上海白龙港污水处理厂提标工程基坑降水分析

3.4.3.1　工程水文地质概况

本工程的地质条件详见表2－2。而在水文条件方面，上海地处江南水网地带，地表常分布有不规律的水渠、塘、沟壑。根据现场勘察结果，本工程东侧邻近长江，主要的浅层土为粉性土。因此长江地表水为地下水重要的补给源，且场地内地下水的水位受长江潮水水位高低影响较大。

除地表水外，还对潜水和承压水的情况进行了勘察。结果为：

（1）地下水潜水水位埋深为0.50～4.60m，相应标高为2.52～6.48m；

（2）拟建场地有第⑧2层承压水分布，层顶埋深为53.3～59.5m，承压水水头埋深一般为3.0～12.0m，并随季节呈周期性变化。

3.4.3.2　基坑降水难点

根据所处地质和水文环境的特点可知本工程的基坑降水存在如下难点：

（1）基坑开挖范围广、开挖深度大，基坑开挖过程中一次降水施工较为困难；

（2）上部边坡的降水效果直接影响整个围护体系的整体稳定性；

（3）地下水水位高，为保证基坑施工过程的安全性，需保持连续不间断降水作业；

（4）基坑开挖及地下结构施工期间，恰逢汛期，为保证基坑施工安全，需充分考虑相应地表排水设施。

3.4.3.3　降水方案的确定

针对3.4.3.2小节总结的基坑降水难点，首先对目前常规的降水方法进行了对比，结果如表3－8所列。

表3－8　常规基坑降水方法比较

（续表）

根据表3－8的比较结果，同时综合经济、施工效率、对周围环境的影响等因素，决定采用如下所示的降水方式：

（1）在基坑上部二级坡的坡顶及一级平台处采用轻型井点降水的方式；

（2）在二级坡坡底采用井管降水的方式；

（3）在基坑中重力坝范围内的土方开挖采用管井降水的方式。

基坑外部降水施工内容主要包括：

（1）基坑坡顶及－4.5m 一级平台设置施工轻型井点；

（2）在－8.1m 坡脚设置施工疏干井点；

（3）围护桩外放坡区域轻型井点降水及深井降水。

降水需持续直到箱体土建施工完成。基坑外部降水井布置如表3－9 和图3－32所列。

表3－9　基坑外部降水井布置

图3－32　基坑外部降水井布置

基坑内部降水施工内容主要包括：

（1）基坑围护桩范围内下部降水作业；

（2）进出通道放坡降水及基坑内外排水。

降水分区进行（A，B，C三个大区，共计30个小区），每个分区布置一口水位观测井，共计30口水位观测井。基坑内降水井布置如表3－10和图3－33所列。

表3－10　基坑内降水井布置

图3－33　基坑内降水井平面布置

3.4.3.4　降水方案的验算

根据选定的降水方式，采用Visual Modflow 软件对地下水流降水过程进行模拟。

1.地下水渗流数学模型

地下水流和土体是由固体、液体、气体三相体组成的空间三维系统，其中土体可视为一种多孔材料。因此，地下水在土体中流动的问题本质上是地下水在多孔介质中流动的问题。而该问题又可进一步转换为一个三维非稳态渗流过程。

2.地下水渗流数值模型

根据本工程的岩土勘察报告及水文地质条件，按以基坑为中心，边界布置在降水井影响半径以外的原则确定模拟区的平面范围。根据施工场地内的工程地质及水文地质报告，对模拟区进行模型网格剖分，由外到内逐步加密。形成的平面剖分图及模型立体离散图如图3－34和图3－35所示。

图3－34　渗流模型平面剖分图

图3－35　渗流模型立体离散图

地下水渗流系统符合质量守恒定律和能量守恒定律。本工程含水层分布广、厚度大，在常温常压下地下水的运动符合达西定律。考虑浅层和深层之间的流量交换以及渗流特点，将地下水运动概化成空间三维流动。地下水系统的垂向运动主要是层间的越流，因此三维立体结构模型可以很好地解决越流问题。地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，参数随空间变化，体现了系统的非均质性，但没有明显的方向性，所以参数概化成水平向各向同性。综上，模拟区可概化成均质水平各向同性的三维非稳定地下水渗流系统。模拟区水文地质渗流系统通过概化、单元剖分，即可形成地下水三维非稳定渗流模型。

数值模拟中的模拟期及相应计算周期视降水施工工期不同而设定不同值，在同一计算周期中，所有外部源汇项的强度保持不变。

为了克服由于边界的不确定性给计算结果带来随意性，定水头边界应远离源汇项。由于本工程基坑顶部周边设置有周圈的止水帷幕，坑外地下水向坑内补给时会受阻，故数值模拟以整个基坑的东、西、南、北最远边界点为起点，各向外扩展约400m。因此，实际计算平面尺寸为1 200m×1 200m，四周均按定水头边界处理。

当数值模型准备好后，需要根据施工过程选择计算工况。以C3标（即北侧基坑）分区为例，C3标基坑分为A，B，C 三个大区，土方开挖为A—B—C 顺序开挖，如图3－36所示。由此，确定如下三种工况。

图3－36　C3标基坑土方开挖示意

（1）A 区降水完成后进行土方开挖，然后进行B区降水施工，接着进行C 区桩基施工，这种工况的基坑内、外水位埋深等值线图如图3－37所示。

图3－37　工况一水位降深等值线图（单位：m）

（2）A 区降水完成后进行底板施工，然后进行B区降水施工，待降水完成后进行挖土施工，接着进行C区降水施工，这种工况的基坑内、外水位埋深等值线图如图3－38所示。

图3－38　工况二水位降深等值线图（单位：m）

（3）A 区降水完成后进行结构施工，然后进行B区降水施工，待降水完成后进行底板施工，接着进行C区降施工，待降水完成后进行土方开挖，这种工况的基坑内、外水位埋深等值线图如图3－39所示。(www.chuimin.cn)

图3－39　工况三水位降深等值线图（单位：m）

本工程基坑最大开挖深度15.8m。根据上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》（GBJ 08－37—2012）中12.3.3条对⑧2层承压水水头的稳定性安全系数进行了估算，判别基坑开挖后是否处于抗底部承压含水层突涌稳定的状态。计算中，基坑按最不利组合因素考虑：最大深度15.8m、承压水埋深3.0m、层顶埋深取53m。计算结果表明：第⑧2层承压水不存在突涌的可能。因此，本工程的降水施工采用疏干地表水的形式。

3.4.3.5　深井降水施工

为便于降水施工，深井的降水口应高于地面或支撑面以上0.50m，以防止地表污水渗入井内。降水口一般采用优质黏土或水泥浆封闭，深度不小于1.50m。各类管井的井壁管均采用内径273mm 的焊接钢管。各类深度的深井构造如图3－40所示。

图3－40　深井降水剖面示意

各类管井均采用圆孔滤水管和沉淀管。其中，滤水管的直径与井壁管的直径相同，外包二层40 目的尼龙网。然后采用16＃扎丝分档捆紧（每档0.8～1m），以防止下井管过程中发生滤网脱落现象。沉淀管可以保证过滤器不致因井内沉砂堵塞而影响进水。沉淀管接在滤水管底部，直径与滤水管相同，长度为1.00m，并将底口封死。

为了防止地下泥沙过多排出而影响周围环境，根据本工程的土层特点（黏土为主）和降水经验，选择小颗粒瓜子片（石屑）作为滤料。此滤料渗透性好，又能过滤泥沙。填黏性土封孔，在滤料的围填面以上采用优质黏土围填至地表并夯实。

深井降水的施工流程如图3－41 所示。施工过程主要涉及如下所述的工艺。

图3－41　深井施工流程

（1）测放井位。

根据降水井井位平面布置图测放井位，当布设的井点受地面障碍物或施工条件的影响时，现场可作适当调整。

（2）埋设护口管。

护口管底口应插入原状土层中，管外应用黏性土封严，防止施工时管外返浆，护口管上部应高出地面0.20～0.30m。

（3）安装钻机。

机台应安装稳固水平，大钩对准孔中心。大钩、转盘与孔的中心三点成一线。

（4）钻井成孔。

降水井的开孔孔径为650mm 并沿井深不变。钻井开孔时应保证钻井的垂直度。钻井过程中采用孔内自然造浆，泥浆比重控制在1.10～1.15。当提升钻具或停工时，孔内必须压满泥浆，以防止孔壁坍塌。

（5）清孔换浆。

下井管前的清孔换浆工作是保证成井质量的关键工序。为了保证成孔在进入含水层部位不形成过厚的泥皮，当钻至含水层顶板位置时开始加清水调浆。钻井至设计标高后，在提钻前将钻杆提至离孔底0.50m 处，清除孔内杂物。同时将孔内的泥浆相对密度逐步调至1.05，直至返出的泥浆内不含泥砂为止。

（6）下井管。

井管进场后，应检查过滤器的缝隙是否符合设计要求。下管前必须测量孔深，符合设计要求后开始下井管。下管时在滤水管上、下两端各设一套直径小于孔径5cm 的扶正器，以保证滤水管居中。井管焊接要牢固且垂直，待其下到设计深度后将井口固定居中。下井管过程应连续进行，不得中途停止。如因机械故障等原因造成孔内坍塌或沉淀过厚，应将井管重新拔出，经清孔后重新下入。

（7）填砾料（小颗粒瓜子片、石屑）。

填砾料前在井管内下入钻杆至离孔底0.30～0.50m 处。井管上口加闷头密封后，从钻杆内泵送泥浆进行边冲孔边逐步调浆使孔内的泥浆从滤水管内向外由井管与孔壁的环状间隙内返浆，使孔内的泥浆相对密度逐步调到1.05。然后开小泵量按沉井的构造要求填入砾料，并记录砾料的高度，直至砾料到达预定位置为止。

（8）井口封闭。

为防止泥浆及地表污水从管外流入井内，在地表以下回填2.00m 厚黏性土止水或采用水泥浆封孔。当土方开挖到支撑面停挖后，根据需要可将井管四周的砂砾清出并回填黏土密实，深度为支撑面以下0.5m。

（9）洗井。

在提出钻杆前利用井管内的钻杆接上空压机先进行空压机抽水洗井，待井能出水后提出钻杆再用活塞洗井。活塞必须从滤水管下部向上拉，将水拉出孔口。对出水量很少的井可将活塞在过滤器部位上下窜动，冲击孔壁泥皮。此时应向井内边注水边拉活塞。当活塞拉出的水基本不含泥砂后，可换用空压机抽水洗井吹出管底沉淤。这是因为，当压缩空气通过进气管通到排水管下部时，排水管中的水气混合物密度小于排水管外的泥水混合物密度，由此产生管内外的压力差。此时，排水管外的泥水混合物在压力差作用下流进排水管内。于是，井管内就形成了水、气、土三相混合物，密度随掺气量的增加而降低。随着混合物不断被带出井外，滤料中的泥土成分越来越少，直至清洗干净。当井管内泥砂多时，可采用“憋气沸腾”的办法，即反复关闭、开启出水管的阀门，利用井中水的沸腾来破坏泥皮和泥砂滤料的黏结力，直至井管内排出的水由浑变清并达到正常出水量为止。

洗井应在下完井管、填好滤料后立即进行，以免时间过长导致护壁泥皮逐渐硬化，影响渗水效果。绝不允许搁置时间过长或完成钻探后集中洗井。

（10）安泵试抽。

成井施工结束后，在降水井内及时下入潜水泵与接真空管、排设排水管地面真空泵安装、铺设电缆等。电缆与管道系统在设置时应注意避免在抽水过程中被挖土机、吊车等碾压、碰撞损坏。因此，现场要在这些设备上进行标识。抽水与排水系统安装完毕，即可开始试抽水。先采用真空泵与潜水泵交替抽水，真空抽水时管路系统内的真空度不宜小于－0.04MPa，以确保真空抽水的效果。

（11）抽水试验。

本工程正式降水施工前，基坑内需针对各土层开展现场群井抽水试验。一方面检查围护封闭情况，另一方面测定各含水层的水文地质参数（水头埋深、渗透系数、贮水率等），以便提供可靠依据以优化及调整后期的抽水运行方案。

3.4.3.6　轻型井点降水施工

轻型井点降水施工流程如图3－42所示，主要施工步骤包括：①定位放线；②成孔；③安装井点管；④填滤料、封口；⑤管路连接、检查；⑥抽水。施工过程主要涉及如下所述的工艺。

（1）定位放线。

通过测量仪器定出井点轴线位置，用麻线和卷尺正确定出井管位置，并严格按照规范要求进行成孔。井管平面位置偏差不大于20cm。

图3－42　轻型井点施工流程

（2）成孔。

在井点安装前应预挖深约1.0m 的沟槽以防止在冲孔过程中冲孔用水四溢，保证降水效果。井点管与井点管间距为800～1 000mm。井点降水成孔施工采用水冲法。该方法是用高压水冲刷土体并用冲管扰动土体助冲，将土层冲成圆孔后埋设井点管，成孔孔径不小于300mm，井点管间距1.50m。冲孔深度应比井点管底部深0.5m，以确保滤管四周及底部的滤水层。

（3）安装井点管。

冲孔成功后，应立即放入井点管，井点管采用直径38mm 的钢管。过滤管外侧包裹滤网，内层为网眼3～10孔／cm2的细丝网。井点管应位于孔的中心，垂直度允许误差为1%。

（4）填滤料及封口。

井点管放置后，在管壁周围填滤料。滤料采用粗砂，灌砂高度至孔口以下1m处，以确保水流畅通。填滤料时注意填滤速度，避免中部架空。同时滤料投入量不得少于计算量的90%。当填砾至孔口1m 左右时，改换用黏土逐层填入捣实封口，从而实现真空降水。

（5）管路连接。

采用内径38mm、长约0.7m 的软管连接井管与集水总管。集水总管的直径为60mm、长度为6m，用钢丝管连接。在管壁每1～2m 处设置一个连接井管的接头，并与抽水泵连接。安装过程中各连接点必须密封，井点真空度不小于0.65MPa。

（6）管路检查。

检查集水干管与井点管连接的胶管的各个接头在试抽水时是否有漏气现象，发现这种情况应重新连接或用黄油堵塞。在正式运转抽水之前必须进行试抽，以检查抽水设备运转是否正常、管路是否存在漏气现象。在水泵进水管上安装一个真空表，并定时检查真空度。

（7）试抽水。

安装集水箱和排水管，开动水喷射泵机组进行排气排水，及时进行试抽水，使井点系统的滤管吸水畅通。检查真空度、出水量、水喷射泵机组运转是否异常。发现问题及时进行检修，确保井点系统正常运转。

（8）抽水。

整个抽水管路无漏气现象，可以投入正常抽水作业。开机3d后将形成地下降水漏斗井趋向稳定。土方工程可在降水5d后开挖。

3.4.3.7　地表集水排水施工

本工程施工恰逢雨季，降水量较大。为解决这一问题，在基坑放坡开挖的坡顶、二级放坡的坡脚以及基坑双排桩重力坝靠近基坑内部各设置了一圈排水沟，如图3－43所示。参照基坑开挖面积及往年瞬时最大降水量，排水沟每隔40m处设置一个集水井。

图3－43　地表集水排水布置