂填土①：杂色，松散，由耕土、冲积土和建筑垃圾组成，厚度1.2米。
（2）粉质粘土②：软塑-可塑，饱和，层厚8.6米，分布连续，层底埋深9.8米。压缩系数（a1-2）0.440MPa-1,孔隙比（e）0.842,压缩模量（E）4.23MPa。
（3）粉质粘土夹粉土③：软塑-可塑，饱和，土质不均，层底埋深16.60米，分布连续，层厚6.5米。压缩系数（a1-2）0.413MPa-1,孔隙比（e）0.833,压缩模量（E）4.43MPa。
（4）细粉砂④：中密，层厚12.5米，层底埋深29.10米，分布连续。
（5）粉质粘土⑤：软塑-可塑，饱和，层厚3.0米，分布连续，层底埋深32.10米，分布连续。
2.3含水层
该区含水层从上至下有二个，分述如下：
（1）粉质粘土孔隙潜水含水层：该含水层由粉质粘土夹粉土组成，厚度14米，水位深度0.9-1.3米，地下水位变幅0.5-1.50米。渗透系数0.048m/d，含水性微弱。
（2）细粉砂孔隙承压含水层：该含水层由细粉砂组成，水位与上层水基本相当，顶板赋存深度16.0米，底板28.50米，厚度12.50米。渗透系数17.25m/d。含水层结构详见图2-2。
3 浅析地面沉降产生的主要原因
3.1估算渗透系数
原降水设计采用的第二层细粉砂孔隙承压含水层渗透系数为53.7m/d,与实际相比偏大3倍。利用本次降水观测资料推求渗透系数仅为17.25m/d。经比较场区上、下两个含水层渗透系数相差悬殊，可将上部粉质粘土孔隙含水层视为极弱含水层，在下部含水层长时间抽水，其上部含水层地下水将垂直渗透补给下部含水层。由于上部含水层富水性极弱，为简化计算，本次将场区水文地质计算模型概化为单层无限含水层，计算公式采用稳定流大井法。基坑面积（F）面积6589.5m2（基坑南北长95.5米，东西宽69米）；基坑排水量(Q)：日排水量8184m3/d（降水井31口，平均出水量11m3/h,基坑）；水位下降值(S)：降深值14米（降水期间水位从1.0米降至15米）。含水层厚度（M）:12.50m;计算公式选用如下：
基坑引用半径:（rw）：rw=(F/π)0.5=46m;
影响半径（R）：R=2S(HK)0.5=411m;
降水影响范围:（R0）=R+rW=457m;
渗透系数（K）:K=Q[lg(R0+rw)-lg(lgrw)]/（2.732MS）=17.25m/d;
3.2估算基坑周边水位下降值
分别选择距基坑周边7米和130米的A和 B两点（降水期间以上两点地面已发生较大的沉降），利用稳定流大井法计算公式推求基坑周边水位下降值。计算公式如下：
ΔH=Sj-0.366Q(rw+r/rw)*(km)-1
式中：Sj:基坑水位下降值(m)；
r：计算点距基坑的距离（m）；
计算结果A点水位下降13.15m,B点水位下降5.87m。
3.3估算基坑周边地面沉降
根据场区地层资料，上部粉质粘土层厚度16.30m。上述推求A、B两点的水位下降值分别为13.15m和5.87m，均未降至到细粉砂承压含水层的顶板，水位下降影响地面沉降的层位主要是上部粉质粘土层。估算结果A点地面沉降200mm,B点地面沉降40mm，与观测结果基本相同。地面沉降采用下式估算：
Sm=a1-2ΔH2rs/(2(1+e)
式中：Sm―降水引起的地面沉降（mm）;
a1-2 ― 计算土层压缩系数，0.427MPa-1;
e―土层孔隙比0.838；
ΔH2―水位降深值（m）
rs ―水重度，KN/m3。
3.4 工程降水设计不合理
原工程降水设计未考虑建筑基坑周边阻水帷幕及地面沉降问题。原设计基坑降水主要疏干的是细粉砂承压含水层中的地下水。据地下水位观测成果，降水期间水位已基本降至粉质粘土孔隙弱含水层底板，影响范围已超过150米，导致上部粉质粘土弱含水层中的孔隙水向下垂直越流补给下部细粉砂孔隙承压含水层，上部含水层中的孔隙水基本被疏干。由于水位下降，含水层被疏干，致使降落漏斗范围内的地下水位降落造成地面沉降。
3.5降水强度过大
原降水设计采用的渗透系数偏大，导致降水井排水量增大，水位降深超限，加之降水井过滤器选用粘粒过滤器，孔隙偏大，在这种高强度的长时间抽水过程中，不排除一部分含水层中的细颗粒被抽出的可能，这也是造成基坑周边地面大面积沉降的主要原因之一。
4对原降水方案的修改建议
4.1含水层结构
该建筑基坑降水涉及到的含水层从上至下有2个，上部为粉质粘土孔隙潜水含水层，渗透系数0.048m/d，含水性微弱；下部为细粉砂孔隙承压含水层，渗透系数17.25m/d。上下含水层渗透系数之比相差359倍。为此将该场区水文地质概念模型概化为无限含水层，下部含水层抽水，上部含水层中的水将越流补给下部含水层。
4.2基坑底水压力稳定分析
当基坑挖至9米底板时，下部细粉砂孔隙承压水是否能冲溃抗底现象，根据水压平衡原理，即当相对隔水层受到下部承压水的压力为rw(h+t)，而土的自重压力可看作土的重度r与t（隔水层厚度）的乘积，则两者达到平衡时rt=rw(h+t),按场区岩土工程报告，粉质粘土r=18KN/m3,rw=10KN/m3,测p0=(t/(h+t))<0.5,可产生底板冲溃，也就是说基坑地下剩余的粉质粘土层厚度不足以低档下部的水压，基坑会发生隆起。为此基坑降水需考虑下部承压水。
4.3隔水帷幕
通过上述分析，该场区基坑降水需考虑基坑周边隔水帷幕，其作用是将上下两个含水层在基坑降水过程中，其水位与基坑外水位不发生明显的变化或变化很小。具体做法是在抽水井外测设隔水帷幕桩，可选择造价较为低廉的粉喷桩，桩长穿过第二层细粉砂含水层底板，进入下部隔水层2-5米为宜，桩距可根据当地施工经验具体确定。
4.4 增设基坑周边水位观测孔
为有效控制基坑内和基坑外水位，调整水位降深，指导生产，在基坑内和基坑外应同时布设水位观测孔，观测孔网密度以满足降水过程地下水流网的建立为宜。
4.5 对原施工降水井的处理
不再增加降水井数量。应将原降水井超深部分井段封闭，其井底深度不超过下部承压含水层底板为宜。
5结语
随着我国经济的快速发展，一些超大型基坑已逐步发展到中等及中等以下城市。由于一些岩土工程设计单位缺乏设计经验，常在一些比较复杂的降水工程设计中缺乏正确的认识，导致工程事故的发生。本文系通过对上述降水工程实例的分析后认为，基坑降水工程必须设计水位观测孔，并建立基坑降水地面沉降预警值。设计观测孔的目的是对基坑降水过程进行有效控制，避免抽水强度过大，对含水层进行扰动。在基坑降水设计时必须进行地面沉降估算，并于此建立基坑降水地面沉降预警值，做到有备无患。本文通过对该降水事故的分析，其目是便于同类工程设计时借鉴，避免同类工程事故的再次发生。
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