富水深厚砂層超深地連墻滲漏的示蹤劑遷移過(guò)程模擬

于富來(lái),王國(guó)林,于維鶴,張智軍,東 盼,元熹翔,姜耘石,劉宏偉,田豐博

(1.中鐵上海工程局集團(tuán)市政環(huán)保工程有限公司，上海 201906；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；3.西安石油大學(xué)地球工程與科學(xué)學(xué)院，西安 710065)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，以往僅發(fā)展地面資源的道路難以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。為增強(qiáng)我國(guó)國(guó)民福祉，開發(fā)利用地下空間是一條有效的途徑。在開發(fā)利用地下空間進(jìn)程中，地下連續(xù)墻因具有剛度大、整體性能好的特點(diǎn)，在深基坑工程中受到廣泛的應(yīng)用[1]。目前，各學(xué)者利用各種模擬軟件對(duì)基坑開挖過(guò)程分析較多，針對(duì)富水深厚砂層下的超深地連墻滲漏問題的有限元模擬較少。羅志華[2]對(duì)抽水試驗(yàn)過(guò)程中坑內(nèi)外水位變化結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，得到基坑圍護(hù)、止水帷幕滲漏對(duì)抽水水位變化的影響規(guī)律；李琳[3]對(duì)基坑開挖和降水的模擬結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，總結(jié)了基坑降水對(duì)深基坑變形的影響，并分析了地連墻存在漏水問題對(duì)基坑內(nèi)外水位的影響。為判斷地連墻上是否存在滲漏薄弱處，探尋滲漏點(diǎn)的存在對(duì)基坑內(nèi)外滲流場(chǎng)的影響，建立了位于富水深厚砂層深基坑的二維有限元模型，模擬分析砂土中超深地連墻發(fā)生滲漏時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施墨水試驗(yàn)的可行性，探尋滲漏對(duì)地下水滲流的影響。

1 工程概況

1.1 地鐵車站概況

該站為地下四層雙柱三跨島式車站，主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖逆作法施工。該站主體標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深33.55 m，盾構(gòu)井段底板埋深35.45 m，較常規(guī)車站深約10～15 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2 m厚地連墻，進(jìn)行坑內(nèi)降水，并輔以坑外泄壓降水。

1.2 水文地質(zhì)概況

該車站處地下水主要存在于中粗砂、礫砂土層中，屬第四系孔隙潛水。設(shè)計(jì)初見水位埋深約為17.70～18.30 m，穩(wěn)定水位埋深為16.50～17.00 m?；娱_挖范圍內(nèi)由上到下分別為雜填土、中粗砂層、礫砂層、圓礫層、粉質(zhì)黏土層、礫砂層和泥礫層。

2 地下連續(xù)墻滲漏的有限元模擬

2.1 示蹤劑遷移試驗(yàn)

為判斷地連墻是否存在滲漏薄弱處，查清基坑內(nèi)外地下水滲流路徑，采用有色示蹤劑進(jìn)行示蹤劑遷移過(guò)程模擬。因有色墨水在遷移過(guò)程中可始終保持性質(zhì)穩(wěn)定，故選用有色墨水作為示蹤劑，在特定泄壓井內(nèi)壓入高濃度墨水，使其作為溶質(zhì)溶解在地下水中，以地下水為載體沿著滲流路徑進(jìn)行遷移，觀察從相鄰疏干井內(nèi)抽出水的顏色，通過(guò)顏色變化情況判斷相近地連墻是否存在滲漏點(diǎn)，為下一步采取有針對(duì)性的施工措施和降水井運(yùn)行調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 考慮滲漏影響的基坑二維有限元模型

采用有限元軟件ABAQUS依據(jù)基坑施工現(xiàn)場(chǎng)情況建立二維流固耦合數(shù)值模型。在ABAQUS中設(shè)定多孔介質(zhì)材料，基于總孔壓進(jìn)行建模，劃分網(wǎng)格時(shí)使用特定的孔隙水壓力單元，對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的線性滲流計(jì)算。計(jì)算時(shí)將有限元的網(wǎng)格固定在土體骨架上，地下水流過(guò)網(wǎng)格，地下水在滲流過(guò)程中滿足二維非穩(wěn)定流的滲流運(yùn)動(dòng)方程。地連墻滲漏模擬共4個(gè)分析步[4]，依次為初始分析步、地應(yīng)力平衡分析步、滲漏分析步、降水分析步。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 抽水及示蹤劑遷移過(guò)程模擬

通過(guò)ABAQUS軟件建模分析，模擬坑內(nèi)的疏干井持續(xù)抽水時(shí)，將坑外其它泄壓井關(guān)閉，向特定泄壓井內(nèi)注入有色墨水，得到當(dāng)?shù)剡B墻完整情況下的水流速度矢量(圖1)及存在滲漏情況下的水流速度矢量(圖2)。從圖2中可以看出，滲漏點(diǎn)的存在使坑內(nèi)外產(chǎn)生了水力聯(lián)系，形成水頭差，處于坑外地下水中的有色染色劑會(huì)以地下水為載體滲入到基坑內(nèi)部，從疏干井內(nèi)被抽出，驗(yàn)證了使用示蹤劑遷移試驗(yàn)在實(shí)際工程中判斷地連墻滲漏的可行性。

3.2 滲漏點(diǎn)破壞程度對(duì)基坑滲流場(chǎng)的影響

改變滲漏點(diǎn)的滲透系數(shù)，將滲漏點(diǎn)滲透系數(shù)從2.5×10-4m/h擴(kuò)大至2.5 m/h時(shí)，坑外水位從每天下降0.29 mm增加到每天下降260 mm，坑內(nèi)水位從每天上升0.86 mm增加到每天上升610 mm，滲漏速度與地連墻滲漏程度呈正相關(guān)。當(dāng)滲漏點(diǎn)的滲透為2.5×10-4m/h時(shí)，坑外水位每天下降0.29 mm，坑內(nèi)水位每天上升0.86 mm，繼續(xù)減少滲漏點(diǎn)的滲透系數(shù)，水位變化不再明顯。

當(dāng)滲漏點(diǎn)的滲透系數(shù)k≥0.25 m/h時(shí)，坑外孔隙水壓力隨時(shí)間變化呈凹形，坑內(nèi)孔隙水壓力隨時(shí)間變化呈凸形，內(nèi)外水位變化會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸變緩，其原因是滲漏點(diǎn)的滲透系數(shù)大，即地連墻破壞程度大，坑內(nèi)疏干井的出水量小于從坑外涌入坑內(nèi)的進(jìn)水量，坑內(nèi)水位上升，坑內(nèi)外水頭差減小，導(dǎo)致坑外地下水涌入坑內(nèi)的速度變緩。當(dāng)滲漏點(diǎn)的滲透系數(shù)k<0.25 m/h時(shí)，其孔隙水壓力隨時(shí)間變化呈直線形。因地連墻的破壞程度較小，滲漏點(diǎn)在短期內(nèi)對(duì)基坑內(nèi)外的水頭差的影響較小，滲漏速度幾乎不發(fā)生改變。

3.3 滲漏點(diǎn)尺寸對(duì)基坑滲流場(chǎng)的影響

滲漏尺寸與坑外側(cè)形成漏斗面積呈正相關(guān)，漏斗形狀隨著滲漏尺寸的增大而逐漸明顯。相同條件下，不同滲漏尺寸下孔壓變化規(guī)律大致相同。尺寸大小與涌入基坑內(nèi)的地下水含量呈正相關(guān)。滲漏尺寸為0.8 m時(shí)，坑外孔壓變化量是滲漏尺寸為0.3 m時(shí)的1.75倍；以滲漏尺寸0.8 m為例，隨著時(shí)間的變化孔壓變化速度從0.524 Pa/s降低到0.083 Pa/s，水位下降速度隨著坑內(nèi)外水頭差的減小而逐漸趨于平緩。

3.4 滲漏點(diǎn)深度對(duì)基坑滲流場(chǎng)的影響

滲漏點(diǎn)所處地連墻的位置同樣會(huì)導(dǎo)致坑內(nèi)外水位變化規(guī)律的改變。滲漏點(diǎn)所處位置不同對(duì)坑內(nèi)外孔壓變化的影響如圖3、圖4所示。通過(guò)比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，地下水向基坑內(nèi)滲漏速度與滲漏位置的深度總體呈正相關(guān)。當(dāng)滲漏點(diǎn)位置從距坑內(nèi)水位以下0.75 m增加到3.25 m，坑外孔壓下降量增加了6.469 9 kPa；坑內(nèi)孔壓上升量增加了9.278 kPa?？油饪紫端畨毫ψ兓€均為凹形，坑內(nèi)外的凹、凸形曲線是由于滲漏導(dǎo)致水頭差的減小導(dǎo)致的。滲漏點(diǎn)不同位置對(duì)坑內(nèi)外孔壓變化影響規(guī)律一致，且隨著滲漏位置的加深，孔壓變化量呈上升趨勢(shì)。

3.5 地連墻滲漏條件下滲漏點(diǎn)后續(xù)破壞分析

當(dāng)?shù)剡B墻存在滲漏點(diǎn)時(shí)，從坑外源源不斷涌入坑內(nèi)的水會(huì)對(duì)滲漏點(diǎn)產(chǎn)生進(jìn)一步破壞。模擬分析結(jié)果表示，地鐵車站基坑模型滲漏點(diǎn)處地下水流速最大，且滲漏點(diǎn)上側(cè)流速約為下側(cè)流速的1.1～1.3倍。

隨著滲漏點(diǎn)位置的變化，滲漏點(diǎn)的最大流速和最小流速也隨之變化，最大流速、最小流速均與滲漏點(diǎn)所處深度呈負(fù)相關(guān)，但最大流速變化量會(huì)隨著滲漏點(diǎn)深度的增加而逐漸趨于平緩，最小流速變化量則會(huì)隨著滲漏深度的增加而越發(fā)陡峭。

將滲漏點(diǎn)上下兩側(cè)流速差值隨滲漏點(diǎn)深度變化繪成曲線，流速差值與滲漏點(diǎn)位置曲線總體呈凹形，且存在流速差值最小位置。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到擬合曲線如圖5所示。

由擬合曲線可知，滲漏點(diǎn)部位上下兩側(cè)流速差值隨滲漏點(diǎn)位置的降低，呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，在位于坑內(nèi)水位以下1.84 m時(shí)達(dá)到最小，為0.228 m/h；位于坑內(nèi)水位以下3.25 m時(shí)達(dá)到最大，為0.778 m/h。由此可以判斷，距離坑內(nèi)水位小于1.25 m的滲漏點(diǎn)和距離坑內(nèi)水位超過(guò)2.75 m的滲漏點(diǎn)，滲漏產(chǎn)生的后續(xù)破壞，其上側(cè)破壞程度要大于下側(cè)破壞程度，且滲漏點(diǎn)在距坑內(nèi)水1.84 m處時(shí)上下兩側(cè)的破壞情況較為均勻。

4 結(jié) 論

論文依據(jù)沈陽(yáng)某地鐵工程，利用ABAQUS建立處于富水深厚砂層的地鐵車站基坑模型，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題，判斷了示蹤劑遷移試驗(yàn)在判斷地連墻滲漏問題上的可行性，研究了滲漏點(diǎn)各因素對(duì)基坑內(nèi)外滲流場(chǎng)的影響，提出滲漏治理措施。

a.通過(guò)向地連墻外側(cè)的降水井注入有色染色劑，通過(guò)觀察疏干井抽出的地下水顏色變化可以作為判斷地連墻是否存在滲漏的一種方法。

b.當(dāng)?shù)剡B墻存在滲漏時(shí)，滲漏速度與滲漏程度呈正相關(guān)。當(dāng)滲漏點(diǎn)的滲透系數(shù)為2.5×10-4m/h時(shí)，坑內(nèi)外水位單天下降量均遠(yuǎn)小于1 mm，繼續(xù)減少滲漏點(diǎn)的滲透系數(shù)，水位變化不再明顯?？蓪B透系數(shù)2.5×10-4m/h作為衡量地連墻堵漏施工是否有效的標(biāo)準(zhǔn)。

c.滲漏尺寸大小與漏斗面積呈正相關(guān)。滲漏尺寸為0.8 m時(shí)坑外孔壓變化量是滲漏尺寸為0.3 m時(shí)的1.75倍。故現(xiàn)場(chǎng)水位檢測(cè)數(shù)據(jù)若出現(xiàn)異常且變化幅度較大時(shí)，可以考慮是否因附近地連墻產(chǎn)生了尺寸較大的滲漏點(diǎn)，導(dǎo)致附近水位變化異常。

d.水位之下滲漏點(diǎn)的深度與地下水滲漏速度呈正相關(guān)。基坑內(nèi)外地下水滲漏的速度會(huì)隨著水頭差的減小逐漸趨于平緩?，F(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)坑內(nèi)外水位變化情況初步確定地連墻是否存在滲漏點(diǎn)以及滲漏點(diǎn)的可能標(biāo)高。

e.地連墻存在滲漏時(shí)滲漏點(diǎn)處地下水流速最大且滲漏點(diǎn)上側(cè)的地下水流速約是下側(cè)地下水流速的1.1～1.3倍。滲漏點(diǎn)上部的滲漏程度將更加嚴(yán)重。在對(duì)滲漏點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)漏時(shí)，應(yīng)對(duì)滲漏點(diǎn)上部進(jìn)行額外加強(qiáng)處理，滲漏點(diǎn)所處位置越深，越應(yīng)予以重視。