馮明偉

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200030）

0 引言

近年來(lái)，海南臨海地區(qū)基坑工程日益增多且多為土-巖質(zhì)相結(jié)合的深基坑。因此，臨海地區(qū)在波浪潮汐作用下的基坑邊坡穩(wěn)定性主要取決于基巖面以上的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。與內(nèi)陸地區(qū)基坑工程不同，臨海地區(qū)由于其自身固有的地形、地貌和土層組成特征，特別是臨海基坑工程，所在場(chǎng)地地下水直接與海水發(fā)生水力聯(lián)系，海水的潮汐波動(dòng)會(huì)直接導(dǎo)致臨?；鶐r面以上含水層地下水水位發(fā)生波動(dòng)，使得基坑基巖面以上土質(zhì)邊坡圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的水土壓力發(fā)生變化，基坑土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性也隨之發(fā)生波動(dòng)。

目前對(duì)臨?；庸こ虇?wèn)題的研究主要考慮坑外地下水水位穩(wěn)定補(bǔ)給情況，對(duì)動(dòng)水邊界下基坑滲流問(wèn)題的研究較少，水位波動(dòng)下的滲流機(jī)理及其對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響尚不明晰。應(yīng)宏偉等[1~3]將基坑滲流場(chǎng)分區(qū)，假設(shè)土體總應(yīng)力不變，將固結(jié)方程解耦，利用Laplace、Fourier變換推導(dǎo)了淺層含水層內(nèi)地下水位波動(dòng)時(shí)板式支護(hù)基坑周?chē)鼗量讐喉憫?yīng)的二維近似半解析解；聶文峰[4]提出了濱海淺層含水層地下水位波動(dòng)和臨海水位波動(dòng)2種情況下的基坑滲流簡(jiǎn)化分析模型，利用PLAXIS軟件，基于Biot固結(jié)理論,建立相應(yīng)的有限元數(shù)值分析模型，分析了淺層含水層地下水位波動(dòng)與水位在海床面以上波動(dòng)2種條件下基坑及周?chē)鼗乃翂毫憫?yīng)，并討論相關(guān)參數(shù)對(duì)基坑滲流性狀的影響；鐘佳玉等[5]采用波流水槽模型試驗(yàn)方法，研究了規(guī)則波和不規(guī)則波作用下砂質(zhì)海床的孔隙水壓力響應(yīng)問(wèn)題，其中主要考慮不同深度、波高及周期對(duì)孔隙水壓力的影響，從而得出孔壓變化規(guī)律。

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對(duì)臨海受潮汐作用下場(chǎng)地孔隙水壓力變化的分析，主要集中在孔壓變化的微觀現(xiàn)象、滲流路徑的特定變化模式等確定性情況。本文主要從地下水流動(dòng)規(guī)律入手，采用地下水一維流動(dòng)的布辛奈斯克方程，研究臨海地下水潛水含水層水位波動(dòng)的影響因素；根據(jù)海南三亞某基地臨海地區(qū)地層地下水水位在潮汐作用下的長(zhǎng)期觀測(cè)資料[6]，進(jìn)行主要影響因素的識(shí)別與分析，研究臨海地區(qū)地下水水位在潮汐作用下的主要影響因素。

1 潮汐及地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)鉆孔埋設(shè)3條剖面共15個(gè)土壓力觀測(cè)孔，剖面線間距30m、孔間距15m。其中北側(cè)2條剖面每孔埋設(shè)土壓力計(jì)3件，南側(cè)1條剖面每孔埋設(shè)土壓力計(jì)4件。在15個(gè)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)孔中選取5個(gè)孔，每孔埋設(shè)1只孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行地下水位監(jiān)測(cè)。為監(jiān)測(cè)海水水位隨潮汐作用的變化，在與3條剖面線相應(yīng)的范圍內(nèi)沿海岸線布設(shè)3點(diǎn)海水水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每點(diǎn)埋設(shè)1只孔隙水壓力計(jì)。地下水水位、潮汐水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 地下水水位、潮汐水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

2 潮汐及地下水觀測(cè)成果分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：在農(nóng)歷每月初一、十五前后，各要發(fā)生1次潮差最大的大潮；在每月初八、二十三前后，各要出現(xiàn)1次潮差最小的小潮。在出現(xiàn)大潮時(shí)，必定為全日潮；在大潮過(guò)后，潮差逐漸變小，潮汐類(lèi)型由全日潮逐漸變?yōu)椴灰?guī)則全日潮，最后變成不規(guī)則半日潮，如圖2所示。

圖2 潮汐引起的地下水水位周期波動(dòng)

海水的漲落周期對(duì)于全日潮來(lái)說(shuō)，每天有1個(gè)高潮，高潮時(shí)間一般能維持1h左右；對(duì)于不正規(guī)半日潮，一般在凌晨和下午各1次，且2次潮高不相等。潮汐的漲落時(shí)間每天各不相同，15d為1個(gè)周期，因此，1次高潮發(fā)生后，下次高潮時(shí)間為次日的同一時(shí)間向后推遲0.8h，具體見(jiàn)圖3、圖4。

由此可見(jiàn)，每次潮汐過(guò)程都會(huì)造成臨海地下工程場(chǎng)地地下水位的大幅上升，增加水土壓力，使施工過(guò)程中止水帷幕成樁難、成樁質(zhì)量差，給基坑的設(shè)計(jì)施工帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)。

3 潮汐作用下的地下水水位波動(dòng)方程推導(dǎo)

3.1 控制方程

圖3 全日型潮

圖4 半日型潮

在一定范圍內(nèi)，臨海含水層系統(tǒng)受到海水潮汐運(yùn)動(dòng)影響，產(chǎn)生水位波動(dòng)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，依據(jù)場(chǎng)地條件，作如下假設(shè)：

（1）含水層均值各向同性，底部隔水層水平，忽略外部降雨入滲補(bǔ)給。

（2）地下水與向海水的流動(dòng)可以看作一維流，地下水流動(dòng)方向與海岸線垂直。

（3）潛水流的初始狀態(tài)為穩(wěn)定流。

（4）海平面變化使得潛水含水層發(fā)生瞬時(shí)回水，如圖5所示。

圖5 濱海地下水系統(tǒng)

3.2 邊界條件

邊界條件為向陸邊界和向海邊界，其中向陸邊界假定為足夠遠(yuǎn)處，地下水水位不受潮汐變化影響，取為定水頭邊界（h1）。在上述情況下，地下水的運(yùn)動(dòng)可以用Boussinesq方程來(lái)描述：

式中：h為地下水水位（以底部為基準(zhǔn)面）；μ為給水

度；K為滲透系數(shù)；t為時(shí)間；x為橫向坐標(biāo)。

3.3 解析表達(dá)式

當(dāng)忽略潮汐作用的影響時(shí)，地下水水位不隨時(shí)間變化。取垂直于大海的單位寬度來(lái)研究，初始條件為：

與式（1）聯(lián)立，得：

根據(jù)假設(shè)，潛水流的初始狀態(tài)為穩(wěn)定流，水位可用式（4）表示，即：

在上述情況下，地下水的運(yùn)動(dòng)仍可以用式(1)表示，當(dāng)潛水含水層厚度變化不大時(shí)，可以用其平均值hm來(lái)代替h，則式（1)經(jīng)過(guò)變量代換和線性化，根據(jù)相應(yīng)的定解條件，得到：

求解得到：

利用下列展開(kāi)式：

則上式簡(jiǎn)化為：

其中：

4 潮汐作用下地下水水位波動(dòng)分析

4.1 影響地下水波動(dòng)的主要因素

根據(jù)海南三亞某場(chǎng)地的具體工程地質(zhì)條件，取滲透系數(shù)K=7×10-5m/s，給水度μ=0.4，潛水含水層平均厚度hm=10m，向陸邊界處水頭h1=2m，向海邊界處低潮位水頭（初始水頭）h2（0，0）=0~2m，向陸邊界與向海邊界的距離L=100m，潮汐波動(dòng)周期T=24h。將這些參數(shù)代入式（7），得到結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 地下水水位與潮高關(guān)系

圖7 不同水平距離處地下水水位隨時(shí)間變化

由于潮汐作用引起海平面增高，臨海潛水含水層受影響范圍增大，在影響范圍內(nèi)地下水水位隨著潮高的增大而升高。隨著計(jì)算地點(diǎn)與海岸距離的增大，潮汐波動(dòng)對(duì)地下水水位產(chǎn)生的影響隨之減小，距離海岸100m處地下水水位基本不受潮汐作用的影響。

4.2 與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

在本次監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，潛水含水層孔隙水壓力受到潮汐的影響，呈現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)趨勢(shì)。在K1~K5剖面，隨著傳感器與海岸邊界距離的增大，孔隙水水頭每日變幅明顯變?。ㄒ?jiàn)表1）。對(duì)其進(jìn)行擬合分析后發(fā)現(xiàn)，隨著與海岸邊界距離的增大，孔隙水壓力波動(dòng)幅值有指數(shù)衰減趨勢(shì)，與解析解計(jì)算結(jié)果大體符合。如圖8所示，在同一水平位置監(jiān)測(cè)值普遍小于計(jì)算值，分析原因可能為：在構(gòu)建控制方程時(shí)，對(duì)場(chǎng)地條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，沒(méi)有考慮含水層底板起伏和參數(shù)空間變異性的影響。

表1 潛水含水層水頭變化與水平距離關(guān)系

圖8 監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算值對(duì)比

在一維潛水含水層地下水流動(dòng)方程的解析表達(dá)式基礎(chǔ)上，研究了濱海地區(qū)潛水含水層地下水水位受潮汐影響的變化特點(diǎn)，得到了影響地下水水位的主要影響因素為潮汐變化幅值、與海岸水平距離。通過(guò)對(duì)濱海場(chǎng)地長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理分析，驗(yàn)證了這一結(jié)論。并且，在此次研究中，與海岸水平距離超過(guò)100m時(shí)，由潮汐引起的地下水波動(dòng)已經(jīng)可以忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)工程活動(dòng)產(chǎn)生影響。

4.3 對(duì)土巖質(zhì)基坑設(shè)計(jì)與施工的指導(dǎo)意義

海南臨海地區(qū)土巖質(zhì)深基坑的邊坡穩(wěn)定性取決于基巖面以上土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。因基巖面以上土層滲透性在10-2cm/s左右，其滲透性較強(qiáng)，受潮汐作用影響較大，主要影響因素為距離海岸遠(yuǎn)近和潮汐作用幅值的大小。為此，必須做到：

（1）在分析土巖質(zhì)基坑邊坡穩(wěn)定性時(shí)，必須考慮潮汐作用的影響，而且視基坑周邊距離海岸遠(yuǎn)近和方位可分段設(shè)計(jì)與驗(yàn)算基坑邊坡穩(wěn)定性，這樣既取值合理，又能確?；舆吰掳踩?。土體與基巖交接面附近為一薄弱面，基坑邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算的重點(diǎn)是基巖面以上土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

（2）在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，地下水壓力可分段取值，這樣可分段設(shè)計(jì)防滲止水帷幕體的強(qiáng)弱，做到基坑邊坡圍護(hù)設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)合理，又能確保土質(zhì)邊坡安全。

（3）在基坑圍護(hù)施工時(shí)，施工工藝要考慮潮汐作用的影響，必要時(shí)應(yīng)采取一定技術(shù)措施，在施工前要有針對(duì)性地制定施工技術(shù)方案，分析潮汐作用所產(chǎn)生的施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，制定應(yīng)對(duì)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在一維潛水含水層地下水流動(dòng)方程的解析表達(dá)式基礎(chǔ)上，研究了臨海地區(qū)潛水含水層地下水水位受潮汐影響的變化特征，得到了影響地下水水位的主要因素為潮汐變化幅值、與海岸水平距離。通過(guò)對(duì)海南三亞某臨海場(chǎng)地地下水水位長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理分析，驗(yàn)證了這一結(jié)論。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，與海岸水平距離超過(guò)100m時(shí)，由潮汐引起的地下水波動(dòng)可以忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)工程活動(dòng)產(chǎn)生影響。

（2）地下水水位波動(dòng)主要受到監(jiān)測(cè)點(diǎn)與海岸距離位置的影響，土層自身滲透性能和厚度變化情況不會(huì)對(duì)地下水水位波動(dòng)產(chǎn)生明顯影響。

（3）臨海地區(qū)潮汐作用下的地下水水位波動(dòng)特征研究，可有針對(duì)性地指導(dǎo)土巖質(zhì)基坑邊坡穩(wěn)定性分析，特別是對(duì)基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)與施工有重要的參考價(jià)值和設(shè)計(jì)依據(jù)。