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(kāi)發(fā)與保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610065;2.四川省清源工程咨詢(xún)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(diǎn)[1－3]。目前在施工設(shè)計(jì)中，由于沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)人員大都采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算基坑滲水量，而采用不同的方法計(jì)算，有時(shí)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(chǎng)與溫度場(chǎng)具有相同控制方程的特點(diǎn)，采用ANSYS軟件的溫度場(chǎng)模擬基坑工程的滲流場(chǎng)，分析了地下防滲墻嵌固深度對(duì)基坑滲流量和滲透力的影響，比較準(zhǔn)確的解決了防滲墻控制基坑滲流的問(wèn)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(jì)佑軍等[13]對(duì)排水井進(jìn)行基坑降水有限元數(shù)值模擬時(shí)，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(jìn)行計(jì)算，不能模擬三維排水井的實(shí)際情況。朱明霞等[14]對(duì)間距較小的井點(diǎn)采用以槽代井法處理，但對(duì)花管段的節(jié)點(diǎn)按出滲零壓力邊界條件簡(jiǎn)化處理，沒(méi)有模擬排水井的抽排作用。

鑒于上述問(wèn)題，本文對(duì)某深基坑排水井進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬時(shí)，對(duì)排水井的建模采用以槽代井模型，同時(shí)在井底施加流量邊界條件，在模型上更接近實(shí)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(jì)引用流量140 m3/s，安裝3臺(tái)70 MW和1臺(tái)34 MW水輪發(fā)電機(jī)組，總?cè)萘繛?44 MW。電站廠房位于山前洪積扇下部，地勢(shì)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(kāi)挖及混凝土澆筑過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行降排水，本工程擬采用排水井方式進(jìn)行廠房基坑施工期排水。

圖1 廠房基坑平面圖及計(jì)算范圍

圖2 廠房基坑縱剖面圖(樁號(hào)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(jì)算及分析

本文對(duì)采用排水井方式進(jìn)行廠房基坑施工期排水的幾種計(jì)算工況進(jìn)行了三維有限元滲流計(jì)算及分析。計(jì)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(kāi)發(fā)的數(shù)值分析軟件NASGEWIN(計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記號(hào):2009SR027603)[15－16]。

2.1 排水井三維簡(jiǎn)化計(jì)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(chǎng)有限元模型建模時(shí)，對(duì)排水井采用了圖3(b)的簡(jiǎn)化計(jì)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(jiǎn)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(guò)變化井槽流量邊界上不同抽水速度Vy(詳見(jiàn)表1)，即可模擬排水井的排水效果。

圖3 排水井簡(jiǎn)化模型平面圖

圖4 排水井簡(jiǎn)化模型立面圖

2.2 計(jì)算范圍

本次三維滲流場(chǎng)計(jì)算范圍如下(詳見(jiàn)圖1):X方向由上游指向下游，以機(jī)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(duì)稱(chēng)各取180 m，即Z方向共截取360 m，本次計(jì)算將滲流區(qū)沿Z方向共分為38個(gè)剖面。

2.3 三維計(jì)算模型

三維建模時(shí)根據(jù)地質(zhì)剖面，嚴(yán)格模擬巖層界面、地形、地下水位線等地質(zhì)特征，對(duì)間斷分布的排水井進(jìn)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(zhǎng)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(diǎn)6面體等參實(shí)體元及其退化單元模擬。模型共計(jì)離散為53 801個(gè)節(jié)點(diǎn)和49 354個(gè)單元。

圖5 廠房基坑三維網(wǎng)格圖

2.4 計(jì)算工況及邊界條件

根據(jù)上述計(jì)算模型，三維滲流場(chǎng)計(jì)算邊界條件可簡(jiǎn)化為:(1)依據(jù)各剖面的地基開(kāi)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(diǎn)滲壓為零，故把地下水位線上節(jié)點(diǎn)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(jì)算工況

2.5 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)地質(zhì)和實(shí)驗(yàn)報(bào)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(jì)算結(jié)果及討論

如圖7所示，計(jì)算工況S1由于基坑內(nèi)無(wú)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(rùn)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(rùn)區(qū)，地下水將通過(guò)邊坡向基坑產(chǎn)生滲水。

如圖8所示，計(jì)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(rùn)區(qū)也逐漸減小，地下水向基坑滲水量顯著減小。特別在計(jì)算工況S6下，基坑底面浸潤(rùn)區(qū)完全消失，基坑內(nèi)浸潤(rùn)線呈現(xiàn)四周低，中部上鼓的特點(diǎn)，浸潤(rùn)線頂部距基坑底部 2.15 m。

圖7 計(jì)算工況S1滲壓、水頭等值線圖(樁號(hào)0+000剖面)

圖8 計(jì)算工況S6滲壓、水頭等值線圖(樁號(hào)0+000剖面)

由表2可見(jiàn)，基坑涌水量隨著排水井抽排流量的增大而減小。當(dāng)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(jiàn)，計(jì)算工況S1上游坡腳滲透比降極值可達(dá)1.19，數(shù)倍于允許比降0.25;下游坡腳滲透比降極值可達(dá)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(duì)上游坡腳進(jìn)行護(hù)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(jiǎn)化為連續(xù)分布的排水槽，同時(shí)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(wèn)題中排水井的模擬計(jì)算問(wèn)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(shí)，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(rùn)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(jì)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(rùn)區(qū)完全消失，基坑內(nèi)呈現(xiàn)四周低，中部上鼓的特點(diǎn)，浸潤(rùn)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(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求。

(4)計(jì)算表明，有排水井抽排作用時(shí)，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(duì)上游坡腳進(jìn)行護(hù)坡，防止邊坡產(chǎn)生滲透破壞。

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