摘要：在地下水位较高的地区开挖基坑时，为保证施工安全，防止与地下水有关的基坑边坡失稳、流砂、地面下沉或隆起等危害，必须对地下水进行控制处理。本文简要论述基坑工程地下水控制目前的发展现状并对未来的控制方向进行预测。
关键词：地下水控制；发展；预测
引言
考虑某些施工场地的地下水位高，并且在开挖过程中往往会伴有雨水和地表水的渗入导致地下水的大量汇集。而在基坑开挖过程中，地下水不仅影响施工的正常进行，同时也可能会造成基坑内侧的土体被水长期浸泡，影响边坡及坑底稳定性，严重威胁施工安全，影响工程质量。为保持干燥的施工场地、避免突涌破坏、防止渗水漏砂、以及避免地下室上浮等问题，需要对地下水进行合理的控制。
1 发展与现状
基坑工程地下水控制起源于19世纪工业革命，蒸汽泵技术快速发展。1835年左右，英国铁路工程师罗伯特·斯蒂芬逊首次将这种技术运用于铁路基坑的地下水控制[1]。当时史蒂芬森指挥修建伦敦到伯明翰铁路项目中的Kilsky隧道。在建设过程中，隧道内部地下水反复突涌，于是史蒂芬森沿着隧道外圈设置了一圈抽水井，并通过蒸汽泵排水。经过数月的抽水，以及密切地观察地下水位的变化，最终成功将地下水控制在施工面以下，Kilsky隧道顺利竣工。而这种在基坑四周布置排水井的方法沿用至今，如图1（a）所示排水法。
（a）排水法 （b）阻水法
图1 基坑工程地下水控制方法
同样在19世纪，另外一种常用的地下水控制方法——阻水法（图1（b）），出现在矿业工程中。这种方法就是在集水坑的四周用一些不透水的材料紧密相连形成井壁，并与地下的不透水层嵌固在一起，防止地下水渗透进来。井壁的材料由最初的木材发展为钢材。随后，阻水法在技术上也有了更大的进步，比如采用水泥灌浆法或人工地层冻结法等。
进入到20世纪，地下水控制技术得到了显著发展，开始有建造师考虑实际工程需要，设计出目前仍在沿用的井点系统[2]，并出现了喷射井点降水技术。二战开始到20世纪末，除了井壁材料和抽水泵有些微的改进外，地下水控制技术并没有明显的发展。随后至今，地下水控制的施工技术没有突破性的进展，但关于地下水控制的观念在逐渐转化。在此之前，工程师们往往是在施工过程中发现地下水对工程有影响时才采取补救措施，而现在，随着大量工程经验的积累，工程师们在建设项目规划初期就勘察地下水情况，并提前安排控制措施。这一阶段还有一个变化是计算机行业的迅速发展。采用电子技术提供了实时监测地下水位以及地面沉降的便利，并且为抽水项目实现了一定程度的自动化。可以根据监控测得的水位、坑周土体的土压力、土体变形等，实时调节抽水泵的功率。
此外，考虑到环境问题越发敏感，地下水回灌作为一种环境保护措施在基坑工程地下水控制技术中也被广泛应用。20世纪60年代，由于某些国家地下水资源开采过度，引起大量地面下沉等环境问题，人们开始关注地下水保护问题。在基坑工程中，常采用人工补给方式，如沟槽回灌或井点回灌，来保护地下水。即在抽水井外围再挖掘一排沟槽或者设置对应的井点，与抽水井通过水管相连，将部分甚至全部抽水井的水直接通过回灌沟槽或回灌井泵送至地下，从而阻止或减少地下水资源的流失。[3]
发展至今，常用的基坑地下水控制方法有以下几种：（1）常用的排水法有轻型井点降水、喷射井点降水、管井降水等；（2）常用的阻水法有钢板桩阻水、混凝土防渗墙阻水、水泥搅拌桩阻水、人工地层冻结阻水等。
2 未来发展预测
通常建筑工程师和水文地质家对地下水看法不一。站在建筑工程师的角度，地下水属于工程难题，地下水位以下的工程本质上比不受地下水位影响的工程更难。工程师们的首要任务是研究出上述的地下水控制技术，以便工程的顺利进行。而对水文地质家来说，地下水是一种很有价值的资源，是饮用水和工业用水的来源之一，也可形成河流、清泉等来丰富大自然。
当从地下含水层抽取水量超过长期平均流入水量时，将导致地下水资源的过度开采，引发严重的环境问题。虽然目前可以通过人工补给等方式来缓解过度开采，但缓解措施都是在事后采取的，而不是基于对潜在地下水影响的合理评估，在工程开始之前就计划好的。简而言之，地下水影响评估通常在项目计划中并不重要。
另外一个值得思考的问题是，如果在地下水污染区域或附近进行地下水控制，无论是采用排水法还是阻水法，都有可能会改变污水的流态和迁移路径。临近污水区域抽水会改变污水的水力梯度，阻水可能会导致污水的流向发生变化，甚至朝着相反的方向移动，如图2所示。若某区域已经存在水污染，必与该区域的地下水控制工程之间相互影响。因此在一个建筑工程项目在规划时，就应调查清楚场地所在区域的地下水情。后期地下水控制过程中，如采用排水法，可对抽水装置进行排污改造，过滤所抽取的污水至其污染程度达到排水标准；如采用阻水法，可采用可渗透性反应墙，也就是在阻水墙中加入可与污水发生化学反应的材料，当污水流向墙体时可以过滤污染物。
图2 基坑降水与邻近污水流相互作用示意图
地下水控制对水资源的影响不可忽略。基于目前的相关理论发展，前文中列出的各种地下水控制方法很大可能将继续沿用，未来进一步的发展可能是在施工技术上的进一步精进。未来工程师们所面临的主要问题应是如何在地下水控制过程中，加强对于地下水资源以及周围环境的保护。目前无论是抽取地下水所造成的周边环境影响，还是安装地下屏障所带来的后果并没有引起太多的关注，工程师们更多关注的还是如何避免地下水对于本工程的影响。综上所述，地下水控制未来真正的挑战很可能是如何控制其对环境产生的潜在影响。
结语
本文简要介绍了当代基坑工程地下水控制的发展与现状，并就目前的发展形势浅显预测了未来的发展方向。现有地下水控制技术已经可以满足工程建设的需求。未来面临的主要挑战未必是在技术上，而很可能是转至与环境保护之间的关系。地下水控制应将重心转至更好地预测和监控地下水对于周围环境的影响。
参考文献：
[1] PREENE M. In 200 Years of British Hydrogeology[M]. London：Geological Society Special Publication，2004.
[2] POWERS J P，CORWIN A B，SCHMALL P C，et al. Construction Dewatering and Groundwater Control：New Methods and Applications[M]. New York：John Wiley & Sons，2007.
[3] 肖焕雄. 中国水利百科全书：水利工程施工分册[M]. 北京：中国水利水电出版社，2004.
论文作者:鲁芬婷1,徐中秋1,李杰如1
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/5/8
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