基坑疏干抽排地下水水資源論證
——以天津市會展調(diào)蓄池一工程為例

潘海平,王江濱,石 棚

(中研地科(天津)科技發(fā)展有限公司,天津 300210)

0 引言

為促進(jìn)水資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)利用,保障建設(shè)項(xiàng)目的合理用水要求,貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記提出的“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的方針治水思路”,推動水資源節(jié)約、水資源保護(hù),并且加強(qiáng)對水資源開發(fā)利用的管理,實(shí)現(xiàn)流域水資源合理開發(fā)、優(yōu)化配置、高效利用、有效保護(hù)以達(dá)到水資源可持續(xù)利用,在開發(fā)地下水資源的同時(shí)盡量減少地面沉降,水資源論證可以為水資源行政管理主管部門進(jìn)行水資源管理提供科學(xué)依據(jù)[1]。

天津市會展調(diào)蓄池一工程項(xiàng)目水資源論證在收集建設(shè)項(xiàng)目支護(hù)、止水、疏干抽排地下水方案的基礎(chǔ)上,合理確定水資源論證范圍,開展水資源地質(zhì)條件、抽排水合理性、取水影響、退水影響及地面沉降防治的分析論證,合理提出科學(xué)有效的水資源論證結(jié)果及建議,為水資源管理工作及有效控制地面沉降提供依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

會展調(diào)蓄池一工程項(xiàng)目由天津海河金岸投資建設(shè)開發(fā)有限公司投資建設(shè)。該地塊位于天津市津南區(qū)規(guī)劃國順路與規(guī)劃潤沽道交口東南角公園綠地內(nèi)(圖1)。中心地理坐標(biāo):北緯N39° 1′5.60″,東經(jīng)E117°22′59.37″。項(xiàng)目新建雨水調(diào)蓄池一座,總占地面積3 664 m2。調(diào)蓄池設(shè)置于地下,平面尺寸72.4 m×30.4 m,平面面積約2 200 m2,容積為16 000 m3;地上新建管理用房一座,建筑面積為150 m2。本次論證工程基坑開挖面積約為2 628.16 m2,基坑為矩形,長76.4 m,寬34.4 m,周長約為221.6 m?，F(xiàn)狀地面大沽標(biāo)高為0.30 m,基坑放坡深度4.8 m,放坡平面尺寸長112.6 m,寬70.6 m,基坑坑口大沽標(biāo)高為-4.5 m;基坑開挖深度普遍區(qū)域?yàn)?3.25 m,坑底大沽標(biāo)高為-12.95 m;泵房局部深坑挖深為15.95 m,坑底大沽標(biāo)高為-15.65 m。項(xiàng)目止水帷幕設(shè)置在放坡之下的基坑邊緣,止水帷幕包圍面積約為2 981 m2,止水帷幕周長約234 m。

圖1 建設(shè)項(xiàng)目位置圖

2 論證等級及范圍

2.1 論證等級

參照相關(guān)分級指標(biāo)(表1),項(xiàng)目疏干抽排地下水最大日抽排水量小于1 000 m3,屬于三級;基坑開挖深度13.25～15.95 m,屬于二級;基坑止水帷幕嵌入上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層粉質(zhì)粘土層中,阻斷潛水含水層及第一承壓含水層水平聯(lián)系,但降水涉及承壓水,屬于二級;基坑放坡區(qū)域降水未阻斷潛水含水層,屬于二級;降水工程所影響到的承壓含水層為雙層結(jié)構(gòu),屬于二級;工程不考慮水源回灌,屬于三級。綜上所述,確定本基坑疏干抽排地下水論證分類等級為二級。

表1 疏干抽排地下水建設(shè)項(xiàng)目水資源論證分類分級指標(biāo)

2.2 論證范圍

建設(shè)項(xiàng)目水資源分析范圍的確定應(yīng)“以與建設(shè)項(xiàng)目取用水有直接影響的區(qū)域?yàn)闇?zhǔn),統(tǒng)籌考慮流域與行政區(qū)相結(jié)合,并以行政區(qū)為宜”。項(xiàng)目位于天津市津南區(qū),天津市區(qū)域地下水資源評價(jià)和區(qū)域開發(fā)利用規(guī)劃均以區(qū)(縣)為單位的行政區(qū)進(jìn)行。因此,分析范圍為天津市津南區(qū),面積約387.84 km2(圖1)。

論證范圍為止水帷幕邊界外擴(kuò)基坑開挖深度的10倍區(qū)域。本項(xiàng)目基坑挖深13.25～15.95 m,按不利因素考慮,基坑挖深取15.95 m,則邊界向四周外擴(kuò)159.5 m,論證面積為172 282 m2。疏干抽排水影響范圍與論證范圍相同。本項(xiàng)目在基坑?xùn)|側(cè)設(shè)計(jì)1個三級沉淀池,抽排水經(jīng)沉淀池處理后,少部分用于場地內(nèi)道路臨時(shí)降塵灑水和車輛泥土沖洗,剩余部分排入項(xiàng)目東側(cè)國展大道市政雨水管網(wǎng)入口。退水范圍包括基坑范圍、排水管線、沉淀池、退水口位置,退水影響面積為15 438 m3(圖2)。

圖2 建設(shè)項(xiàng)目論證范圍及

3 水資源論證

3.1 水文工程地質(zhì)條件

建設(shè)項(xiàng)目位于華北平原北部,屬沖積、海積低平原地貌,地貌單一。本次論證以埋深50 m以淺的地層為研究對象,地基土按巖石力學(xué)性質(zhì)大致可劃分為13個亞層(表2)。該深度內(nèi)地層主要補(bǔ)給為大氣降水,以蒸發(fā)為主要排泄方式,屬于淺層地下水系統(tǒng)(圖3)。結(jié)合水文地質(zhì)特征可劃分為潛水含水層、相對隔水層、第一承壓含水層、相對隔水層、第二承壓含水層(表2)。

表2 巖性分層一覽表

圖3 建設(shè)項(xiàng)目場地水文地質(zhì)剖面圖

3.2 抽排水合理性

3.2.1 疏干、降水設(shè)計(jì)

基坑采用大口井+碎石盲溝排水系統(tǒng)?；觾?nèi)布置18口疏干降水井,井深21 m;基坑外布置58口疏干降水井兼觀測井,僅用于-4.50 m以上放坡區(qū)域的地下水降排,井深10 m;承壓觀測井布置6口,井深28 m,兼具備用減壓井功能(圖4)。降水井均采用無砂混凝土井管。在基坑開挖至坑底標(biāo)高時(shí),在基坑內(nèi)部和四周布置碎石盲溝排水系統(tǒng)?；咏邓て?8 d。包括正常的預(yù)降水時(shí)間、土方開挖、地下室結(jié)構(gòu)施工、主體施工等(表3)。根據(jù)開啟井?dāng)?shù)和抽水量大小,將整個降水時(shí)間劃分為4個時(shí)間段。

表3 降水時(shí)間安排表

圖4 基坑降水井及觀測井布置示意圖

3.2.2 基坑疏干抽排水水量估算

本次基坑工程止水帷幕完全阻斷降水目的含水層,因此基坑抽排水量包括:(1)基坑內(nèi)疏干層出水量;(2)基坑內(nèi)第一承壓含水層出水量;(3)基坑內(nèi)下臥未截?cái)嗟牡诙袎汉畬酉蚩觾?nèi)的越流量;(4)基坑外放坡區(qū)域疏干降水量。

依據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),基坑內(nèi)疏干層出水量估算公式為:

(1)

式中,Q為坑內(nèi)疏干層范圍內(nèi)的出水量(m3);Δhi為i土層中水位變化(降深)值(m);A為基坑止水帷幕圈閉面積(m2);μi為i土層給水度(表4);i為基坑最大降水深度范圍內(nèi)所包含的土層數(shù)。

綜上,計(jì)算基坑內(nèi)疏干層出水量,Q疏干=2 981×0.394 37=1 176 m3。其余水量估算過程皆類似于基坑內(nèi)疏干層出水量方法,經(jīng)過計(jì)算該項(xiàng)目基坑抽排地下水總量為3 689 m3,其中基坑內(nèi)疏干水量為1 176 m3,減壓降水出水量為388 m3,越流量為271 m3,平均每天越流量約為2.765 m3/d,放坡區(qū)域疏干水量為1 854 m3?；釉搅髁咳∽畲笾?即單位時(shí)間內(nèi)越流量取最大水頭差時(shí)的值。

3.2.3 論證范圍水量估算

論證范圍可出水總量包括潛水含水層出水量和承壓含水層出水量。本次對范圍內(nèi)基坑降水涉及的第一承壓含水層水量和第二承壓含水層已揭露部分水量進(jìn)行估算。承壓含水層水量計(jì)算分為兩部分,一部分為重力釋水,一部分主要是彈性釋水。

通過相關(guān)規(guī)范估算得出,基坑論證范圍內(nèi)可出水總量約381 396 m3,其中潛水含水層可出水量為67 943 m3,承壓含水層可出水量為313 453 m3。

綜上,本次基坑降水抽排的水量占論證范圍內(nèi)的可出水資源量比重較小,項(xiàng)目建設(shè)對水資源影響可控,因此該基坑抽排水量基本合理?；咏邓┕み^程中應(yīng)盡量按需降水,減少抽排水量,減少基坑抽排水對周邊環(huán)境的影響。

3.3 取水影響

本次采用Visual Modflow軟件對該基坑建立有效模型(圖5),預(yù)測在基坑降水的條件下的地面沉降量及地下水位變化[2]。模型將地層巖性概化為潛水含水層、相對隔水層、第一承壓含水層、相對隔水層、第二承壓含水層(表2),按照初步設(shè)計(jì)的降水與觀測井位置進(jìn)行模擬預(yù)測(圖4)。共劃分為4個應(yīng)力期,模擬時(shí)間為項(xiàng)目工期即98 d。

圖5 模型網(wǎng)格剖分立體圖

3.3.1 對周邊地下水水位影響

本次觀測井設(shè)置于基坑止水帷幕2 m處,基坑預(yù)降水14 d,觀測孔中水位降深達(dá)到5.45 m,大沽高程-5.5 m,達(dá)到放坡深度下1 m,放坡施工結(jié)束后采用明渠溝+集水井排水,故基坑外的降水井停抽,水位有所回升,基坑內(nèi)的降水井保持降水穩(wěn)定水位?；映榕潘?8 d時(shí),基坑放坡區(qū)域外水位降深在0～0.25 m之間,緊鄰基坑位置降深大,向外側(cè)降深逐漸減小(圖6)。

圖6 基坑降水98d周邊地下水水位降深等值線圖

3.3.2 對周邊地面沉降的影響

根據(jù)模型預(yù)測,基坑抽排水98 d時(shí)由降水引起的最大地面沉降量約為7.0 mm;基坑外地面沉降在0.00～7.0 mm之間,最大沉降區(qū)緊鄰基坑邊界(圖7)。綜上,本項(xiàng)目取水對水位及地面沉降影響較小,取水方案合理有效。

圖7 基坑降水98d周邊地區(qū)地面沉降等值線圖(單位:mm)

3.4 退水影響

3.4.1 退水系統(tǒng)及組成

基坑降排水系統(tǒng)由碎石盲溝與降水井組成?；?xùn)|側(cè)設(shè)置一個三級沉淀池,沉淀池尺寸為一級沉淀池:長×寬×深=2 m×1 m×2 m,二級沉淀池:長×寬×深=2 m×1 m×2 m,三級沉淀池:長×寬×深=2 m×2 m×2 m。降水井抽出的地下水經(jīng)四周排水管線進(jìn)入沉淀池進(jìn)行沉淀后,部分用于現(xiàn)場道路臨時(shí)降塵灑水和車輛沖洗用水,剩余部分排至項(xiàng)目東側(cè)國展大道市政雨水管網(wǎng)入口。

3.4.2 影響分析

本項(xiàng)目基坑水為地下水,基坑抽排水無二次污染,不會對周邊環(huán)境造成影響?；油怂疄镃l·SO4-Na·Ca型水,抽排水量相對較小,不會改變周圍水體物理、化學(xué)和生物指標(biāo)及特性,不影響水體正常使用功能,并未構(gòu)成水生態(tài)系統(tǒng)漸變與突變,對水功能區(qū)影響不大[3-4]。本次基坑降水產(chǎn)生的退水經(jīng)沉淀池沉淀處理后短時(shí)間內(nèi)排入指定的市政管網(wǎng)。不會對第三方產(chǎn)生負(fù)面影響。

基坑?xùn)|側(cè)設(shè)置一個三級沉淀池,退水經(jīng)四周排水管線進(jìn)入沉淀池進(jìn)行沉淀后,部分用于現(xiàn)場道路臨時(shí)降塵灑水和車輛沖洗用水,剩余部分排至國展大道市政雨水管網(wǎng)。沉淀池位置緊鄰進(jìn)出工程場地主出入口便于退水的回收利用,在國展大道靠設(shè)置一個退水口,其市政雨水管網(wǎng)容納能力可滿足退水量需求,本次實(shí)際排水過程中不會對其正常使用造成影響,退水口位置兼顧項(xiàng)目基坑排水管線和沉淀池位置,退水口設(shè)置合理(圖2)。

3.5 地面沉降防治

3.5.1 監(jiān)測措施

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2019)要求,在基坑開挖施工過程中,對基坑及周圍環(huán)境的變形情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,所取得的數(shù)據(jù)能可靠地反映開挖及施工所造成的影響。本次地面沉降監(jiān)測項(xiàng)目包括周邊地表豎向位移監(jiān)測、基坑外地下水位觀測及基坑內(nèi)外巡視檢查(表5)。

表5 基坑監(jiān)測期劃分

3.5.2 抽水控制措施

(1)工期控制措施:本項(xiàng)目降水時(shí)間共計(jì)98天,在施工過程中采取嚴(yán)格控制降水措施,基坑開挖過程中參考降水時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及水位情況及時(shí)停封降水井,完成相應(yīng)工作。降水施工過程中在滿足基坑抗浮穩(wěn)定性要求的前提下逐步封井,盡量縮短施工時(shí)間,減小基坑出水量。

(2)基坑開挖措施:基坑開挖采用分層分期開挖措施以求達(dá)到節(jié)水目的。

(3)地下水的回收利用措施:基坑開挖及其他施工過程中,抽排的地下水部分用于掃路面和降塵,剩余部分經(jīng)過濾沉淀后排入了指定市政雨水管網(wǎng),符合節(jié)約用水相關(guān)要求。

4 結(jié)語

(1)項(xiàng)目基坑抽排地下水總量為3 689 m3,基坑論證范圍內(nèi)可出水總量約381 396 m3,本次基坑降水抽排的水量占論證范圍內(nèi)的可出水資源量比重較小,項(xiàng)目建設(shè)對水資源影響可控。

(2)項(xiàng)目建設(shè)退水主要為地下淺層水,為天然水,工程建設(shè)未對其造成二次污染,抽取的地下水經(jīng)沉淀處理后在施工期間用于場地路面降塵、車輛沖洗等,剩余部分排入指定的市政管道下水口。地下水回收利用方案經(jīng)濟(jì)合理、具備實(shí)施條件,退水經(jīng)過沉淀處理且未經(jīng)二次污染,對周圍環(huán)境不會造成影響。

(3)在基坑開挖施工過程中,對基坑及周圍環(huán)境的變形情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,有效防治地面沉降的發(fā)生。