殷寶兵， 周愛兆， 姜彬霖

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212021； 2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000； 3.云南旅游職業(yè)學(xué)院國土資源工程系，云南 昆明 650221)

南通市南山湖綜合樓基坑工程降水?dāng)?shù)值模擬分析

殷寶兵1， 周愛兆2， 姜彬霖3

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212021； 2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000； 3.云南旅游職業(yè)學(xué)院國土資源工程系，云南 昆明 650221)

基坑降水的成功與否，關(guān)系到整個基坑的安全。南通市南山湖綜合樓基坑開挖過程中雖建立了止水帷幕，但仍需對基坑降水的方案進行安全評估。采用MIDAS/GTS數(shù)值分析軟件建立三維滲流模型，通過對現(xiàn)場單井抽水試驗進行模擬分析，綜合地勘報告中室內(nèi)試驗滲透系數(shù)和抽水試驗的滲透系數(shù)，反向推演出符合工程實際的滲流邊界函數(shù)和滲透系數(shù)；然后利用反推得到的計算參數(shù)，建立三維滲流模型，模擬群井抽水狀態(tài)下水位降深與時間的變化關(guān)系，對群井降水效果進行分析，驗證降水井設(shè)計是否合理，指導(dǎo)基坑土方的開挖。

基坑降水；抽水試驗；群井抽水；滲流模型；安全評價

近年來，隨著城市化的不斷發(fā)展，高層建筑不斷涌現(xiàn)，深基坑工程也隨之增加。在基坑施工過程中，降水成功與否對整個基坑的施工安全至關(guān)重要。在已有的工程案例中，因為降水問題導(dǎo)致基坑安全事故的例子屢見不鮮。因此，需對基坑預(yù)降水時間和降水深度進行安全評價，使其滿足施工安全性的要求。

結(jié)合南通市南山湖綜合樓基坑工程，采用MIDAS/GTS有限元數(shù)值分析軟件，對該基坑的降水過程進行模擬。

1 工程概況

南通市南山湖綜合樓基坑開挖深度為17.05～18.55 m，局部最大開挖深度為24.6 m。根據(jù)場地水文地質(zhì)資料，在開挖深度內(nèi)上部為填土、粉土、粉砂，下部為飽和、中密、中等壓縮的粉細(xì)砂及中細(xì)砂，地下水豐富，水位埋深-0.5 m。設(shè)計采用?850 mm@1200 mm三軸深攪樁(套接一孔)作為止水帷幕，采用鉆孔灌注樁+2層鋼筋砼環(huán)型支撐作為支護結(jié)構(gòu)，坑內(nèi)采用管井降水，水頭應(yīng)降至基坑底板下不小于0.50 m。在坑內(nèi)降水的同時，要注意坑外回灌井補水方案，避免強降水導(dǎo)致土體固結(jié)沉降，引起周邊道路和管線下沉變形。

降水井平面布置如圖1所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計如下。

(1)降水井井徑500 mm，井深38.0 m。

圖1降水井平面布置圖

(2)降水井過濾管及井壁管采用鋼質(zhì)焊管，管徑219 mm，壁厚gt;4 mm。

(3)自孔底至孔深13.0 m的承壓含水層深度段環(huán)填硅質(zhì)圓礫，以形成良好的人工反濾層，在孔口至孔深13.0 m段環(huán)填粘土球以進行管外封孔。封孔目的是將上層潛水與下部承壓水封隔，以避免潛水被疏干后排水固結(jié)引起地面過大沉降。

2 MIDAS/GTS滲流分析方法簡介

2.1 滲流計算理論

在研究地下水運動基本規(guī)律時，無法得知水在巖土體顆?？障吨忻恳粫r刻的實際流動軌跡。因此，對地下水的流動狀況加以簡化，只關(guān)注地下水的總體流向而不考慮滲透途徑的曲折多變，認(rèn)為地下水是在全部巖土空間中流動而忽視固體顆粒的存在，這種假想的流動稱為滲流。根據(jù)水位、流速、流向等是否隨時間動態(tài)變化，滲流可劃分為穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流。

一般情況下，地下水流動遵從達(dá)西定律(式1)：

(1)

式中：Q——過水?dāng)嗝娴牧髁浚琺3/d；K——飽和、均質(zhì)土體的滲透系數(shù)，m/d；A——過水?dāng)嗝婷娣e，m2；h1、h2——過水?dāng)嗝鎯啥说乃^，m；L——過水?dāng)嗝嬷g的距離，m；Δh——過水?dāng)嗝嬷g的水頭差，m；I——水力梯度(無量綱)；v——滲流速度，m/d。

由外界作用到液體上的壓力、重力、摩擦力等各個力的平衡條件可求得地下水運動方程。對于不可壓縮流體在多孔介質(zhì)中非穩(wěn)定滲流的運動方程如式(2)所示：

(2)

根據(jù)質(zhì)量守恒原理：單元體含水量變化速率等于單元體與外界的交換速度。由此可得到滲流的連續(xù)性方程：

(3)

式中：ρ——液體密度，kg/m3；Vx、Vy、Vz——x、y、z軸方向的速度分量，m/d；n——孔隙度(無量綱)；nΔxΔyΔz——液體所占體積，m3。

2.2 MIDAS/GTS滲流分析方法

采用MIDAS/GTS軟件分析基坑降水，為考慮基坑降水的時間效應(yīng)，可采用考慮時間效應(yīng)的非穩(wěn)定滲流分析理論。非穩(wěn)定流分析的內(nèi)部和外部邊界隨時間發(fā)生變化。流動法則采用達(dá)西定律，方程如式(4)：

(4)

式中：H——總水頭；t——時間；kx、ky、kz——分別為x、y、z方向的滲透系數(shù)；Q——流量；Θ——體積含水

率。

該方程意味著任意位置、任意時刻微小體積的流入和流出的變化量與體積含水率的變化量相同。簡單地說，x、y、z方向的流量變化與外部流量之和以及體積含水率的變化相同。

建模時主要輸入?yún)?shù)包括土層滲透系數(shù)、節(jié)點水頭及節(jié)點流量。

(1)節(jié)點水頭。在MIDAS/GTS中，節(jié)點水頭不但可以很好的模擬抽水管井的位置特征，還可以通過穩(wěn)態(tài)的常量水頭或瞬態(tài)的變化水頭對基坑周邊的地下補充水源進行模擬。

(2)節(jié)點流量。在MIDAS/GTS中，節(jié)點流量可以用來對井點抽水流量進行描述。在管井的節(jié)點水頭位置處輸入流量，可用于描述降水井抽水的實際狀態(tài)。節(jié)點流量是適用于滲流/固結(jié)分析(完全耦合)的邊界條件。

2.3 計算參數(shù)反推

由于地勘報告中土的滲透系數(shù)是由室內(nèi)實驗所獲得，與土體實際的滲流系數(shù)存在一定的差值，因此需根據(jù)單井抽水實驗，通過控制時間和降水水位關(guān)系曲線對滲透系數(shù)計算參數(shù)進行反向推演分析，確定與實際抽水相符的模型參數(shù)。

2.3.1 單井降水模型初始參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗資料，建立三維抽水試驗?zāi)Ｐ?。單井模型計算范圍長100 m，寬100 m，深度為80 m。抽水實驗數(shù)值模型如圖2所示，初始輸入土層滲透系數(shù)列于表1。根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗降水深度-時間曲線如圖3所示。

2.3.2 分析結(jié)果

圖2 單井抽水試驗?zāi)Ｐ蛨D

土層編號土層名稱滲透系數(shù)k平均值/(×10-5cm·s-1)水平垂直①素填土(800)(600)②粉土117.5③粉土1812④粉砂夾粉土3613⑤粉砂夾粉土1312⑥粉砂8662⑦粉土1410⑧粉砂610460

圖3 降水深度-時間關(guān)系圖(控制降水穩(wěn)定時間為24 h)

基于上述參數(shù)，通過數(shù)值分析計算，得到不同時間段水位如圖4所示。

圖4不同時間段水位云圖

根據(jù)計算結(jié)果進一步繪制抽水24 h后水位線圖，并與抽水試驗對比，當(dāng)兩者吻合時，則計算參數(shù)能夠反映真實抽水效果。通過多次試算，反推確定土層滲透系數(shù)如表2所示，模擬水位線與抽水試驗水位線吻合，如圖5所示。

2.4 群井抽水三維數(shù)值分析

2.4.1 計算模型

采用MIDAS/GTS建立三維數(shù)值分析模型如圖6所示，計算范圍為長320m，寬220m，土層計算深度72 m。根據(jù)初步設(shè)計的降水井布置方案(合計45口降水井)，設(shè)定降水邊界條件如圖7所示。計算參數(shù)采用2.3節(jié)反向推演的計算值。

表2 反演滲透系數(shù)參數(shù)

圖5 24 h模擬降水與實際降水水位線對比圖

圖6 計算模型軸視圖

文化遺產(chǎn)包括分布于各地有具體形態(tài)的物質(zhì)遺產(chǎn)及無形的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，但無論何種形式都承載了不同民族、不同文化、不同時代的人文傳統(tǒng)，對它們的整理、開發(fā)及利用能加強多民族、多元文化的溝通及交流，促進我國與沿線各國的平等互信、合作共贏及可持續(xù)發(fā)展。

2.4.2 計算結(jié)果分析

如圖8及圖9為本基坑抽水20 d時降水深度云圖軸視圖和地下水水頭分布剖面圖。由圖可見，最大降深達(dá)到26 m，坑底普遍降深達(dá)到20 m。剖面圖反映，止水帷幕存在，對坑外水頭下降有一定的抑制作用，可有效降低降水對周邊環(huán)境的影響。

為直觀反映基坑降水深度與時間的關(guān)系，進一步繪制抽水4、12、20d降水深度等值線圖，如圖10所示。

圖7 降水邊界條件透視圖

圖8 抽水20 d后場地降水深度云圖

圖9 抽水20 d后場地地下水水頭分布圖

圖10 不同時段場地降水深度等值線圖

由上述水位降深等值線圖可見，降水4 d時，坑內(nèi)水位下降至-4.3 m；降水12 d時，坑內(nèi)水位下降至-17.8 m；降水20 d時，坑內(nèi)水位下降至-26 m。止水帷幕存在，對坑外水頭下降有一定的抑制作用，可有效降低降水對周邊環(huán)境的影響。

3 計算結(jié)果分析

(1)初步設(shè)計降水方案能夠有效降低地下水位，抽水12 d后基本能夠滿足坑底大面積挖深條件水位降深要求，抽水20 d后能夠滿足最大挖深(坑中坑)開挖設(shè)計水位降水深度。

(2)止水帷幕存在對坑外水位下降有一定的抑制作用，由于止水帷幕底仍處于透水層，降水對坑外地下水有一定影響，計算反映基坑降水影響半徑達(dá)200 m，降水施工過程應(yīng)嚴(yán)格控制降水對周邊環(huán)境的影響，做到按需降水，如有必要可考慮周邊布置回灌井減少坑外水位降深。

(3)根據(jù)抽水試驗資料，采用反推分析法計算土體平均滲透系數(shù)為1.2 m/d，基坑涌水量較大，在降水過程中應(yīng)密切關(guān)注降水井的工作狀況和止水帷幕的止水效果。

4 現(xiàn)場實際效果分析

基坑于2014年7月15日開始挖土，8月25日完成了上部大面積的整平開挖后，28日正式進入基坑范圍內(nèi)的出土工作，10月20日基坑到底。在開挖期間，嚴(yán)格依據(jù)MIDAS/GTS數(shù)值分析軟件建立的場地降水深度等值線圖控制每次的挖土深度，不可超挖，所以開挖十分順利。

開挖期間共完成了25輪次的觀測，水位變化范圍較小，變化范圍-0.55～1.2 m，沒有超出預(yù)警值范疇，沒有出現(xiàn)地面異常沉降現(xiàn)象。坑內(nèi)水位的預(yù)降也比較成功，基本上沒有影響到挖土工作，在100 d的短時間內(nèi)完成如此深的基坑的土方開挖工作，受到了項目業(yè)主單位和相關(guān)專家的高度好評?，F(xiàn)場開挖效果見圖11。

圖11 基坑開挖到底效果

5 結(jié)語

(1)深基坑支護設(shè)計必須重視基坑降水工作，尤其是在滲透性良好、地下水位較高、以飽和狀態(tài)的砂性土為主的地區(qū)更需引起重視。

(2)根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗數(shù)據(jù)、室內(nèi)滲透系數(shù)實驗數(shù)據(jù)，采用MIDAS/GTS大型有限元分析軟件，可以反推確定土層滲透系數(shù)，為建立三維滲流模型提供準(zhǔn)確參數(shù)。

(3)采用MIDAS/GTS建立三維數(shù)值分析模型，根據(jù)初步設(shè)計的降水井布置方案及設(shè)定的降水邊界條件，可以繪制時間-降水深度等值線圖。

(4)采用MIDAS/GTS建立三維數(shù)值分析模型，可以對已有的降水方案進行較全面的安全評價，從而指導(dǎo)降水施工，確?；影踩?。

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NumericalSimulationAnalysisonDewateringinFoundationPitProjectofNanshanhuComprehensiveBuildinginNantong

YINBao-bing1,ZHOUAi-zhao2,JIANGBin-lin3

(1.The 3rd Geological Brigade of Jiangsu Geology amp; Mineral Exploration Bureau, Zhenjiang Jiangsu 212021, China; 2.Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212000, China; 3.Yunnan College of Tourism Vocation, Kunming Yunnan 650221, China)

Foundation pit dewatering is the key to the whole foundation pit safety. Although the waterproof curtain was built in the foundation pit excavation of Nanshanhu complex building in Nantong, it is still necessary to make a safety assessment on the dewatering scheme of the foundation pit. 3-dimensional seepage model is established by using the MIDAS/GTS numerical analysis software, by the simulating analyzing a single well pumping test in the field and synthesizing the permeability coefficients of indoor tests in the geological exploration report and pumping tests, the seepage boundary function and the permeability coefficients fitted for the practical engineering situation are inversely deduced; then the 3-dimensional seepage model is established by using the parameters reversely derived to simulate the changing relation between water level and time in multi wells pumping. The dewatering effect of multi wells is analyzed to verify whether the dewatering design is reasonable in order to guide the foundation pit excavation.

foundation pit dewatering; pumping test; multi wells pumping; seepage model; safety assessment

2017-06-27；

2017-08-21

殷寶兵，男，漢族，1965年生，高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事地質(zhì)鉆探及工程地質(zhì)鉆探施工管理工作，江蘇省鎮(zhèn)江市喬家門，13505284872@139.com；周愛兆，男，漢族，1982年生，副教授，博士，從事深基坑支護工程方面的研究和設(shè)計工作，江蘇省鎮(zhèn)江市，zhouaizhao@126.com。

TU46+3

A

1672-7428(2017)10-0061-05