5.4.5.1　降水问题综合评价

1.流场分析

渗流计算是在已知模型参数和定解条件下求解渗流控制微分方程，以获得渗流场水头分布和渗流量等渗流要素。渗流计算按求解方法分一般有解析法、数值法和电模拟法。1856年，法国工程师Darcy通过试验提出了线性渗透定律，为渗流理论的发展奠定了基础；1889年H.E.茹可夫斯基首先推导出渗流的微分方程。1922年巴甫洛夫斯基正式提出了求解渗流场的电模拟法，为解决比较复杂的渗流问题提出了一个有效工具，渗流理论的发展与研究逐步成熟完备。目前，渗流模型的建立和具体工程问题的求解等方面是国内外研究的重点。

在渗透理论中，描述饱和土中渗透的基本定律就是著名的达西定律。1856年，达西（Darcy）在设计第戎城（Dijon）的公共供水工程时，通过试验得出：

达西定律又称线性渗透定律，适用于各向同质稳定流条件下的水流计算。对于水在粗颗粒土，例如砾石、卵石的孔隙中流动时，水流的形态可能发生变化，随着流速增大，呈紊流状态，渗流不再服从达西定律，类似于管道水流。对于大颗粒土，存在大孔隙通道，在高渗透坡降下可能渗透变成紊流。在黏土中，水与颗粒表面的相互作用也可能是流变方程偏离牛顿定律。

在渗流数值分析中，渗透系数是最基本也是最重要的参数，它反映了渗透性能的强弱，它与土的种类，土颗粒的级配，土的密实度，渗透液体的动力黏滞系数及温度等因素有关。渗流数值分析结果的准确性依赖于所依据的数值模型的仿真性和计算参数的准确性，任何一方有偏差都不能得到符合实际的计算结果。

2.渗流破坏

渗透变形是指在渗透水流的作用下，土体失去部分承载力及渗流阻力而发生变形现象，渗透变形的进一步发展将导致渗透破坏，直接威胁基坑构筑物的安全。

建筑施工中，在地下水位较高的透水土层（如砂类土和粉土）中开挖基坑时，由于坑内外水头压力差别较大，较易产生管涌、潜蚀、流砂和突涌等渗透破坏现象（陈海军，任光明，1996；张永波，2000），示意图如图5.29、图5.30所示，导致边坡或基坑坑壁失稳，影响建筑体的稳定性。渗透变形是指地基土体在渗透水流的作用下，当渗透力达到一定值时，土体颗粒发生移动或土的结构、颗粒成分发生变化，从而引起土体变形的现象，其进一步发展将造成渗透破坏，直接威胁水工建筑的安全。

图5.29　管涌

图5.30　流砂

当基坑底部有承压含水层时，开挖基坑导致基坑底部隔水层厚度变薄。当基坑底部隔水层承受不住承压含水层的压力时就会导致基坑突涌。发生突涌的临界条件为

式中：γ和γw分别是覆盖层和地下水的重度；H相对于含水层顶板的承压水头值；M是基坑开挖后隔水层的厚度，如图5.31所示。

图5.31　基坑突涌条件

为了达到基坑干地施工的标准，必须保证基坑内地下水位低于基坑设计标高一定距离。在黄金坪水电站中（王正楠，邓潇，2014），设计为低于防渗墙顶部2m以上。基坑降水的要求要结合坝址区的具体情况来设计，必须因地制宜。

3.涌水量计算

在水电坝基建设时，需要在坝基建设区上下游一定距离内建设堵水围堰，并在坝基一侧或两侧岩体中建设泄洪洞使河水绕开建设基坑。但是，上下游围堰对水的堵截作用并不能达到滴水不漏的效果。在围堰的两侧，水位高低不同，高水位差导致水经过围堰底部覆盖层渗漏如基坑。根据以往经验，围堰渗漏的水量是基坑涌水的主要来源。此外，泄洪洞穿越岩层如果裂隙发育或者后期防渗处理不到位也会出现水漏向水头低的建设基坑中。除了这两种最主要基坑涌水来源外，区域降水和基坑建设中的废水也会在基坑内造成壅水。总之，基坑水源主要以上下游围堰渗漏为主要来源，是重点考虑对象。

根据达西定律，流量Q与过水断面A、水力梯度i及透水性质K有关（张人权，2010；李万军，2013）：

式中：K为渗透系数，cm/s；i为水力坡度；v为渗透速度，cm/s。

表5.17是常见的几种土的渗透系数参考值。

表5.17　常见的几种土渗透系数参考值

对于覆盖层地区的渗透系数的计算要根据覆盖层钻孔注水试验，采用下述公式进行：

式中：K为渗透系数，m/d；Q为稳定注水量，m3/d；L为试验段长度，m；S为孔中水头高度，m；r为钻孔半径，m。

对于覆盖层渗漏量估算采用下式进行：

(www.daowen.com)

式中：Q为渗漏量，m3/d；K为平均渗透系数，m/d；B为渗透层平均宽度，m；H为堰前水位深度，m；2b为堰基宽度，m；T为渗透层平均厚度，m。

根据基坑水源的分析，基坑涌水总的水量Q总是所有涌水来源之和，用公式表达如下：

式中：Q渗为渗漏水量，包括上下游围堰渗漏水量和泄洪洞渗漏水量，m3；Q降为区域大气降水水量，m3；Q废为基坑建设中的废水量，m3。

除解析法以外，Modflow等数值模拟在涌水量计算中也得到了广泛应用。

5.4.5.2　深厚覆盖层基坑降水措施

建筑工程基坑常用降水方法有很多，归纳起来有两大类，即采用防渗帷幕“堵水”和降水井“降水”。在一些基坑涌水较大的区域，则往往两种方法混合使用，来达到降低地下水水位的目的（王华俊，2013；冯晓蜡，2005）。水电大型基坑降水中广泛采用的方法基本沿用建筑工程中的方法。

1.防渗“堵漏”

在地下水位较高的透水土层（例如砂类土和粉土）中开挖基坑时，由于坑内外水头压力差别较大，较易产生管涌、潜蚀、流砂和突涌等渗透破坏现象，导致边坡或基坑坑壁失稳，影响建筑体的稳定性。因此，研究合理的渗流控制措施是具有十分重要的意义。提高抗渗透能力主要从两方面入手：一方面是提高坝基本身抵抗渗透破坏的能力；另一方面是降低渗透破坏力，即降低坝基出逸段坡降。遵循“前堵后排，防排结合，反滤层保护渗流出口”的渗流控制原则。

渗流控制措施按其作用，分为截渗措施（截水槽、防渗墙、着底式灌浆帷幕、冻结帷幕）、减渗措施（上游铺盖、悬挂帷幕）、排渗措施（水平排水褥垫、排水暗沟、减压井）、压渗措施（透水盖重层）、反滤措施（反滤层、过渡区）等五种。其中截渗及减渗措施通称为防渗措施，其作用是延长渗径、减少渗流量或截断水流、降低渗流水力梯度和渗流速度，通常按布置型式不同分为水平防渗措施及垂直防渗措施两大类。

（1）水平铺盖防渗。

主要有全部清除法、铺盖法、衬砌法、淤填法。它用于相对不透水层埋藏较深，透水层较厚，临水侧存在滩地，并且河道比较顺直不至于引起冲刷或崩岸时，做防渗铺盖可以延长渗流的路径，减小渗流的渗透坡降。其长度应通过计算确定，所用的材料有黏土或复合土工膜、编织涂膜土工布等。这种措施比较适合于土基的相对均质性较好且土基的渗透性不是太强的情况，对于砂砾或多层地基，采用延长水平渗径的途径来控制渗流，效果不是太明显。

（2）垂直防渗措施。

垂直防渗特别适用于浅层透水地基，以形成封闭防渗体系，也可用于地层下部深处有一层相对隔水层存在（其下仍为较厚的透水土层），以形成半封闭式的防渗体系。主要有开挖回填法（截水槽）、连锁板桩法（板桩墙）、冻结土壤法（冻结帷幕）。垂直防渗技术按其作用机理，分为置换、填充、挤密、固结和化学作用等；按成墙原理可分为置换、灌注两大类，按墙体材料又可分为刚性的和柔性的。按照防渗深度和范围，分为着底式（完整式、完全式）、悬挂式（不完全式）、箱式三种。着底式防渗措施底部与不透水层相接，能完全截断砂砾层，因此防渗效果好。悬挂式垂直防渗措施沿底部产生加密流网现象，防渗效果比着底式差，随着距不透水层距离加大，防渗效果显著降低，并加大防渗体底部水力梯度，从而增加发生内部管涌与接触冲刷的危险。因此，只宜采用承受水力梯度大的板桩及混凝土防渗墙等作为悬挂式帷幕，出口处做好反滤层、盖重，并要核算其底部及下游出口渗透稳定性。箱式帷幕应用于深厚砂砾地基中，沿建筑物基础形成箱式防渗体。由于箱式防渗体要承担巨大的地下水浮托力，只有用于不奎高水位或低水头建筑物的地基防渗。

2.降水方式

在建筑工程的应用施工中，常见有明沟排水、轻型井点降水、喷射井点降水、电渗井点降水、管井降水、辐射井点降水、自渗井点降水以及综合井点降水。考虑西南河谷深厚覆盖层特点，明沟排水、管井降水、辐射井点降水为较为适宜的方法，条件复杂时可考虑综合井点降水。

（1）明沟排水。

1）排水方法及适用条件。明沟排水是指在基坑内设置排水明沟或渗渠和集水井，然后用水泵将水抽出基坑外的降水方法，明沟排水简称明排。一般适用于土层比较密实，坑壁较稳定，基坑较浅，降水深度不大，坑底不会产生流砂和管涌等的降水工程。选用明沟排水降水时，应根据场地的水文地质条件、基坑开挖方法及边坡支护形式等综合因素分析确定（图5.32）。

图5.32　基坑内明沟排水

1—基坑内线；2—排水沟；3—集水井；4—挖土面

2）明沟排水工程的布置。基坑内明沟排水方式随着基坑的开挖，当基坑深度接近地下水位时，沿基坑四周基础轮廓线以外，基坑边缘坡脚内设置排水沟或渗渠，在基坑四角或每隔30～40m设一直径为0.7～0.8m的集水井，沟底宽大于0.3m，坡度为0.5%～1.0%，沟底比基坑低0.3～0.5m，集水井低比排水沟底低0.5～1.0m。集水井容积大小决定于排水沟的来水量和水泵的排水量，宜保证泵停抽后30min内基坑坑底不被地下水淹没。随着基坑的开挖，排水沟和集水井随之分级设置和加深，直至坑底达到设计标高为止。基坑开挖至预定深度后，应对排水沟和集水井进行修正完善，沟壁不稳时还须利用砖石干砌或用透水的砂袋进行支护。

若基坑宽度较大时，为加快降水速度和降低基坑中部的水位，可在基坑的中部设置排水沟，沟宽宜小于0.3m，沟深小于0.5m，沟内填入级配砂石，使之既能引水，又不会影响基坑降水地基的强度。当基坑深度较大，在坑壁出现多层水渗出时，可在基坑边坡上分层设置排水沟，以防止上层水流对边坡的冲刷而造成塌方。需要采用上述方法前，应做好基坑开挖范围和边坡支护的设计。

（2）管井降水。

1）管井降水的原理及适用条件。管井降水方法即利用钻孔成井，多采用单井单泵（潜水泵或深井泵）抽取地下水的降水方法。当管井深度大于15m时，也称为深井井点降水。管井的直径比较大，出水量大，适用于中、强透水含水层，如砾石、砂卵石、基岩裂隙等含水层，可满足大降深、大面积降水要求。

2）管井降水工程的布置。抽降管井一般沿基坑周围距基坑外缘1～2m布置，如场地宽敞或采用垂直边坡或有锚杆和土钉护坡等条件下，应尽量距离基坑边缘远些，可用3～5m；当基坑边部设置维护结构及止水帷幕的条件下，可在基坑内布置管井，采用坑内降水的方法。

管井的间距和深度应根据场地水文地质条件、降水范围和降水深度确定。井间距一般为10～20m。当降水层为弱透水层或降水深度超过含水层底板时，井间距应缩小，可用6～8m；当降水层为中等透水层或降水深度接近含水层底板时，井间距可为8～12m；当含水层为中等到强透水层，含水层厚度大于降水深度时，可用12～20m；当降水深度较浅、含水层为中等以上透水层，具有一定厚度时，井间距可大于20m。井点深度要大于设计井中的降水深度或进入非含水层中，井中的降水深度由基坑降水深度、降水范围等计算确定。

（3）辐射井点降水。

1）辐射井点降水的原理及适用条件。辐射井降水时在降水场地设置集水竖井，与竖井中的不同深度和方向上打水平井点，使地下水通过水平井点流入集水竖井中，再用水泵降水抽出，以达到降低地下水位的目的。该降水方法一般适用于渗透性能较好的含水层（如粉土、砂土、卵石土等）中的降水，可以满足不同深度，特别是大面积的降水要求。

2）辐射井点降水工程的布置。辐射井降水的竖井和水平井点设置，应根据场地水文地质条件、降水深度和降水面积等综合考虑确定。集水竖井一般设置在基坑的脚点外2～3m，竖井直径3～5m，深度超过基坑底3～5m。对于长方形基坑，可在对角设置两个集水竖井；当基坑长度较大时，可在一长边的两个角和另一个边中部各设一个集水井；基坑长度大于100m时，可按50～80m间距设置一个竖井。对于正方形基坑，其边长大于40m时，可在基坑的四个角设置竖井。当降水面积特别大时，除在周边按50～80m间距布设竖井外，还可以在基坑中部设置临时降水井点。竖井的布设，还应根据水平井点的施工设备能力、地层岩性、井点直径、水量大小及土层渗透能力确定。水平井点在集水竖井内施工，其平面位置一般沿基坑四周布设，形成封闭状。当面积较大或降水时间要求紧时，可在基坑中部打入水平井点，形成扇形状。在纵向上，必须根据降水深度、含水层厚度和层数、含水层的渗透能力和底板埋深等确定。对于单一含水层，其渗透性为弱到中等，基坑底板位于含水层之中，降水深度为5m左右时，可采用单层水平井点；当降水深度大于5m时，可采用多层水平井点，每层间距可按3～5m考虑。若含水层的渗透性较强，水量较大时，每层水平井点间距以2～3m为宜；当基坑深度超过含水层底板时，应在含水层底板以上0.1～0.3m位置布设一层水平井点，并在基坑的四周设置排水沟，以排走残留滞水若含水层底部为粉、砂层时，应进行护坡处理。

对于多层含水层结构的场地，应在每一含水层中至少设置一层水平井点，当含水层底板起伏变化较大（＞0.1m），且基坑深度位于含水层底板以下时，应设置两层，即分贝埋设在其高低底板以上0.1～0.3m的位置。对于含水层厚度较大，基坑底板位于含水层之中时，水平井点可设置一定的坡度，但最里端应低于基坑1～2m。水平井点孔的直径一般为70～150mm，孔内放入直径38～100mm的钢滤水管或波纹塑料水管或硬塑料滤水管。孔径、管径和管材料应根据地层土质、井点深度、涌水量等确定，目前一般使用的滤水管是上海生产的直径为的波纹塑料滤水管，但在砂卵石中应用钢滤水管。

（4）综合井点降水。

对于一些特定的水文地质条件和工程有特殊要求采用某一种井点降水难以取得满意的降水效果时，可以同时采用两种或多种降水方法，如管井与轻型井点降水想结合，喷射井点和电渗井点降水想结合，管井与引渗沙砾井相结合，轻型井点与喷射井点降水相结合等。