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        大連地鐵5號線后鹽站深基坑止水帷幕優(yōu)化研究

        2021-06-24 07:30:20郭濤王海濤蘇鵬祁可錄邵軍輝
        大連交通大學(xué)學(xué)報 2021年3期
        關(guān)鍵詞:曲線圖帷幕水頭

        郭濤,王海濤,蘇鵬,祁可錄,邵軍輝

        (1.大連交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.中鐵七局集團(tuán)第二工程有限公司,遼寧 沈陽 110000)*

        隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,各種建筑工程如雨后春筍般拔地而起.在各種土建工程中,巖土工程占有十分重要的地位.巖土工程中的基坑開挖打破了原有土壤中的水力平衡狀態(tài),地下水將在坑內(nèi)外水頭差的作用下出現(xiàn)滲流情況,進(jìn)而對基坑的穩(wěn)定性及周邊環(huán)境造成較大影響.基坑地下水控制不當(dāng)可能引起基坑管涌、突涌、失穩(wěn)、地面和周圍建筑物沉降等問題,是很多基坑工程事故發(fā)生的主要原因,也是基坑支護(hù)防滲設(shè)計必須考慮的問題之一[1-5].由于基坑滲流是比較復(fù)雜的情況,一般很難獲得精確的解析解,而用簡化公式計算的結(jié)果與實際往往存在較大差距,故數(shù)值分析是目前較為有效的方法.止水帷幕作為一種防水隔滲手段,在基坑底部以及基坑側(cè)壁中設(shè)置防水隔滲體,已經(jīng)在實際工程有了廣泛的使用[6].止水帷幕的存在必將對基坑的滲流場產(chǎn)生一定影響,一些專家學(xué)者越來越重視相關(guān)研究.王國光等[7-9]利用數(shù)值模擬對存在止水帷幕的基坑進(jìn)行了滲流分析,研究了止水帷幕的作用原理及其特點.丁洲祥等[10-11]通過理論分析及有限元數(shù)值模擬,討論了止水帷幕深度不同情況下及發(fā)生意外漏水時對滲流場的影響,得到了滲漏情況下滲流場的變化規(guī)律.吳世興等[12-13]模擬分析了不同開挖工況下懸掛式止水帷幕對基坑滲流場的影響,從而得到有利于減小對基坑外地下水影響的降水方案.

        本文針對大連地鐵5號線后鹽站深基坑工程,運(yùn)用Midas GTS NX有限元分析軟件,分析了不同止水帷幕參數(shù)條件下的基坑滲流變化情況,以期為基坑最優(yōu)止水帷幕參數(shù)提供理論參考.

        1 工程背景

        大連地鐵5號線后鹽站深基坑項目采用明挖法施工,基坑位于快軌三號線后鹽站北廣場東側(cè),主體沿東南至西北設(shè)置,總長185 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬22.5 m,開挖深度17.5~18.9 m.基坑與黃海海岸線最小距離為2 km.基坑鄰近有水塘和水塔,泉水富集.基坑為鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐支護(hù)體系,地下水處理擬采用基坑外截水和坑內(nèi)明排相結(jié)合,其中坑外截水采用樁間止水加帷幕注漿方式.基坑平面示意圖如圖1所示.

        圖1 基坑平面示意圖

        根據(jù)抽水試驗結(jié)果及地區(qū)經(jīng)驗綜合分析,得知地下水類型為第四系孔隙潛水及基巖裂隙(巖溶裂隙)潛水,地下水位深度0.01~0.95 m,地下水位標(biāo)高4.21~4.90 m,綜合滲透系數(shù)k=58.68m/d,中風(fēng)化石灰?guī)r層滲透系數(shù)40.68~57.99 m/d,車站明挖法施工且不考慮止水措施的條件下,計算車站基坑總涌水量為20 992.9 m3/d,抽水試驗估算結(jié)果如下:滲透系數(shù)為60 m/d,潛水含水層厚度20 m,水位降深19.5 m,基坑等效半徑38.4 m,降水影響半徑1 316.8 m,基坑面積4 625 m2,基坑涌水20992.9m3/d.場地東南側(cè)由泉水形成的池塘水與本場地地下水具有水力聯(lián)系,其補(bǔ)給場地第四系含水層及基巖裂隙含水層的水量較大,基礎(chǔ)施工時應(yīng)采用降水-止水相結(jié)合方案.

        根據(jù)壓水試驗成果分析,場地圍巖透水率為1.49~282.22Lu.場地圍巖透水率大,基坑開挖時將大量涌水,因此對基坑進(jìn)行防滲處理,擬采用處理方案為止水帷幕灌漿施工工藝,灌漿材料由水泥、水玻璃、水和外加劑組成,漿液水灰比采用0.8∶1,水泥水玻璃雙液漿配合比1∶0.8(體積比),速凝劑、減水劑、穩(wěn)定劑摻入量分別為水泥量的3%、2%、2%,對止水帷幕方案進(jìn)行數(shù)值模擬計算.

        2 數(shù)值計算模型

        根據(jù)工程實際的地質(zhì)水文情況,運(yùn)用Midas GTS NX有限元分析軟件,利用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型,改善了摩爾庫倫的本構(gòu)條件,消除摩爾庫倫本構(gòu)偏平面六邊形計算頂點塑應(yīng)變方向時的不穩(wěn)定因素,使計算的收斂性更好[14-16].通過建立多次模型進(jìn)行對比,最終選取有限元計算模型尺寸136 m×28 m×60 m,巖土體參數(shù)根據(jù)本工程勘察報告及現(xiàn)場試驗或相關(guān)規(guī)范選定,具體參數(shù)如表1.模型土層由上至下分別是素填土、中風(fēng)化石灰?guī)r,本工程擬采用止水帷幕深度為22 m,厚度為1.0 m,開挖深度為18 m.取無止水帷幕及深度為16、18、20、22、24 m不同工況下的止水帷幕,厚度為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 m不同工況下的止水帷幕,滲透系數(shù)為1×10-6、5×10-6、1×10-5、1×10-4、5×10-4m/d不同工況下的止水帷幕,分別分析了止水帷幕深度、厚度和滲透系數(shù)對基坑滲流場的影響規(guī)律.

        表1 模型參數(shù)取值

        由水文地質(zhì)情況及綜合考慮,擬設(shè)定初始水位總水頭-1 m,基坑的多次降水均達(dá)到開挖面以下0.5 m,降水水頭依次為-3.8、-9.8、-14.8和-18.5 m.經(jīng)過四步降水后,總的內(nèi)外水頭差值為17.5 m,故地下水的滲流會對基坑產(chǎn)生不可忽視的影響.依據(jù)上述條件分析得出基坑立面示意圖(圖2)和數(shù)值計算模型(圖3).

        圖2 基坑立面示意圖

        圖3 深度22 m的止水帷幕計算模型

        3 止水帷幕參數(shù)的優(yōu)化分析

        3.1 不同深度止水帷幕滲流分析

        由總水頭云圖(圖4)可知基坑地下水的滲流導(dǎo)致總水頭在坑外逐漸減小進(jìn)而產(chǎn)生水位差,無止水帷幕工況下的總水頭比有止水帷幕的減速快,滲流流量分別為100和51 m3/d,顯然止水帷幕有效的減少地下水向基坑滲流.取不同止水帷幕深度的基坑右側(cè)2 m位置處各節(jié)點,得出孔隙水壓力水頭值隨深度變化的曲線圖(圖5).在無止水帷幕、止水帷幕深度16和18 m時,基坑側(cè)壁和底部交角處發(fā)生突變,基坑坑角土體中地下水相連,表明未達(dá)到基底深度的止水帷幕止?jié)B效果不明顯.然而深度為20、22和24 m的止水帷幕具有顯著的止水效果,深度為22和24 m止水帷幕的曲線相似且基本為斜直線,故深度為22和24m止水帷幕的止水效果更為顯著.

        (a)無止水帷幕

        圖5 孔隙水壓力水頭值隨深度變化的曲線圖

        圖6為滲流速度隨深度變化的曲線圖.無止水帷幕和深度為16 m的止水帷幕兩種工況下,滲流速度最大發(fā)生在基坑坑角,分別為154、143 m/d.止水帷幕深度為18、20、22、24 m時,帷幕底端地下水流速最大,最大值依次是134、91、76、65 m/d.深度為18 m的止水帷幕滲流速度較大且止水效果不明顯,但改變了最大滲流速度發(fā)生的位置,最大滲流速度在止水帷幕底端外側(cè),進(jìn)而在一定程度上保護(hù)坑角.無止水帷幕的最大滲流速度是深度為20 m時的1.69倍,深度為22 m時的2.03倍,深度為24 m的2.37倍,故止水帷幕的深度與最大滲流速度成反比.當(dāng)止水帷幕深度從20 m增加到22 m時滲流速度減小了15 m/d,22 m增加到24m時滲流速度減小了9 m/d,故流速減小效果隨著相同深度的增加而變?nèi)?,即止水帷幕的深度達(dá)到一定值后的流速變化隨著深度增加不再明顯.深度為22 m的止水帷幕在各階段的滲流速度基本都小于其他工況,在實際施工中應(yīng)選擇適當(dāng)深度的止水帷幕,本工程止水帷幕的深度在20~24 m處于合理范圍,綜合考慮后的止水帷幕深度與基坑深度比為1.22,即深度為22 m時止水帷幕達(dá)到最佳效果.

        圖6 滲流速度隨深度變化的曲線圖

        3.2 不同厚度止水帷幕滲流分析

        通過不同厚度止水帷幕的六種工況,得出相應(yīng)的滲流路徑示意圖(圖7)、地下水總水頭曲線圖(圖8)和不同厚度的止水帷幕流速曲線圖(圖9).上述工況下的滲流路徑變化出現(xiàn)了顯著的現(xiàn)象,隨著止水帷幕厚度的逐漸增大,基坑的抗突涌穩(wěn)定性不斷提升.但上述工況的總水頭分布基本一致,故止水帷幕的厚度對總水頭影響較小.無帷幕和帷幕厚度為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 m時,流速分別為154、82、76、74、72、69 m/d.表明止水帷幕有效的減小了滲流流速,但止水帷幕厚度的增加對流速減小作用不明顯,止水帷幕厚度超過1.0m時滲流流速幾乎一致.考慮到經(jīng)濟(jì)性,本工程止水帷幕厚度為1.0 m較為合理.

        (a)止水帷幕厚度1 m

        圖8 總水頭隨深度變化的曲線圖

        圖9 滲流速度隨深度變化的曲線圖

        3.3 不同滲透系數(shù)止水帷幕滲流分析

        滲透系數(shù)為1×10-6、5×10-6、1×10-5、1×10-4、5×10-4m/d不同工況下止水帷幕的滲流場各物理量的分布情況有明顯的相似現(xiàn)象,由水力梯度合成值(表2)分析得出,止水帷幕的滲透系數(shù)與基底水力 梯 度 呈 現(xiàn)負(fù)相關(guān),但隨著滲透系數(shù)的減小致使水力梯度變化有所減弱.由此可見,隨著止水帷幕滲透系數(shù)的減小,其止水效果逐漸趨于穩(wěn)定,當(dāng)滲透系數(shù)小于一定值時,變化止水帷幕滲透系數(shù)對基坑滲流場影響不大,故本工程中擬定止水帷幕的滲透系數(shù)1×10-5m/d最為合適.

        表2 各工況的水力梯度合成值

        4 結(jié)論

        本文對大連地鐵5號線后鹽站深基坑止水帷幕進(jìn)行了優(yōu)化研究,得到以下相關(guān)結(jié)論:

        (1)止水帷幕改變了地下水滲流路徑,對基坑側(cè)壁和坑角起到了一定的保護(hù)作用.當(dāng)止水帷幕的深度未超過基底時,雖然起到了一定程度的止水效果但并不明顯,并且不能有效的保護(hù)基坑側(cè)壁和坑角不受滲流的破壞.深度超過基底時,止水帷幕產(chǎn)生了顯著作用,但在插入一定深度后,止水帷幕深度的增加對其止水效果沒有明顯的改善.合適深度的止水帷幕與止水性能密切相關(guān),止水帷幕深度與基坑深度比為1.22時該工程達(dá)到最佳止水效果;

        (2)止水帷幕厚度與基坑抗突涌穩(wěn)定性存在正相關(guān)關(guān)系,滲流流速隨著厚度的增大而減慢,當(dāng)厚度超過1.0 m時流速變化不再顯著.綜合考慮后,本工程擬定厚度1.0 m的止水帷幕更為合理;

        (3)改變止水帷幕的滲透系數(shù)會對滲流場產(chǎn)生一定影響,止水帷幕的滲透系數(shù)與基底水力梯度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),但隨著滲透系數(shù)的減小致使水力梯度變化有所減弱.基坑滲流場的影響隨著滲透系數(shù)的降低而逐漸減弱并趨于穩(wěn)定,故本工程中最終擬定止水帷幕的滲透系數(shù)為1×10-5m/d; (4)通過對深基坑止水帷幕優(yōu)化研究可知,各種因素對基坑的影響都處在一定的范圍之內(nèi),達(dá)到某一臨界值后影響逐漸減小,并最終趨于穩(wěn)定.本文中所得的一些大致規(guī)律,準(zhǔn)確的臨界值還需今后進(jìn)一步的研究與探討.

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