懸掛式止水帷幕涌水量計(jì)算數(shù)值模擬及驗(yàn)證

張欽喜 宋亞通 閆金波

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

0 引言

建筑工程中，地下水控制在深基坑工程中有著舉足輕重的地位。隨著都市現(xiàn)代化的發(fā)展，城市的高樓大廈越來越多，為滿足其他需求，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)深度也越來越深。與此同時(shí)，深基坑開挖過程中通常會(huì)遇到地下水的情況，如果地下水得不到有效的控制和處理，不僅會(huì)影響到深基坑施工，還會(huì)影響整個(gè)工程的工期，因此，地下水的控制在基坑施工工程中有著較為重要的影響[1]。

在實(shí)際工程中，針對(duì)一些地下水位較低、含水層較薄、滲透系數(shù)較小和相對(duì)隔水層埋深較淺的地層，采用落地式止水帷幕能夠有效減少地下水抽排和基坑周邊地表沉降。但對(duì)于地下水位較高、含水層厚、滲透系數(shù)較大以及相對(duì)隔水層埋深較大的地層，采用落地式止水帷幕存在著施工成本過高和施工難度大的問題，因此常采用設(shè)置懸掛式止水帷幕和坑內(nèi)降水井相結(jié)合，止水與降水相結(jié)合也不失為一種有效的方式。許多研究學(xué)者利用有限元分析軟件對(duì)懸掛式止水帷幕滲流場(chǎng)進(jìn)行了分析。王國(guó)光[2]利用有限元分析程序PSFEM 對(duì)基坑滲流場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算,表明止水結(jié)構(gòu)物能夠防止基坑發(fā)生破壞，并且止水結(jié)構(gòu)需要有一定的插入深度。吳世興[3]對(duì)深厚含水層必須設(shè)置懸掛式止水帷幕輔助降水的基坑進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，主要得出懸掛式止水帷幕的止水效果有限，當(dāng)插入深度達(dá)到一定深度時(shí)，坑內(nèi)涌水量和坑外水位下降并不是很明顯。許燁霜等[4]在研究地下構(gòu)筑物對(duì)地下水滲流效應(yīng)的阻擋效應(yīng)時(shí)，得出隨著地下構(gòu)筑物深度的增加，抽水側(cè)的水位降深和沉降量也增加；隨著地下構(gòu)筑物的擋水寬度增大，對(duì)地面沉降影響也越大，兩者相關(guān)系數(shù)大于0.99。湯光明[5]利用數(shù)值模擬軟件Visual ModFlow 研究西安地鐵車站中懸掛式止水帷幕對(duì)深基坑降水的影響，懸掛式止水帷幕能夠有效阻止基坑外水位的過大降深，降水影響半徑與無帷幕的降水影響半徑相比較小，工程原來降水影響半徑不再適用。何紹衡等[6]用有限元分析軟件ABAQUS研究了地下水滲流對(duì)懸掛式止水帷幕基坑的變形影響，主要得出止水帷幕對(duì)于減少坑外降水和坑外地面沉降有著顯著作用，隨著止水帷幕深度的增加，基坑外水位降深和地面沉降影響范圍降低，存在最優(yōu)的止水帷幕插入深度。

許多學(xué)者[7?10]對(duì)懸掛式止水帷幕基坑滲流場(chǎng)進(jìn)行了研究分析，但基坑內(nèi)涌水量研究尚不成系統(tǒng)。本文依托北京市東城區(qū)人民醫(yī)院基坑項(xiàng)目，對(duì)懸掛式止水帷幕基坑內(nèi)涌水量和影響半徑進(jìn)行研究，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，豐富懸掛式止水帷幕基坑涌水量研究理論，為此后類似工程提供參考價(jià)值和經(jīng)驗(yàn)。

1 工程與地質(zhì)概況

1.1 工程概況

本工程位于北京市東城區(qū)永外定安里，東臨定安里 11 號(hào)、13 號(hào)住宅樓，南臨北京益華食品廠，西臨規(guī)劃定安里中路，北臨劉家窯路。該工程建設(shè)用地面積8309.53 m2，總建筑面積約31910 m2，其中地上建筑面積約11350 m2，地下建筑面積約20560 m2。同時(shí)該工程由一棟綜合樓組成，地上6～7 層，裙樓地上3～4 層，建筑高度不超過40 m，配套設(shè)施地上1～2 層，均設(shè)4 層地下室，樓座間均為純地下車庫(kù)部分。

本工程基坑長(zhǎng)約103 m，寬約67 m，基坑深度達(dá)23.29 m，且周邊環(huán)境復(fù)雜，地下水豐富且賦存條件復(fù)雜，屬于深大復(fù)雜基坑。

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)目前鉆探孔資料，勘察所揭露50 m 深度范圍內(nèi)地層除上部填土外，以下為一般第四紀(jì)沖洪積層。工程地質(zhì)典型剖面圖如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)典型剖面圖

1.3 工程水文地質(zhì)概況

在野外勘察期間（2018年 10月），于鉆孔中實(shí)測(cè)兩層地下水水位。（1）潛水：初見水位埋深22.00～22.60 m，絕對(duì)標(biāo)高18.28～18.45 m，穩(wěn)定水位埋深21.00～22.10 m，絕對(duì)標(biāo)高18.95～19.30 m，主要賦存于⑤卵石層中，水量較大。（2）承壓水：初見水位埋深28.30～33.40 m，絕對(duì)標(biāo)高7.65 m～12.19 m，穩(wěn)定水位埋深24.10～27.20 m，絕對(duì)標(biāo)高13.85～16.20 m，主要賦存于⑧卵石層中，水量較大。

1.4 懸掛式止水帷幕選型

本工程地下水位埋深20 m 左右，為潛水，含水層為卵石層，水量豐富，水位位于基坑底面以上2～3 m，須采取降水或止水措施，才能進(jìn)行基坑開挖和地下結(jié)構(gòu)施工。

為滿足基坑工程需保持干燥環(huán)境和北京市有關(guān)政策規(guī)定，采用懸掛式止水帷幕的地下水控制方案。護(hù)坡樁樁徑800 mm，樁間距為1.4 m，護(hù)坡樁深度為35.5 m，采用樁錨結(jié)合的支護(hù)，護(hù)坡樁典型剖面圖如圖2所示。止水帷幕深35.5 m，采用在護(hù)坡樁樁間施作高壓旋噴樁的工藝進(jìn)行帷幕樁施工（DJP 工法），樁徑1200 mm，間距1.4 m，共計(jì)須施作旋噴樁241 根。旋噴樁上部20 m 為空孔，下部15.5 m 為水泥土樁實(shí)體。

圖2 護(hù)坡樁典型剖面圖

2 模型建立

為了預(yù)測(cè)該工程基坑內(nèi)涌水量，利用有限元數(shù)值模擬軟件Midas GTS 進(jìn)行分析，本文研究的基坑為不規(guī)則形狀，長(zhǎng)約103 m，寬度約為63 m，基坑深度為23.29 m，根據(jù)實(shí)際工程需要，為研究基坑內(nèi)涌水量和基坑降水對(duì)周圍環(huán)境影響等因素，建立模型尺寸為500 m×500 m×50 m（長(zhǎng)度×寬度×深度）。假設(shè)基坑底部隔水層在50 m 處，懸掛式帷幕深度為35.5 m，為完全隔水材料，同時(shí)基坑?xùn)|側(cè)和北側(cè)卵石層內(nèi)含有黏土層，黏土層滲透系數(shù)較小。建立的模型如圖3所示。

圖3 基坑模型示意圖

根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)條件，將地層簡(jiǎn)化為具有代表性的五個(gè)地層，分別為雜填土層、粉質(zhì)黏土層、細(xì)砂層、黏土層和卵石層，各土層的滲透系數(shù)為：粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)k=0.05 m/d；細(xì)砂層滲透系數(shù)k=5.0 m/d；黏土層滲透系數(shù)k=0.001 m/d；卵石層滲透系數(shù)k=80 m/d。

根據(jù)工程地質(zhì)勘測(cè)條件，卵石層內(nèi)常年水位在地下埋深20 m 左右，基坑深度為23.29 m，為保證基坑底部水位距離基坑底部有0.5～1.0 m，設(shè)置基坑外初始水頭值為29 m，基坑底部水頭值為26 m。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 基坑滲流路徑

基坑滲流路徑模擬圖如圖4所示，從圖中可以看出，在有懸掛式止水帷幕的基坑中，地下水滲流均由止水帷幕底部流過，增加了地下水的滲流路徑，能夠有效地減少基坑涌水量。在有黏土層的基坑內(nèi)北側(cè)，地下水滲流需要通過黏土層部分，從黏土層內(nèi)滲流出來水量較小。

圖4 基坑滲流路徑模擬圖

3.2 基坑水頭值和降水影響范圍

基坑水頭值和降水影響范圍示意如圖5所示，可以看出基坑內(nèi)水頭值固定在26 m，基坑外水頭最大值固定在29 m，基坑外水頭值在26～29 m 之間變化，基坑北側(cè)水頭變化比較緩慢，水頭變化有以下趨勢(shì)：（1）隨著距離止水帷幕距離的增加，基坑外水頭值越來越大；（2）隨著距離止水帷幕距離的越來越大，基坑外水頭值增加的趨勢(shì)越來越小。同時(shí)可以看出，基坑外水頭值在距離基坑100～130 m 變化不大，趨于平穩(wěn)，由于基坑北側(cè)底部含有黏土層等透水性較小地層，基坑南側(cè)坑外水位降深大于基坑北側(cè)水位降深，基坑內(nèi)降水對(duì)基坑北側(cè)建筑物影響較小。

圖5 基坑水頭值和降水影響范圍示意圖

3.3 基坑內(nèi)節(jié)點(diǎn)流量圖

基坑內(nèi)節(jié)點(diǎn)流量圖如圖6所示，可以看出基坑內(nèi)涌水量有以下趨勢(shì)：（1）基坑內(nèi)角落處的節(jié)點(diǎn)涌水量大于基坑中間部位的涌水量，且變化趨勢(shì)明顯；（2）基坑內(nèi)靠近止水帷幕一側(cè)涌水量值大于基坑中間部位涌水量值，隨著距離止水帷幕的距離的增加，涌水量值越來越小?；觾?nèi)節(jié)點(diǎn)最大涌水量為130.57 m3/d，通過對(duì)數(shù)據(jù)整理，基坑內(nèi)涌水量可以達(dá)到1970.3 m3/d。

圖6 基坑內(nèi)節(jié)點(diǎn)流量圖

3.4 基坑內(nèi)滲流速度

基坑內(nèi)滲流速度如圖7?圖9所示，當(dāng)基坑內(nèi)滲流達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，基坑內(nèi)水平方向滲流速度較小，豎向滲流速度較大。同時(shí)基坑內(nèi)滲流速度有以下趨勢(shì)：（1）基坑內(nèi)角落處的滲流速度較大，基坑內(nèi)中間部位滲流速度較小；（2）基坑內(nèi)靠近止水帷幕一側(cè)滲流速度較大，隨著距離止水帷幕的距離的增加，滲流速度越來越小。

圖7 基坑內(nèi)X 方向滲流速度示意圖

圖8 基坑內(nèi)Y 方向滲流速度示意圖

圖9 基坑內(nèi)Z 方向滲流速度示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

基坑外不設(shè)置降水井降水，基坑內(nèi)按25 m 距離間隔設(shè)置30 口降水井，基坑外側(cè)設(shè)置7 口水位觀測(cè)井。

4.1 基坑內(nèi)涌水量

基坑內(nèi)涌水量對(duì)比如圖10所示，當(dāng)基坑內(nèi)滲流狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，基坑內(nèi)實(shí)際監(jiān)測(cè)涌水量值和數(shù)值模擬值趨勢(shì)相同，基坑內(nèi)涌水量可以達(dá)到1970 m3/d左右。

圖10 基坑內(nèi)涌水量對(duì)比圖

4.2 基坑外水位降深

基坑外水位降深如圖11、圖12所示，可以看出基坑外水位下降實(shí)際監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬值趨勢(shì)相同，較為接近，但存在較小的差異，主要由于在數(shù)值模擬過程中僅僅考慮了地下滲流場(chǎng)對(duì)基坑外水位降深的影響，對(duì)地層參數(shù)和屬性與實(shí)際存在一些差距。另外，基坑北側(cè)水位下降小于基坑南側(cè)的水位下降，主要是由于基坑底部北側(cè)含有黏土層等透水系數(shù)較小的土層，其滲流速度相對(duì)于南側(cè)的較小，水位下降比較緩慢。

圖11 基坑外南側(cè)水位降深圖

圖12 基坑外北側(cè)水位降深圖

5 結(jié)論

依托東城區(qū)人民醫(yī)院基坑工程開展了懸掛式止水帷幕基坑涌水量和降水影響半徑的數(shù)值模擬計(jì)算和監(jiān)測(cè)，主要得出以下結(jié)論：

（1）利用有限元數(shù)值模擬軟件分析的基坑內(nèi)涌水量與實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)值趨勢(shì)相同，日涌水量可以達(dá)到1970 m3。

（2）設(shè)置懸掛式止水帷的基坑，原基坑降水影響半徑不再適用，降水影響半徑比原來有所減小。

（3）隨著距離止水帷幕距離的增加，基坑外水頭值越來越大；隨著距離止水帷幕距離的越來越大，基坑外水頭值增加的趨勢(shì)越來越小。

（4）基坑內(nèi)角落處的節(jié)點(diǎn)涌水量大于基坑中間部位的涌水量，且變化趨勢(shì)明顯；基坑內(nèi)靠近止水帷幕一側(cè)涌水量值大于基坑中間部位涌水量值，隨著距離止水帷幕的距離的增加，涌水量值越來越小。

（5）基坑內(nèi)角落處的滲流速度較大，基坑內(nèi)中間部位滲流速度較?。换觾?nèi)靠近止水帷幕一側(cè)滲流速度較大，隨著距離止水帷幕的距離的增加，滲流速度越來越小。