揚(yáng)中金源時(shí)代購物中心基坑降水?dāng)?shù)值模擬分析

葛 鵬，胡 遠(yuǎn)，左新明

(1.江蘇地質(zhì)基樁工程公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山 063000)

0 引言

地下水控制是基坑工程的重要組成部分，越來越多的深基坑工程涉及降水問題，特別是在建筑物密集區(qū)，基坑降水會(huì)引起周圍一定范圍內(nèi)的地表沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鄰近建(構(gòu))筑物破壞[1-3]。因此，基坑降水方案是否合理可行，關(guān)系到后續(xù)基坑工程的正常施工。在基坑工程中，降水方案達(dá)不到預(yù)期效果不僅可能導(dǎo)致整個(gè)基坑倒塌，而且可能波及周圍建筑物，造成嚴(yán)重的工程事故。因此，有必要對(duì)基坑降水方案進(jìn)行安全性評(píng)估。在降水方案設(shè)計(jì)時(shí)，土體的滲透系數(shù)是最基本的設(shè)計(jì)參數(shù)，其值的準(zhǔn)確與否將對(duì)基坑降水方案的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響。一般工程項(xiàng)目降水方案中水文參數(shù)的選取都是基于地勘報(bào)告中土體室內(nèi)試驗(yàn)獲得的滲透系數(shù)，其值往往小于現(xiàn)場原位試驗(yàn)獲得的土體滲透系數(shù)[4-6],因此，在基坑抽水方案設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)地勘報(bào)告中的土體滲透系數(shù)進(jìn)行一定調(diào)整，以滿足基坑降水的要求。本著合理降水、按需降水的原則，提出了通過現(xiàn)場降水試驗(yàn)反演場地水文地質(zhì)參數(shù)的分析方法。

針對(duì)基坑降水參數(shù)如何取值問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究。王江思[5]在平面二維承壓含水層內(nèi)，采用不同方法求解滲透系數(shù)K，并對(duì)計(jì)算結(jié)果差異性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在含水層不滿足各向同性、等厚，邊界無限遠(yuǎn)假設(shè)條件時(shí)，Theis圖解法、Jacob 直線圖解法求解的有效滲透系數(shù)與真實(shí)場均值滲透系數(shù)相差較大，且不能較好的反映含水層的非均質(zhì)性。而地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法和pest參數(shù)優(yōu)化法可以有效的反映含水層非均質(zhì)性。毛喜云等[6]利用Aquifer-Test軟件對(duì)抽水試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)合Mod Flow三維滲流軟件對(duì)含水層水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合、反演，最終獲得了較為準(zhǔn)確的弱透水層和隔水層相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。殷寶兵等[7]利用MIDAS/GTS數(shù)值分析軟件建立三維滲流模型，通過對(duì)現(xiàn)場單井抽水試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，綜合地勘滲透系數(shù)和抽水試驗(yàn)，反向推演出了符合工程實(shí)際的滲流邊界函數(shù)和滲透系數(shù)。然后通過單井反演獲得的土體滲透系數(shù)，建立基坑降水分析模型，對(duì)降水方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和指導(dǎo)。結(jié)果表明，采用反演獲得的土層滲透系數(shù)建立的基坑降水分析模型，能夠很好的指導(dǎo)基坑降水工程的施工。閆峭等[8]根據(jù)回灌過程中水文地質(zhì)參數(shù)的特點(diǎn)，建立相應(yīng)的反演優(yōu)化模型，利用改進(jìn)遺傳算法求解，提出了將滲透系數(shù)設(shè)為隨時(shí)間衰減而變化的優(yōu)化模型。通過與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對(duì)比，表明優(yōu)化模型能夠很好的模擬基坑降水、回灌過程。

本文以揚(yáng)中金源時(shí)代購物中心基坑降水工程為例，以地勘報(bào)告中的土體滲透特性參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場單井、雙井抽水試驗(yàn)結(jié)果，反演出數(shù)值分析模型中的土體滲透特性參數(shù)。然后以反演獲得的土體滲透系數(shù)為基本參數(shù)，結(jié)合基坑降水、止水、回灌設(shè)計(jì)方案，對(duì)基坑降水方案進(jìn)行分析和評(píng)估。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目金源時(shí)代購物中心位于江蘇鎮(zhèn)江揚(yáng)中市最繁華的商業(yè)核心地段，西至文化路，北鄰江州西路，南隔揚(yáng)子中路，東接前進(jìn)路，基坑長277 m，寬210 m，周長約960 m，總用地面積約5.5萬m2。地面以上有7棟高層住宅樓，1棟30層酒店，4層裙樓，3層地下室，基坑開挖深度約14 m。該區(qū)域?yàn)榈湫烷L江漫灘區(qū)地貌，根據(jù)地質(zhì)鉆探揭示的場地地層依次為：雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉砂夾粉土、粉砂、粉細(xì)砂、中粗砂混礫石層。場地地下水為孔隙水，賦存在場地各土層，水量豐富?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁加2層砼支撐，基坑外圍采用直徑850 mm、間距1200 mm、長度28.5 m的三軸深攪樁形成封閉止水帷幕(樁間土采用二重管高壓旋噴處理)。降水采用管井并結(jié)合排水溝加集水坑明排方式降低地下水。

本工程基坑開挖面積大，降水范圍影響廣，場地地層水平分層較為明顯，砂層較厚，土體滲透系數(shù)較大。因此，降水方案設(shè)計(jì)的合理性將對(duì)基坑工程和周邊環(huán)境產(chǎn)生重大影響。降水井平面布置如圖1所示。

現(xiàn)場基坑降水設(shè)計(jì)投入285口降水井，并在基坑四周設(shè)置59口水位監(jiān)測兼回灌作用的管井。降水井深31 m，成井孔徑600 mm，井管采用?273 mm鋼管，濾料為中粗砂，過濾段長度21 m,沉淀管長度1 m。過濾管類型為橋式濾管，外包80目錦綸，過濾管外填中粗砂。現(xiàn)場單井抽水試驗(yàn)設(shè)置JS1、JS2、JS3三口試驗(yàn)井，三井間距分別為15和16 m，管井結(jié)構(gòu)和降水井相同。

2 降水參數(shù)反演

根據(jù)勘察揭示的土層結(jié)構(gòu)特征分析，地下水為孔隙潛水，賦存于場地內(nèi)各土層中，水量豐富。地層雜填土較為松散，賦水性及透水性好，大氣降水極易滲入到下部土層中。地層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土飽含地下水，整體透水性弱，水平向稍強(qiáng)，基坑開挖施工涉及其余土層均飽含地下水，且透水性較強(qiáng)?，F(xiàn)場測定的地下水穩(wěn)定水位在地表以下1 m。

圖1基坑降水井平面布置
Fig.1Layout of foundation pit dewatering wells

殷寶兵等[7]指出，地勘報(bào)告提供的土層滲透系數(shù)是通過現(xiàn)場取樣、室內(nèi)試驗(yàn)所得，與場地實(shí)際值有所差別?？紤]到本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，降水效果對(duì)工程進(jìn)度影響嚴(yán)重，需通過現(xiàn)場抽水試驗(yàn)反演基坑降水設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合反演的參數(shù)對(duì)基坑降水方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 MIDAS /GTS軟件介紹

在對(duì)地下水基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究時(shí)，地下水在巖土體空隙中隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)軌跡難以得知。故對(duì)地下水的流動(dòng)狀況予以簡化，僅對(duì)地下水總體流向進(jìn)行關(guān)注，忽略其它滲流路徑，不考慮固體顆粒對(duì)地下水流動(dòng)的影響，這種假想的流動(dòng)稱為滲流。

在MIDAS/GTS軟件分析基坑降水時(shí)，為考慮基坑降水的時(shí)間效應(yīng)，可采用考慮時(shí)間效應(yīng)的非穩(wěn)定滲流分析理論。流動(dòng)法則采用達(dá)西定律，具體方程如下：

式中：H——總水頭；t——時(shí)間；kx——x方向的滲透系數(shù)；ky——y方向的滲透系數(shù)；kz——z方向的滲透系數(shù)；Q——流量；Θ——體積含水率。

該方程表示任意位置、任意時(shí)刻，微小體積水體的流入和流出變化量。通過MIDAS/GTS軟件建模時(shí)，主要輸入?yún)?shù)包括土層滲透系數(shù)、節(jié)點(diǎn)水頭及節(jié)點(diǎn)流量。

(1)節(jié)點(diǎn)水頭。在MIDAS/GTS中，節(jié)點(diǎn)水頭不但可以準(zhǔn)確模擬抽水管井的位置，還可以通過穩(wěn)態(tài)的常量水頭或瞬態(tài)的變化水頭模擬基坑地下水的回灌。

(2)節(jié)點(diǎn)流量。在MIDAS/GTS中，節(jié)點(diǎn)流量可以用來對(duì)井點(diǎn)抽水(回灌)流量進(jìn)行模擬。在管井的節(jié)點(diǎn)水頭位置處通過輸入流量，可用于描述降水井抽水(回灌)的實(shí)際狀態(tài)。

對(duì)于流量隨時(shí)間變化的瞬態(tài)分析，可以用函數(shù)定義。使用函數(shù)時(shí)，按輸入的值乘以一定的場地系數(shù)后反映到分析中，用于描述抽水井流量與時(shí)間的變化關(guān)系。

2.2 抽水試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過程分為2個(gè)抽水階段，JS1單井抽水和JS1、JS3兩井同時(shí)抽水試驗(yàn)。首先進(jìn)行單井抽水試驗(yàn)，JS1井作為抽水井，進(jìn)行連續(xù)24、36、48 h抽水，觀測記錄JS2、JS3井內(nèi)水位變化情況。然后進(jìn)行雙井抽水試驗(yàn)，同時(shí)開啟JS1、JS3井抽水，觀測記錄JS2井內(nèi)水位變化。觀測記錄結(jié)果如表1所示。

表1 抽水試驗(yàn)過程記錄結(jié)果Table 1 Records of the pumping test results

2.3 有限元參數(shù)反演

本文根據(jù)地勘報(bào)告提供的初始水文參數(shù)(見表2)，利用MIDAS/GTS軟件建立如圖2所示三維滲流數(shù)值模型。依據(jù)現(xiàn)場抽水試驗(yàn)水位降深觀測記錄，對(duì)各個(gè)地層的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行反演。計(jì)算時(shí)模型邊界條件的給定應(yīng)與實(shí)際工程一致，水頭高度按照現(xiàn)場監(jiān)測的穩(wěn)定水位取值(地下1 m)。

表2 各土層水文地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果Table 2 Inversion results of soil layer hydrogeological parameters

圖2 單井抽水試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Single well pumping test model

為了降低模型尺寸對(duì)模擬結(jié)果的影響，本文單井、雙井抽水試驗(yàn)計(jì)算模型為：長 500 m，寬 500 m，高80 m，模型共計(jì)實(shí)體單元80500個(gè)?；咏邓Ｐ瓦吔缭O(shè)置參考文獻(xiàn)[9-15],文中計(jì)算模型設(shè)置邊界為排水條件，邊界水頭按照現(xiàn)場測量的井內(nèi)初始水位，設(shè)置邊界水頭為58.5 m。降水井根據(jù)現(xiàn)場抽水泵出水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果取值51 m3/h。

降水井抽水時(shí)間與觀測井的實(shí)際水位變化關(guān)系如圖3所示。利用MIDAS/GTS建立的三維滲流分析模型，通過反演計(jì)算獲得水位變化如圖4所示。

圖3 水位降深與抽水時(shí)間關(guān)系Fig.3 Relationship between water level drawdown and time

如圖3、4所示，通過對(duì)比單井與雙井?dāng)?shù)值模擬的降水水位與實(shí)際監(jiān)測的降水水位結(jié)果，反復(fù)調(diào)整數(shù)值模擬中的土層參數(shù)，最終得到的反演結(jié)果如表2所示。

3 基坑降水效果模擬計(jì)算分析

3.1 有限元模型

圖4 水位變化的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical simulation results of the water level change

利用MIDAS/GTS建立基坑降水三維滲流分析模型，模型設(shè)置如圖5所示。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測井水位深度，模型初始水位深度定義為地下1 m，各土層水文參數(shù)采用表2反演結(jié)果。根據(jù)基坑平面尺寸、層特點(diǎn)及基坑降水設(shè)計(jì)方案，本次降水設(shè)置285口降水井，出水量根據(jù)單井抽水試驗(yàn)水泵出水總量求得平均單井出水量120 m3/d；回灌井一共設(shè)置59口，分別圍繞在基坑止水帷幕的外側(cè)；止水帷幕采用板單元模擬，厚度取0.85m，長度取28.5m，滲透特性設(shè)置為不透水。

圖5 基坑降水三維滲流模型Fig.5 3-D seepage model of foundation pit dewatering

3.2 基坑降水效果模擬

根據(jù)項(xiàng)目施工計(jì)劃，在支護(hù)樁和止水帷幕施工完畢后即開始基坑降水施工?？紤]到場地中包含滲透系數(shù)較大的砂卵石層，本次基坑降水方案采用“一降到底”的設(shè)計(jì)方案，即一次性將水位降低至坑底的設(shè)計(jì)要求，然后進(jìn)行基坑開挖。同時(shí)，為了減少因?yàn)榛咏邓畬?dǎo)致的周邊沉降，在止水帷幕的外側(cè)按照設(shè)計(jì)方案添加回灌井，以補(bǔ)充地下水的流失[8,9,11]?；咏邓ЧS時(shí)間變化的三維分析結(jié)果如圖6所示。

3.3 基坑降水效果分析

(1)如圖6所示，原始考慮回灌井的設(shè)計(jì)方案能夠有效的降低地下水位，抽水井和回灌井同時(shí)工作20 d基本能夠滿足基坑挖深條件下的水位降低要求，抽水24 d降低的水位高度能夠滿足基坑開挖最大設(shè)計(jì)深度的要求。

(2)28.5 m止水帷幕的設(shè)計(jì)能夠很好的滿足基坑開挖止水的要求。在降水計(jì)算過程中，由于降水深度較深，使得基坑的影響半徑達(dá)到了250 m。因此在基坑降水施工過程中，應(yīng)對(duì)回灌井的回灌效果和周邊場地的沉降進(jìn)行監(jiān)測，防止基坑降水對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。

(3)根據(jù)單井和雙井抽水試驗(yàn)資料，采用反演分析法計(jì)算土體最大滲透系數(shù)為23.18 m/d，基坑涌水量較大，因此在施工過程中應(yīng)密切關(guān)注抽水井的工作情況和止水帷幕的止水效果，保證基坑工程的安全施工。

圖6 不同施工階段水位等值線Fig.6 Water level contours in different construction stages

4 現(xiàn)場實(shí)際效果

揚(yáng)中金源時(shí)代購物中心基坑降水工程嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工，期間共進(jìn)行了12次觀測，觀測到的降水深度與有限元計(jì)算結(jié)果誤差在-0.5～1.2 m范圍內(nèi)，很好的滿足了基坑開挖降水的要求?，F(xiàn)場開挖效果如圖7所示。

圖7 基坑施工現(xiàn)場Fig.7 Foundation pit construction site

5 結(jié)論

本文采用MIDAS/GTS軟件，通過先反演計(jì)算模型參數(shù)，后進(jìn)行數(shù)值分析的方式對(duì)揚(yáng)中金源時(shí)代購物中心基坑降水工程進(jìn)行研究，獲得以下結(jié)論：

(1)深基坑支護(hù)必須重視降水工作，尤其是在土體滲透系數(shù)較大、地下水位較高、飽和性砂土層較厚的地區(qū)更應(yīng)引起重視。

(2)利用現(xiàn)場單井和雙井的抽水試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)勘探報(bào)告中的土層滲透系數(shù)的相關(guān)資料，反演計(jì)算出MIDAS/GTS基坑三維降水計(jì)算的相關(guān)土層參數(shù)。

(3)采用MIDAS/GTS對(duì)揚(yáng)中金源時(shí)代購物中心基坑降水工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，評(píng)估了考慮回灌井基坑降水方案的合理性，并指導(dǎo)基坑降水工程的施工。

(4)基坑降水施工后，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行降水效果模擬的正確性。