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复杂地质条件下水利工程高水位深基坑降排水施工方法研究

2024-09-19 191 上传者：管理员

摘要：随着我国基础工程建设事业的不断发展，现代水利工程的工程规模、建设难度不断提高，深基坑挖掘逐渐成为复杂地质条件下水利工程建设的必要环节之一。深基坑开挖过程中，周围土体、地下水、地表水等可能都会对基坑成型质量造成影响，及时进行深基坑降排水施工，创造良好的工程施工条件，是现代基建工程领域研究的重要课题。基于此，本文以实际工程为例，探究在复杂地质条件下的水利工程高水位深基坑降排水施工方法，旨在为相关人员提供参考。

关键词：
复杂地质条件
排水
水利工程
深基坑
高水位
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1、工程概况

本文以引江济淮工程中引江济巢段枞阳引江枢纽工程为例，探讨复杂地质条件下水利工程高水位深基坑降排水施工方法的详细应用。该水利枢纽工程主要包含泵站、节制闸和船闸等多个建筑物，工程所在地理位置如图1所示。该水利工程中上游引航道底、下游引航道底和船闸闸室都采用深基坑结构。

图1 引江枢纽工程区地理位置示意图

该水利工程所在位置属于典型的喀斯特地貌，地下不均匀分布地下河、地下湖、地下溶洞等多种有水通道，且土层结构较为复杂，包含人工填土、沙壤土、粉质壤土等10余种不同类型土壤。工程建设区域地表及地下水位受季节变化影响较为明显，当地区进入雨季后，地下水位相对较高，加之建设区域多山，水位高度差异性也较为明显[1]。该区域地下水补给方式主要包含地表水渗入、山区空洞、缝隙补给及自然排水等。

2、高水位深基坑降排水施工方法

因工程建设区域地质条件十分复杂，为避免地表及地下水对施工造成影响，需要先构筑混凝土防渗墙，对深基坑外部及地下孔洞中水源进行隔绝，然后通过降排水将深基坑内水体排出，最后完成高水位深基坑整体降排水施工[2]。

2.1混凝土防渗墙施工优化流程

依照工程所在复杂地质条件，确定高水位深基坑降排水防渗墙施工流程如图2所示。

为创造良好的工程施工条件，必须保障该深基坑混凝土防渗墙的施工质量，通过在混凝土防渗墙中设置性能良好的导向槽，能充分满足深基坑降排水需求。因此，需要重点关注混凝土防渗墙的导向槽设计问题[3]。

该水利工程建设区域地层土壤以粉质黏土为主，同时伴生丰富的地下水系统，该种地质条件下，可从以下几方面对混凝土防渗墙导向槽设计进行重点优化：

(1)导向槽设计的精准化：

由于地质条件的特殊性，导向槽的设计需充分考虑地下水压力分布、土层稳定性及防渗需求，采用高性能材料增强导向槽的结构强度与密封性，确保深基坑降排水系统的稳定运行[4]。

图2 混凝土防渗墙施工流程

(2)应用斜塔引水系统：

为应对充沛的地下水资源冲击与影响，工程创新性地设计1m×2m规格的斜塔引水系统，其独特的横截面设计能有效抵御地下水流的干扰，提升混凝土墙防渗效果。

(3)优先选择环保施工材料：

施工场地存在土质松软、易受侵蚀的问题，工程优先选用聚氨酯发泡材料等具有优异导电性、防水性及耐腐蚀性的新型材料。不仅能提高导向槽排水效率和耐久性，还能有效延长防渗墙的使用寿命[5]。

(4)强化基础衔接技术施工质量：

为满足地质条件导致的极限承载力要求，工程采用先进的粘接技术，确保导沟与基础之间的牢固结合，增强整体结构的稳定性与耐久性。

2.2真空预压地下水位监测的降排水施工

(1)地下水位动态监测与综合分析。

由于工程建设区地下水位的动态变化受降雨、地形、气象等多因素共同影响，且复杂多变，本施工方法需要优先进行地下水位的全面、准确监测。通过分析土的赋存形态、水位面位势及水位基准面，结合降雨、地形、气象等要素的协同作用，建立地下水埋深演变规律的预测模型，依托该模型准确反映地下水位的动态变化，并根据监测数据确定深基坑降水井的设计参数。

(2)真空预压钻孔降水技术。

为有效控制基坑内水位，本工程采用真空预压钻孔降水技术。在深基坑外侧布置钻孔，利用真空预压原理，通过管道系统将地下水引导至地表并排出，实现基坑内水位的快速下降[6]。项目计划在20m、21.5m和0.5m深度各设置30个钻孔，确保降水效果。开挖过程中，埋设0.3m深的测压管，以监测水位变化，并保持钻孔与开挖面之间的安全间距。

(3)降水量的最优化设计与实施。

在降水井的设置上，考虑到单井降水量与全井降水量的差异，综合分析施工中可能出现的各类影响因素，最终将降水井深度设定为15m，以确保降水效果的最大化[7]。同时，根据地下水位监测结果，将20m以下的地下水埋深作为设计目标，并选取0.7m作为地基下沉的设计参考，以减少对地基标高的影响。在管道敷设前，进行详细的现场勘察，确保管道铺设的准确性和有效性。

(4)精细化的管线敷设与排水系统构建。

管线敷设过程中，严格控制埋入深度不超过200mm，垂直偏差小于1%，以保证管线的稳定性和排水效率。完成管线敷设后，对各井管进行紧密对接，确保无排水。钻孔过程中，使用稀释的泥浆覆盖井壁，形成深层排水系统，以增强排水效果。此外，采用集成式柱塞和空气压缩机组合，确保在出水浓度低于1/10000的情况下，排水系统仍能稳定运行，有效防止冲蚀现象，提升整体排污能力。

本工程通过结合真空预压技术与地下水位监测，实现了高水位深基坑降排水施工的高效、精准控制，为复杂地质条件下的水利工程建设提供了有力保障。

3、模拟结果与分析

3.1监测点布置与数据采集

将上述工程数据录入Ansys软件中建设该水利工程深基坑的有限元模型，结合当地地质条件及土壤结构信息，利用有限元软件分析施工方案、支护方案及降排水方案应用的科学性，施工过程中是否会发生基坑变形等不良影响[8]。通过对比可以确定，该水利工程深基坑变形相差达到10倍，支护结构内力相差达到1.5倍。最终建设的有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

构建这一有限元模型的目的在于全面捕捉降雨后地下水位变化及基坑变形情况，确保数据的全面性和准确性。因此，在图3所示有限元模型中设置多个监测点，其中监测点1为护坡监测点；监测点2设置在泵站；监测点3设置在船闸位置；监测点4设置在渠底位置。以上4个监测点有效覆盖可能对深基坑支护结构造成影响的关键点，通过对其进行全时段监测，能准确观测并确定该水利工程深基坑降排水施工效果。

3.2混凝土防渗墙降排水效果评估

为了验证混凝土防渗墙在不同深度配置下的降排水效能，对墙体内-16m、-19m、-22m、-25m、-28m、-36m及-40m等多个深度层级进行模拟分析。模拟过程中，采用的降雨量设定为该区域多年来的最高记录，即11.03m，以确保模拟结果的极端性和可靠性。模拟过程中混凝土防渗墙高程数值各监测点位势变化情况如表1所示。

从表1中记录可以看出，随着混凝土防渗墙隔板高程的提升，各监测点的位势均呈现出明显的下降趋势。这一趋势直接证明了增加隔板高度能够有效降低地下水的水位，验证了混凝土防渗墙在控制地下水方面的有效性。特别值得注意的是，-36m深度的深基坑表现出最佳的性能，其位势曲线呈现出清晰的峰型特征，表明该深度是地下水位控制的关键区域[9]。此外，模拟结果显示，在-36m以下，降雨对地下水位的直接影响逐渐减弱，说明该深度以下的地层具有较好的自然隔水性能。在模拟过程中，监测点1靠近山坡由于地理位置的特殊性，较早地受到了降雨的冲击，且由于其紧邻防渗墙，其位势相对较低，进一步证实了防渗墙在抵御外部水源入侵方面的积极作用。

因施工区内存在大量人工填土，土壤质地疏松，不利于自然的水土保持。然而，四个特定采样点的土壤主要由微细粒子组成，对重金属离子具有较高的吸附容量，这在一定程度上影响了位势的变化[10]。相比之下，其余两个观测点的土壤结构较为复杂，因此在实际工程数据分析和处理时需特别注意样本数据的选取与修正。

通过综合计算得出整个模拟区域的总体排水量，如图4所示。从图中可以看到四个测点中，位于下部的测点4由于土体膨胀性能较好，其渗透性也相对较高。而测点2和3的土体成分以砾石为主，虽然自然条件下渗透性强，但通过适当的工程处理，可以显著加快渗水速度，提升防渗效果。

对于深厚的土体区域，由于其本身具备良好的渗透性能且接近基坑开挖面，因此在施工过程中需特别关注其防渗措施的实施效果。如表1所示，-36m深度（即岩层位置）的渗透率在模拟过程中并未发生显著变化，这与之前的分析结论相吻合，进一步验证了该深度以下地层的稳定性和隔水性能。

3.3降水井降排水效果

随着钻探作业的逐步深入，岩石基质中的水分也会发生动态变化，监测数据如表2所示。

从表2的详细记录中观察到，随着工作时间的不断积累，各监测点中的积水潜深均展现出明显的下降趋势。这一变化过程可分为两个阶段：初期阶段，降水井迅速发挥效用，井筒周边地下水被快速抽排，地下水位急剧下降；随后进入稳定期，降水效率虽有所放缓，但仍保持持续稳定的降水效果[11]。特别值得注意的是，在施工进行到21天左右时，即便在地下20m深处的位置，地下水也达到了较为理想的低水位状态，这一深度对于保障深基坑施工安全至关重要。

图4 不同防渗墙高程下监测点总渗透流量

为维持并优化这一高效排水状态，抽水设备的功率需求随之增加，以确保在复杂地质条件下依然能够保持强大的抽水能力。

3.4防渗墙与降水井综合降排水效果

防渗墙与降水井的综合应用对于有效控制土体水分、维持围护结构稳定具有关键作用。本文通过模拟实验探讨这两种措施协同作用下的降排水效果及其对土体物理性质及围护结构稳定性的影响。

从表3可以看出，在经历7天的降雨后，16#土壤的关键物理参数如内摩擦角、粘聚力及弹性模数均达到了一定水平；在连续21天的降雨过程中，这些参数的变化趋势与7天前的观测结果保持高度一致，表明土体在持续降雨下的响应具有一定的规律性。

表1 混凝土防渗墙高程差异下位势变化情况

表2 不同工作时长下深基坑水位变化情况

表3 不同降排水时长下土体力学参数变化情况

但在采取防渗墙与降水井联合降排水措施后，土体的机械性质在脱水条件下基本保持稳定，并未出现显著恶化。相反，随着含水率的逐渐降低，土体的机械特性还呈现出逐步提升的趋势，这主要得益于防渗墙有效阻隔了外部水源的进一步渗透，同时降水井的持续工作不断抽排土体内部积水，两者协同作用显著改善了土体的力学状态。

通过对比连续7天、18天和28天降雨后的墙体位移数据（如图5所示），可以清晰地看到，随着降雨时间的延长，墙体的最大变形量逐渐减小。特别是经过28天的降雨后，墙体的最大变位已显著降至5mm左右，这表明防渗墙与降水井的联合作用不仅有效降低了库内水位，还显著减小了围护结构的侧壁位移，实现了良好的防渗效果。

4、结果分析

本文以实际工程为例探讨了复杂地质条件下，水利工程高水位深基坑降排水施工方法应用的有效性。结果表明：

(1)在深基坑的垂直深度上，防水性能呈现出显著的差异性，具体而言，在-36m深度处可达到最佳的防水效果。

图5 连续降排水受防渗墙位移情况

(2)深基坑开挖过程中，地下水位因开挖作业而显著下降，经过约21天的自然调整，形成一个相对稳定的低洼区域，这一过程不仅有助于基坑内部的自然排水，还能为后续的工程作业提供更为有利的条件，体现了施工过程中的自然调节机制。

(3)在雨水及持续湿润环境下，水泥基材料的内聚力表现出增强的趋势，而其泊松比和弹性模量则保持相对稳定，这一特性确保了防渗墙在恶劣环境下的长期有效性。此外，通过28天的连续监测，防渗墙加固处理后的大坝总体位移极小，进一步证实了该防渗体系的高效能与可靠性。

参考文献:

[1]陈政.复杂地质条件下水利工程高水位深基坑降排水施工方法研究[J].甘肃科学学报,2024,36(03):100-106.

[2]郭德强.轻型井点降水技术在水利工程建设中的应用[J].治淮,2024(04):32-33,36.

[3]孙卫华.组合土钉墙施工技术在水利工程中的应用[C]//上海市水利学会,江苏省水利学会,浙江省水利学会,安徽省水利学会,江西省水利学会.第二届长三角水论坛暨水利先进技术(产品)展示会论文集.中原大河水利水电工程有限公司,2024:5.

[4]寇麟兵.基于有限差分法深基坑支护模拟分析[J].海河水利,2024(03):99-102.

[5]杨罡.黄土地区给排水工程深基坑施工对临近地铁隧道影响分析[J].价值工程,2024,43(06):57-60.