陳卓行 李糧綱*

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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考慮隔水帷幕作用下的深基坑地下水降水設(shè)計(jì)

陳卓行 李糧綱*

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

結(jié)合福州市地鐵2號線金祥站某基坑工程實(shí)例，運(yùn)用可視化三維地下水流動(dòng)模擬軟件VisualModflow對該項(xiàng)目基坑降水方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)降水過程的可視化、預(yù)期化，為今后基坑降水設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

基坑降水，數(shù)值模擬，三維有限元軟件，設(shè)計(jì)

0 引言

近年來，隨著城市的快速發(fā)展，越來越多的深基坑工程也應(yīng)運(yùn)而生。而在基坑影響范圍內(nèi)常常會(huì)伴隨著地下水，特別是坑底以下的承壓水，如果控制不利，則會(huì)引起坑底隆起等問題而導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。因此，控制承壓水水頭成為了基坑工程能否順利施工的關(guān)鍵。

目前，地下水滲流計(jì)算主要有理論分析和數(shù)值模擬這兩種方法。理論分析方法簡單、高效，并且能夠清晰地反映各參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，因此，在工程中占有重要的地位。然而，對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)深入隔水層的基坑，目前還沒有一套完善的理論能夠準(zhǔn)確地表達(dá)出基坑涌水量的值，如果仍按規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算，則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大，從而誤導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，造成不必要的浪費(fèi)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種三維有限元軟件已被應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中，用來對各工況進(jìn)行模擬，進(jìn)而指導(dǎo)施工。地下水模擬軟件VisualModflow是目前最新流行且被各國同行一致認(rèn)可的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件，運(yùn)用該軟件可以靈活地建立符合天然場地實(shí)際條件的三維地下水流模型，從而大大提高了基坑降水方案設(shè)計(jì)的工作效率和準(zhǔn)確性。

1 場地概況及水文地質(zhì)條件

擬建的金祥地鐵站位于福州市金山新區(qū)，區(qū)域地貌為閩江下游沖淤積平原地貌，整體地勢平坦，地形起伏較小，金祥站為地下兩層車站，車站全長約204 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為19.7 m，場地地面高程在7.20 m～8.90 m之間。

1.1 場地地層分布

根據(jù)沿線所揭露地層的地質(zhì)時(shí)代、成因類型、巖性特征、風(fēng)化程度等工程特性，將沿線巖土層分為九大層，各地層的地層厚度、層底標(biāo)高見表1。

表1 場地地層分布 m

1.2 場地水文地質(zhì)條件

金祥站的主要潛水含水層為②-5(含泥)中砂，勘察期間②-5(含泥)中砂的穩(wěn)定水位埋深為3.79 m～3.74 m，標(biāo)高為4.04 m～4.02 m，在基坑開挖前需設(shè)置坑內(nèi)疏干管井對潛水進(jìn)行疏干處理；松散巖類孔隙承壓水主要賦存于③-2(泥質(zhì))粉砂和③-8卵石中，頂板埋深約為40.2 m，承壓水位標(biāo)高約1.75 m(埋深約6 m)。②-4-2淤泥質(zhì)土和③-1粉質(zhì)粘土構(gòu)成了潛水層與承壓水層之間的隔水層，使兩者在基坑范圍內(nèi)無水力聯(lián)系。各層滲透系數(shù)建議值見表2。

表2 各巖土層滲透系數(shù)建議范圍值表 m/d

2 基坑降水設(shè)計(jì)與施工

2.1 數(shù)值模擬范圍與邊界條件

根據(jù)場地地質(zhì)條件，結(jié)合前人的研究成果和基坑降水實(shí)際影響范圍內(nèi)的觀測資料，本次模型建立尺寸設(shè)為800 m×400 m。在豎直方向上，地面高程取7.8 m，模型下界取-55 m。計(jì)算時(shí)取模型四周為定水頭邊界。基坑開挖深度為21.6 m，潛水水位按4.0 m、承壓水水頭按1.75 m進(jìn)行計(jì)算。

2.2 潛水降水方案設(shè)計(jì)

根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程，群井按大井簡化的均質(zhì)含水層潛水完整井的基坑降水總涌水量公式：

其中，Q為基坑降水的總涌水量，m3/d；k為滲透系數(shù)，m/d；H0為潛水含水層厚度，m；S0為基坑水位降深，m；R為降水影響半徑，m；r0為沿基坑周邊均勻布置的降水井群所圍面積等效圓的半徑，m。

計(jì)算得Q=7 098.4 m3/d。

然而，此公式僅用于未設(shè)置隔水帷幕的深基坑涌水量計(jì)算。本工程地下連續(xù)墻插入地面以下約42 m，而潛水含水層層底標(biāo)高為-10.8 m，地下連續(xù)墻已將潛水含水層完全隔斷。因此，在計(jì)算潛水層涌水量時(shí)，如果仍按照J(rèn)GJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程中的潛水總涌水量公式進(jìn)行計(jì)算，則計(jì)算結(jié)果偏大。

運(yùn)用VisualModflow三維有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬：

潛水降水井平面布置在兩側(cè)端頭井處時(shí)，降水井按橫向間距8 m跳躍布置，其余位置按橫向間距10 m跳躍布置，總共布設(shè)21口潛水降水井。

運(yùn)用VisualModflow程序?qū)?shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，最終疏干管井單井抽水量設(shè)定為70 m3/d，即總抽水量為1 470 m3/d。

當(dāng)基坑抽水5.8 d后，坑內(nèi)水位示意圖見圖1。如圖1所示，此時(shí)，坑內(nèi)水位線已低于-10.8 m，潛水已被疏干。此時(shí)，總涌水量設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)小于按照J(rèn)GJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程所計(jì)算的涌水量。由此，我們可以得出，止水帷幕對防止基坑周圍地下水滲流到基坑內(nèi)部，從而對增加基坑的穩(wěn)定性起到了重要作用。

2.3 承壓水降水方案設(shè)計(jì)

抗承壓水計(jì)算：

取左端頭井處進(jìn)行計(jì)算：基坑底板至承壓水含水層頂板距離：H=15.7 m；承壓水水頭高度：h=29.83 m，抗承壓水安全系數(shù)為：

其中，F(xiàn)s為安全系數(shù)，一般為1.0～1.2，本次計(jì)算取1.1；h為基坑底至承壓含水層頂板間距離，m；γi為基坑底至承壓含水層頂板間各層土的重度，kN/m3；H為承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離，m；γw為水的重度，取10 kN/m3。

因此左端頭井處抗承壓水穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，需采取布設(shè)降壓管井措施來降低承壓水水頭。當(dāng)開挖至距離坑底3 m時(shí)開始降承壓水。計(jì)算得承壓水水頭標(biāo)高降至-3.0 m時(shí)，方可繼續(xù)開挖。

用同樣的方法計(jì)算可得：右端頭井處當(dāng)開挖至距離坑底2.5 m時(shí)開始降承壓水，要求將承壓水水頭標(biāo)高降至-2.35 m時(shí)方可繼續(xù)開挖；標(biāo)準(zhǔn)段處當(dāng)開挖至距離坑底1.3 m時(shí)開始降承壓水，要求將承壓水水頭標(biāo)高降至-0.5 m時(shí)方可繼續(xù)開挖。

根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程，群井按大井簡化的均質(zhì)含水層承壓水完整井的基坑降水總涌水量公式：

其中，M為承壓含水層厚度，m。

計(jì)算得Q=11 242 m3/d。

運(yùn)用VisualModflow程序?qū)?shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，最終降壓管井單井抽水量設(shè)定為1 100 m3/d，即總涌水量為6 600 m3/d。

坑內(nèi)降壓管井布置在端頭井兩側(cè)，按橫向間距8 m跳躍布置，左端頭井處布置4口降水井，右端頭井處布置2口降水井。抽水2.5 d時(shí)坑內(nèi)承壓水頭示意圖見圖2。左端頭井處承壓水頭低于-3.0 m，右端頭井處承壓水頭低于-2.35 m，標(biāo)準(zhǔn)段承壓水頭也低于-0.5 m。因此，此方案滿足設(shè)計(jì)要求，各部位承壓水頭均降至設(shè)計(jì)水頭以下。但由于地下連續(xù)墻僅插入承壓含水層1.8 m，而承壓含水層厚度達(dá)14.5 m，因此在基坑開挖過程中需持續(xù)抽水，才能保證承壓水水頭穩(wěn)定。

3 結(jié)語

1)利用可視化三維地下水流模擬軟件VisualModflow對實(shí)際基坑工程降水進(jìn)行數(shù)值模擬，并與規(guī)范計(jì)算進(jìn)行比較可得，止水帷幕對防止基坑周圍地下水滲透到基坑內(nèi)部，從而增加基坑的穩(wěn)定性起到了重要作用。2)該基坑工程富含潛水及承壓水，并且承壓水水頭較高，對基坑開挖的穩(wěn)定性具有重要影響。通過采用坑內(nèi)降水的方式，成功降低了承壓水頭，并有效防止坑底隆起等問題。

[1]劉慶方，劉繼強(qiáng)，譚佩蓮，等.考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔水作用的基坑涌水量計(jì)算.隧道建設(shè),2013,33(2):142-146.

[2]Nilson Guiguer.Waterloo Hydrogeologic Visual Modflow User’s Manual.Ontario,Canada:Waterloo Hydrogeologic Inc,2004.

[3]JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程.

[4]朱朝霞，車燦輝.杭州地區(qū)某深基坑工程承壓水降水設(shè)計(jì).能源技術(shù)與管理,2013,38(2):138-140.

On dewatering design for deep foundation pit underground water under role of waterproof curtain

Chen Zhuohang Li Lianggang*

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeoscience(Wuhan),Wuhan430074,China)

Combining with Jinxiang station some foundation pit project at No.2 Metro in Fuzhou, the paper adopts the visualized three-dimension underground water flow simulation software, VisualModflow, to undertake the numeric simulation of the foundation pit dewatering scheme of the project, and realizes the visualization and expectancy for the design of dewatering process, so as to provide some new idea for the future foundation pit dewatering design.

foundation pit dewatering, numeric simulation, three-dimension element software, design

1009-6825(2015)01-0067-02

2014-10-31

陳卓行(1990- )，男，在讀碩士

李糧綱(1961- )，男，教授

TU463

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