某水電站廠房基坑排水井抽排效果三維有限元滲流分析

吳玉龍，孫成祥，張建海，李 莉，黃志剛

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)與保護國家重點實驗室，四川 成都610065;2.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都610072)

基坑防滲排水是水利水電工程中的施工難點[1－3]。目前在施工設(shè)計中，由于沒有統(tǒng)一的設(shè)計方法，設(shè)計人員大都采用經(jīng)驗公式計算基坑滲水量，而采用不同的方法計算，有時結(jié)果相差幾十倍[4－7]。

數(shù)值模擬是目前較為有效的方法。陶明星等[8]根據(jù)滲流場與溫度場具有相同控制方程的特點，采用ANSYS軟件的溫度場模擬基坑工程的滲流場，分析了地下防滲墻嵌固深度對基坑滲流量和滲透力的影響，比較準確的解決了防滲墻控制基坑滲流的問題。

相比防滲墻措施，排水井的模擬難度更大。原因主要是:(1)排水井是間斷分布的_，而防滲墻是連續(xù)分布的，排水井三維建模難度和工作量巨大;(2)模擬防滲墻只需要改變滲透系數(shù)即可，而模擬排水井還要在井底施加流量邊界[9－12]。

紀佑軍等[13]對排水井進行基坑降水有限元數(shù)值模擬時，雖然在排水井底部施加了抽排速度邊界條件，但他們采用的是二維有限元方法進行計算，不能模擬三維排水井的實際情況。朱明霞等[14]對間距較小的井點采用以槽代井法處理，但對花管段的節(jié)點按出滲零壓力邊界條件簡化處理，沒有模擬排水井的抽排作用。

鑒于上述問題，本文對某深基坑排水井進行三維有限元數(shù)值模擬時，對排水井的建模采用以槽代井模型，同時在井底施加流量邊界條件，在模型上更接近實際情況。

1 工程概況

如圖1所示，某水電站為引水式電站，設(shè)計引用流量140 m3/s，安裝3臺70 MW和1臺34 MW水輪發(fā)電機組，總?cè)萘繛?44 MW。電站廠房位于山前洪積扇下部，地勢總體由 NW—ES傾斜，廠房地面高程1 540 m～1 555 m，建基面高程為1 484.25 m，廠區(qū)大面高程1 506.05 m。如圖2所示，基坑地層由上至下為第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q31(al+pl))砂卵礫石層和下部埋深41 m～55 m第四系下—中更新統(tǒng)冰水堆積(Q1－2gl)半膠結(jié)礫巖。地下水埋深32 m～35 m，高程1 511 m～1 515 m。地下水位高于廠房建基面，在廠房下部開挖及混凝土澆筑過程中，應(yīng)進行降排水，本工程擬采用排水井方式進行廠房基坑施工期排水。

圖1 廠房基坑平面圖及計算范圍

圖2 廠房基坑縱剖面圖(樁號0+000剖面)

2 某水電站廠房基坑排水井抽排效果三維有限元滲流計算及分析

本文對采用排水井方式進行廠房基坑施工期排水的幾種計算工況進行了三維有限元滲流計算及分析。計算軟件采用四川大學(xué)水利水電學(xué)院巖土教研室研制開發(fā)的數(shù)值分析軟件NASGEWIN(計算機軟件著作權(quán)登記號:2009SR027603)[15－16]。

2.1 排水井三維簡化計算模型

基坑周邊布置一圈排水井如圖3(a)，本次三維滲流場有限元模型建模時，對排水井采用了圖3(b)的簡化計算模型:將間斷布置的排水井視為連續(xù)的排水槽。排水井井槽壁厚為t1，排水井井槽內(nèi)部寬度為t2。在深度方向上，如圖4所示，一根排水井由封閉井筒段和花管段構(gòu)成。簡化模型中，井槽底部取至井底水位高程1 469.55 m，且在井槽底部施加已知流速Vy的流量邊界。通過變化井槽流量邊界上不同抽水速度Vy(詳見表1)，即可模擬排水井的排水效果。

圖3 排水井簡化模型平面圖

圖4 排水井簡化模型立面圖

2.2 計算范圍

本次三維滲流場計算范圍如下(詳見圖1):X方向由上游指向下游，以機組中心線為界上下游各取250 m，即X方向共截取500 m;Y方向鉛直向上，從1 450 m高程取至地表;Z方向從左岸指向右岸，左右對稱各取180 m，即Z方向共截取360 m，本次計算將滲流區(qū)沿Z方向共分為38個剖面。

2.3 三維計算模型

三維建模時根據(jù)地質(zhì)剖面，嚴格模擬巖層界面、地形、地下水位線等地質(zhì)特征，對間斷分布的排水井進行了概化模擬，均化為井壁厚度t1=10 cm，井槽內(nèi)寬t2=20 cm的薄層排水單元，排水槽周長為464.08 m，排水槽底部排水面積 A=92.82 m2。排水總流量Q=A×Vy。

圖5所示為整體三維有限元網(wǎng)格模型，圖6所示為排水井三維有限元網(wǎng)格模型。巖體均采用三維8節(jié)點6面體等參實體元及其退化單元模擬。模型共計離散為53 801個節(jié)點和49 354個單元。

圖5 廠房基坑三維網(wǎng)格圖

2.4 計算工況及邊界條件

根據(jù)上述計算模型，三維滲流場計算邊界條件可簡化為:(1)依據(jù)各剖面的地基開挖邊坡以外地下水位線，確定基坑上下游地下水位線上節(jié)點滲壓為零，故把地下水位線上節(jié)點水頭等于其高程作為水頭邊界條件。(2)在排水井井底處根據(jù)工況的不同施加如表1所示不同的流量邊界條件。

圖6 排水井單元三維網(wǎng)格圖

表1 基坑滲水量計算工況

2.5 計算參數(shù)的選取

根據(jù)地質(zhì)和實驗報告，滲透系數(shù)和允許比降參數(shù)取值如下:冰水堆積(Q1－2gl)半膠結(jié)礫巖滲透系數(shù) K1=350.0 Lu，允許比降為 0.3;廠房沖洪積(Q31(al+pl))砂卵礫石滲透系數(shù) K2=700.0 Lu，允許比降0.25;排水井井槽內(nèi)側(cè)滲透系數(shù) K3=8 000.0 Lu;排水井井壁滲透系數(shù) K4=0.001 Lu。

2.6 計算結(jié)果及討論

如圖7所示，計算工況S1由于基坑內(nèi)無防滲和排水措施，地下水水頭分布平滑，滲壓隨高程降低而增大;基坑底高程較低的剖面上，基坑底面和邊坡上均存在滲壓，處于浸潤區(qū)，地下水將向基坑產(chǎn)生明顯滲水;基坑底高程較高的剖面上，基坑底面處于干燥區(qū)，但是邊坡上存在滲壓，處于浸潤區(qū)，地下水將通過邊坡向基坑產(chǎn)生滲水。

如圖8所示，計算工況S2～S6受到排水井的抽排作用，地下水水頭在排水井兩側(cè)明顯折減，基坑內(nèi)滲壓降低;隨著排水井排水量逐漸加大，基坑內(nèi)自由面逐漸下降，基坑底面和基坑邊坡上的浸潤區(qū)也逐漸減小，地下水向基坑滲水量顯著減小。特別在計算工況S6下，基坑底面浸潤區(qū)完全消失，基坑內(nèi)浸潤線呈現(xiàn)四周低，中部上鼓的特點，浸潤線頂部距基坑底部 2.15 m。

圖7 計算工況S1滲壓、水頭等值線圖(樁號0+000剖面)

圖8 計算工況S6滲壓、水頭等值線圖(樁號0+000剖面)

由表2可見，基坑涌水量隨著排水井抽排流量的增大而減小。當排水井的抽排總流量為64143.36 m3/d，只有基坑邊坡向基坑涌水，基坑總的涌水量減小為8.68 m3/d，排水井抽排量和基坑總的涌水量均較為合理，符合工程可操作性。

表2 各種方案基坑涌水量 單位:m3/d

由表3可見，計算工況S1上游坡腳滲透比降極值可達1.19，數(shù)倍于允許比降0.25;下游坡腳滲透比降極值可達0.50，也大于允許比降0.25。由于排水井的抽排作用，工況S2～S6上游坡腳滲透比降極值降至0.46，接近允許比降0.25;下游坡腳滲透比降極值下降為0.24，小于允許比降0.25。因此在設(shè)置排水井之外，需要對上游坡腳進行護坡，防止產(chǎn)生滲透破壞。

表3 各種方案上下游坡腳比降極值

3 結(jié)論

(1)本文提出將基坑周邊間隔分布的排水井簡化為連續(xù)分布的排水槽，同時在排水井井底施加抽排速度邊界條件，模擬排水井的抽排作用，較好的解決了三維滲流問題中排水井的模擬計算問題。

(2)在天然地基下，地下水將向基坑產(chǎn)生明顯滲水。有排水井抽排作用時，地下水水頭在排水井兩側(cè)明顯折減，基坑內(nèi)滲壓降低;隨著排水井排水量逐漸加大，基坑內(nèi)自由面逐漸下降，基坑底面和基坑邊坡上的浸潤區(qū)也逐漸減小，地下水向基坑滲水量顯著減小。

(3)本工程設(shè)計擬采用的排水井井底總流量邊界64 143.36 m3/d，能夠使基坑底面浸潤區(qū)完全消失，基坑內(nèi)呈現(xiàn)四周低，中部上鼓的特點，浸潤線頂部距基坑底部2.15 m。因此，該總排水流量邊界能夠較好地控制廠房基坑的滲流狀態(tài)，滿足工程設(shè)計要求。

(4)計算表明，有排水井抽排作用時，上下游坡腳滲透比降顯著下降。但是上游坡腳局部比降仍然大于允許比降，建議對上游坡腳進行護坡，防止邊坡產(chǎn)生滲透破壞。

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