張紅章，范衛(wèi)琴，張曉華，徐 升

（1.武漢豐達(dá)地質(zhì)工程有限公司，湖北 武漢 430074；2.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004）

在超大超深基坑工程中進(jìn)行降水常常結(jié)合帷幕來(lái)止水，以減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，減少周?chē)孛娴某两礫1-2]。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：懸掛式止水帷幕能截?cái)喽鄠€(gè)土層，延長(zhǎng)滲流通道；落底式止水帷幕能進(jìn)一步降低降水對(duì)周邊環(huán)境的影響[3]，但受工程技術(shù)和地質(zhì)條件的限制，落底式止水帷幕常常無(wú)法完全隔絕坑內(nèi)外水力聯(lián)系[4]。目前常采用理論公式、現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)[5]、數(shù)值模擬[6]、有限元分析[7]等方法來(lái)獲取相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，以檢驗(yàn)降水實(shí)際效果、帷幕施工質(zhì)量、并預(yù)測(cè)地表沉降量[8]以及優(yōu)化降水和帷幕設(shè)計(jì)方案等[9]。

工程界關(guān)于止水帷幕的研究成果較多，如馮曉臘在軟土地區(qū)開(kāi)展深基坑群井抽水試驗(yàn)，提出計(jì)算基坑側(cè)壁涌漏量的數(shù)學(xué)模型[10]，推斷出滲漏點(diǎn)位置[4]；袁斌[11]采用數(shù)值模擬方法優(yōu)化了擋水帷幕和降水井深度。王鵬等[12]運(yùn)用聲納試驗(yàn)獲得現(xiàn)場(chǎng)滲透系數(shù)的參數(shù)指標(biāo)，反演三維滲流場(chǎng)，準(zhǔn)確獲得連續(xù)墻的滲漏點(diǎn)。張東升等[13]在某超大深基坑中開(kāi)展了群井抽水試驗(yàn)，認(rèn)為落底式止水帷幕可以延長(zhǎng)地下水從坑外涌入坑內(nèi)的滲流路徑，從而大幅度減緩坑內(nèi)外水位的下降速率。本文以某超大深基坑項(xiàng)目為依托，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展抽水連通試驗(yàn)，分析了該工程地連墻落底式帷幕的止水效果，并通過(guò)Waterloo Hydrogeologic公司（WHI）研制的Modflow 4.1軟件反演了地連墻的滲透系數(shù)；根據(jù)反演結(jié)果，結(jié)合項(xiàng)目工程地質(zhì)和水位地質(zhì)的情況，確定前期所設(shè)計(jì)的降水井?dāng)?shù)量可滿(mǎn)足降水要求，并預(yù)測(cè)了基坑降水對(duì)周邊地面沉降的影響。

1 工程概況

1.1 場(chǎng)地環(huán)境

某超大深基坑開(kāi)挖深度約20.5 m，周長(zhǎng)約1 076 m、面積約6萬(wàn)m2，安全等級(jí)為一級(jí)?；痈鱾?cè)均存在保護(hù)要求較高的建構(gòu)筑物，尤其是軌道交通7號(hào)線(xiàn)地鐵、市政主干道、多層磚混結(jié)構(gòu)民房、地下管線(xiàn)等，環(huán)境較為復(fù)雜。

1.2 水文地質(zhì)條件

本工程地貌上屬于長(zhǎng)江I級(jí)階地，場(chǎng)地在勘探深度79.5 m范圍內(nèi)表層分布有厚度不一的雜填土（Qml），其下為第四系全新統(tǒng)沖積成因的粘性土及粉土、砂土，下伏基巖為白堊下第三系（KE）泥質(zhì)砂巖及志留系（S）泥質(zhì)砂巖。所分布的地層及滲透系數(shù)見(jiàn)表1。場(chǎng)區(qū)地下水主要是上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。上層滯水分布于表層填土中，主要接受地表排水與大氣降水的補(bǔ)給，水量隨季節(jié)而變化，水位不連續(xù)，無(wú)統(tǒng)一自由水面，水位埋深0.7～1.9 m；孔隙承壓水主要賦存于砂性土中，上覆粘性土、下伏基巖分別為相對(duì)隔水層的頂板和底板，含水層滲透性隨深度遞增，主要接受側(cè)向地下水的補(bǔ)給及向側(cè)向排泄，與長(zhǎng)江水力聯(lián)系密切，呈互補(bǔ)關(guān)系，地下水位季節(jié)性變化規(guī)律明顯，水量較為豐富，勘察期間承壓水埋深14.5 m左右；基巖裂隙水主要賦存于砂巖裂隙中，主要接受其上部含水層中地下水的下滲及側(cè)向滲流補(bǔ)給，基巖上部與承壓含水層直接相連。

表1 場(chǎng)地土層分布情況及滲透系數(shù)表

1.3 止水帷幕設(shè)計(jì)方案

采用“隔降結(jié)合”的方式對(duì)承壓水進(jìn)行處理，即周邊地下連續(xù)墻全部進(jìn)入基巖，切斷基坑內(nèi)外的承壓水聯(lián)系，其中地連墻墻底入巖深度控制標(biāo)準(zhǔn)為：北側(cè)臨近地鐵側(cè)入巖不小于2.0 m，其它側(cè)入巖不小于1.0 m；若入巖范圍內(nèi)揭露中風(fēng)化深度超過(guò)0.5 m，墻底進(jìn)入中風(fēng)化0.5 m。同時(shí)在基坑內(nèi)設(shè)置深井降水管井進(jìn)行減壓疏干降水。在地下連續(xù)墻各槽段之間設(shè)置工字形型鋼接頭，另外基坑連續(xù)墻兩側(cè)均設(shè)置直徑850 mm、間距600 mm的三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，同時(shí)在連續(xù)墻接縫位置設(shè)扶壁柱。止水帷幕典型斷面如圖1所示。

圖1 止水帷幕設(shè)計(jì)示意圖

1.4 降水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置方案

基坑內(nèi)共設(shè)置60口深井降水井，基坑外設(shè)置23口觀(guān)測(cè)井，降水井設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 降水井設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 抽水連通試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)需在整個(gè)擬建場(chǎng)區(qū)基坑開(kāi)挖前、周邊地下連續(xù)墻落底式止水帷幕完成后進(jìn)行，試驗(yàn)井位置見(jiàn)圖2。試驗(yàn)共設(shè)置7組，每組試驗(yàn)由2口坑內(nèi)抽水井和坑外及坑內(nèi)分別至少2口觀(guān)測(cè)井組成，在每組抽水試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行水位恢復(fù)試驗(yàn)。7組試驗(yàn)不是同時(shí)進(jìn)行，待前一組試驗(yàn)完成后進(jìn)行下一組試驗(yàn)。具體分組和試驗(yàn)時(shí)間如表3所示。

圖2 試驗(yàn)井分組及位置示意圖

表3 抽水連通試驗(yàn)井的分組

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)記錄

各組連通試驗(yàn)記錄了降水井在各觀(guān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的降深，由于各組試驗(yàn)曲線(xiàn)總體特征相似，限于篇幅，選取有代表性的兩組試驗(yàn)的降深-時(shí)間（S-T）曲線(xiàn)，詳見(jiàn)圖3。

圖3 典型連通抽水試驗(yàn)S-T曲線(xiàn)

圖3中以第7組連通試驗(yàn)曲線(xiàn)為例，可以發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，抽水井降深在短時(shí)間內(nèi)快速增大，在200 min時(shí)水位便已接近最大降深，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，300 min后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，變化幅度在1～2 cm/h。停泵后，抽水井水位在短時(shí)間內(nèi)迅速回升，隨著時(shí)間的推移，水位恢復(fù)的速率逐漸降低。在觀(guān)測(cè)期間，抽水井J2-10、J2-11在430 min時(shí)水位分別達(dá)到最大降深9.19和9.68 m。

坑內(nèi)觀(guān)測(cè)井J2-12在抽水的前60 min內(nèi)降深速率較快，之后降深緩慢增加并趨于穩(wěn)定。最大降深2.3 m。抽水井停止抽水后，坑內(nèi)觀(guān)測(cè)井水位在短時(shí)間內(nèi)快速回升，隨時(shí)間推移逐漸趨于恢復(fù)到原始水位?？油庥^(guān)測(cè)井J1-7在觀(guān)測(cè)期內(nèi)，持續(xù)緩慢下降，在觀(guān)測(cè)期內(nèi)最大水位降深達(dá)到0.81 m。

將7組試驗(yàn)中最大降深匯總，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 連通試驗(yàn)坑內(nèi)外試驗(yàn)井的最大降深匯總表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)連通試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以觀(guān)察到以下特征。

（1）由圖3可知，每組試驗(yàn)中抽水井與觀(guān)測(cè)井的水位變化趨勢(shì)基本一致，變化特點(diǎn)為：最開(kāi)始在短時(shí)間內(nèi)水位快速下降，隨后水位下降速度逐漸降低，趨于穩(wěn)定；停泵后，水位快速攀升，然后逐漸穩(wěn)定，整個(gè)變化曲線(xiàn)類(lèi)似 “勺”形。

（2）表4中對(duì)比坑內(nèi)外觀(guān)測(cè)井的最大降深，發(fā)現(xiàn)7組試驗(yàn)均呈現(xiàn)同樣的規(guī)律：觀(guān)測(cè)井距離抽水井越近，其水位降深越大；觀(guān)測(cè)井中，坑內(nèi)抽水井的水位降深最大，變化速率最快，坑內(nèi)觀(guān)測(cè)井次之，坑外觀(guān)測(cè)水位降深最小，變化速率最慢，降深呈現(xiàn)出明顯的降水“漏斗效應(yīng)”。

（3）表4的坑內(nèi)外降深數(shù)據(jù)和圖3中的降水井S-T曲線(xiàn)均表明：在坑內(nèi)抽水時(shí)，坑外觀(guān)測(cè)井呈現(xiàn)出微小的水位降深，表明落底式止水帷幕并沒(méi)有完全隔絕坑內(nèi)外的水力聯(lián)系。

（4）表4中各組試驗(yàn)的坑內(nèi)抽水井的最大降深明顯大于坑外觀(guān)測(cè)井，坑內(nèi)外平均水頭差達(dá)10.5 m，表明落底式止水帷幕雖然沒(méi)有完全隔絕坑內(nèi)外水力聯(lián)系，但增加了地下水的滲流路徑，大幅度減緩了坑外水位的下降速率，隔水效果較明顯，可大幅降低坑外地下水的涌入量。

4 地連墻滲透系數(shù)反演

4.1 模型建立

數(shù)值模擬技術(shù)可以計(jì)算基坑內(nèi)外的涌水量，模擬出整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程的非穩(wěn)定流過(guò)程，而且還可以預(yù)測(cè)基坑周邊每一點(diǎn)的水位降深，實(shí)現(xiàn)對(duì)降水工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

本基坑工程平面長(zhǎng)約360 m、寬約260 m。降水目標(biāo)層為承壓含水層，水量較大。模擬計(jì)算區(qū)域范圍確定為基坑邊線(xiàn)向外擴(kuò)展420 m，垂直方向尺寸為下伏相對(duì)隔水基巖以下25 m，即計(jì)算區(qū)域尺寸為1 200 m×1 100 m×75 m。根據(jù)圖1和表1中的參數(shù)，在Modflow軟件中建立地下水滲流數(shù)值模型。得到概化的水文地質(zhì)模型如圖4所示。由于在整個(gè)模擬過(guò)程中主要是觀(guān)測(cè)承壓含水層的變化情況，故在初始水位賦值時(shí)，承壓含水層初始水位需根據(jù)實(shí)際勘察情況設(shè)置為相對(duì)標(biāo)高-14.5 m。

圖4 華潤(rùn)萬(wàn)象城的水文地質(zhì)模型

4.2 邊界條件設(shè)置

邊界條件包括基坑止水帷幕、抽水井定流量邊界及模型范圍的定水頭邊界等。根據(jù)工程實(shí)際情況，止水帷幕范圍為整個(gè)基坑邊界，深度設(shè)置為落入基巖層0.5～2.5m，地連墻厚度為1 m。試驗(yàn)井參數(shù)根據(jù)表3、按照設(shè)計(jì)平面圖2進(jìn)行布置，單口井抽水量為1 920 m3/d。定水頭邊界設(shè)置于模擬區(qū)邊界，定水頭相對(duì)標(biāo)高取抽水試驗(yàn)期間的最高水位-10.5 m。邊界條件設(shè)置后模型如圖5所示。

圖5 邊界條件示意圖

4.3 模擬計(jì)算結(jié)果

4.3.1 反演滲透系數(shù)

在軟件中模擬抽水過(guò)程中基坑內(nèi)外滲流場(chǎng)的變化情況，不斷調(diào)整地下連續(xù)墻的滲透系數(shù)，直至達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)連通試驗(yàn)一致的S-T曲線(xiàn)，從而反演出地下連續(xù)墻的滲透系數(shù)。以第一組抽水試驗(yàn)為例，模擬計(jì)算中各個(gè)時(shí)刻的水頭壓力云圖如圖6所示。

圖6 不同時(shí)刻水位降深斷面圖

圖6顯示,第1組數(shù)值模擬試驗(yàn)的坑外觀(guān)測(cè)井的降深為0.90 m，現(xiàn)場(chǎng)第1組抽水連通試驗(yàn)的坑外觀(guān)測(cè)井的降深為0.87 m，即試驗(yàn)坑外降深模擬值與實(shí)測(cè)值兩者趨于一致，反演得到第1組地連墻滲透系數(shù)為6.0×10-6cm/s。運(yùn)用同樣的方法以7組連通試驗(yàn)中各組抽水井試驗(yàn)時(shí)間的坑外觀(guān)測(cè)井水位降深為依據(jù)，通過(guò)連通試驗(yàn)反演得到不同試驗(yàn)井處的地連墻滲透系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各組試驗(yàn)反演所得的地連墻滲透系數(shù)匯總表

由表5可見(jiàn)，反演得到的地連墻平均滲透系數(shù)的變化區(qū)間為1.6×10-6～6.0×10-6cm/s，不同區(qū)域滲透性的離散性較大，但在同一數(shù)量級(jí)，地下墻滲透系數(shù)屬于正常范圍內(nèi)，說(shuō)明墻身范圍沒(méi)有出現(xiàn)明顯的滲漏。

4.3.2 水位降深

由于降水井?dāng)?shù)量設(shè)計(jì)中考慮了一定的安全儲(chǔ)備，實(shí)際降水時(shí)不會(huì)同時(shí)開(kāi)啟所有降水井，所以模擬計(jì)算時(shí)設(shè)定開(kāi)設(shè)的降水井?dāng)?shù)目為45口，根據(jù)表5中反演所得的滲透系數(shù)，對(duì)該場(chǎng)地進(jìn)行抽水一段時(shí)間的降深預(yù)測(cè)，得到水位降深等值線(xiàn)圖及剖面圖，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 水位降深模擬圖

圖7中顯示，基坑群井抽水時(shí)，基坑內(nèi)承壓含水層水位降深最小達(dá)到22.9 m，滿(mǎn)足安全水位-23 m的要求?；油獬袎汉畬铀蛔畲蠼瞪罴s為1.8 m。主要因?yàn)榈叵逻B續(xù)墻有效地阻隔了基坑外地下水的補(bǔ)給，使得基坑內(nèi)外的水位差較大，在水頭差的作用下，基坑外地下水通過(guò)基巖與地下連續(xù)墻之間的縫隙向基坑內(nèi)進(jìn)行了補(bǔ)給，導(dǎo)致了坑外的水位下降。

5 結(jié)論

抽水連通試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫胤从陈涞资街顾∧坏闹顾Ч?，根?jù)坑內(nèi)外水位降深的大小，反映坑內(nèi)外水力聯(lián)系的強(qiáng)弱，間接反映其止水效果。在某超深基坑進(jìn)行7組現(xiàn)場(chǎng)連通試驗(yàn)，觀(guān)測(cè)了各組試驗(yàn)井的地下水位降深隨時(shí)間的變化，得出如下結(jié)論。

（1）基坑底部基巖裂隙的存在，導(dǎo)致落底式止水帷幕無(wú)法完全隔離帷幕內(nèi)外的水力通道。

（2）雖然落底式止水帷幕無(wú)法完全阻隔坑內(nèi)外的水力通道，但可以延長(zhǎng)地下水從坑外涌入坑內(nèi)的滲流路徑，減緩了坑外水位的下降速率，說(shuō)明落底式止水帷幕對(duì)控制坑外地下水效果明顯。

（3）基于根據(jù)地勘資料及本地經(jīng)驗(yàn)確定的地層水文地質(zhì)參數(shù)，借助滲流分析軟件Visual Modflow模擬抽水過(guò)程中基坑內(nèi)、外滲流場(chǎng)的變化情況，以現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)井的水位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，開(kāi)啟和凍結(jié)對(duì)應(yīng)的基坑降水井。通過(guò)不斷調(diào)整地下連續(xù)墻的滲透系數(shù)等參數(shù)，最終達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)連通試驗(yàn)一樣的S-T曲線(xiàn)，從而反演出地連墻的滲透系數(shù)，進(jìn)一步預(yù)測(cè)了原基坑降水井?dāng)?shù)量可滿(mǎn)足安全降深的要求。

（4）由于連通試驗(yàn)本身的局限性，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，只能反映出止水帷幕的隔水綜合效果，而不能判斷是否存在滲漏點(diǎn)和基巖裂隙水的發(fā)育程度。