汪勛文，江 繼

(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430081； 2.武漢市漢陽(yáng)市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

0 引言

海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”,下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用[1]。畢曉晴[2]介紹了下沉式綠地、透水鋪裝、植草溝滲透設(shè)施及地下蓄水池等海綿城市設(shè)施；張?jiān)耓3]從法律法規(guī)制度建設(shè)、相關(guān)配套政策制定等方面總結(jié)了海綿城市建設(shè)；黃云浩[4]認(rèn)為目前海綿城市研究主要是地表處理措施，對(duì)于高層建筑超大超深基坑止水帷幕對(duì)深層地下水滲流場(chǎng)的影響研究較少；孔政、歐陽(yáng)健等[5-6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)及SEEP/W軟件對(duì)落底式止水帷幕地下水滲流特性進(jìn)行了一定的研究；周鵬華[7]通過(guò)中心島法施工研究了基坑采用不同止水帷幕時(shí)基坑內(nèi)外水位和孔隙水壓力變化規(guī)律；何紹衡[8]通過(guò)ABAQUS軟件模擬了基坑分級(jí)降水開(kāi)挖對(duì)坑外地下水及地表沉降的影響。

本文從工程背景出發(fā)，依托實(shí)際工程建設(shè)場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件，通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)坑內(nèi)外抽水井水位降深數(shù)據(jù)，利用FLAC3D軟件構(gòu)建數(shù)值模型，研究有無(wú)止水帷幕，止水帷幕是否落底以及不同深度止水帷幕對(duì)地下水滲流變化規(guī)律的影響，為實(shí)際工程止水帷幕設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，為海綿城市建設(shè)提供新思路。

1 工程概況

武漢長(zhǎng)江航運(yùn)中心大廈項(xiàng)目坐落在武漢市江漢區(qū)，北臨民生路，東臨沿江大道，西臨黃陂街?；娱L(zhǎng)約210 m，寬170 m，開(kāi)挖面積31 121 m2，普遍開(kāi)挖深度在19 m～22.4 m之間，局部深度接近25.5 m。研究區(qū)地貌單元屬長(zhǎng)江一級(jí)階地，沿埋藏深度呈典型的二元結(jié)構(gòu)，即上部以雜填土、黏性土為主，逐步過(guò)渡到下部的粉細(xì)砂及底部卵礫石層，是具有“固、液、氣”三相性的多孔介質(zhì)[9]。水文地質(zhì)垂直地層劃分見(jiàn)表1，綜合考慮各項(xiàng)因素，本基坑被判定為一級(jí)深基坑工程?；蛹敖邓矫娌贾檬疽鈭D見(jiàn)圖1。

2 FLAC3D分析模型的建立

實(shí)際施工過(guò)程落底式止水帷幕和抽水井的干擾，使施工現(xiàn)場(chǎng)地下水不能維持穩(wěn)定流狀態(tài)，而是三維滲流狀態(tài)。故可以進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，利用連續(xù)方程和其定解條件，對(duì)三維非穩(wěn)定滲流的規(guī)律進(jìn)行分析，即求多孔介質(zhì)中的水流動(dòng)問(wèn)題。

因此，對(duì)地下水問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以簡(jiǎn)化為研究地下水在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)問(wèn)題，并利用連續(xù)方程和定解及其定解條件，對(duì)三維非穩(wěn)定滲流的規(guī)律進(jìn)行分析。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料、相關(guān)規(guī)范資料和當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn)可得其各層土體及計(jì)算參數(shù)如表1所示，本項(xiàng)目地連墻的滲透系數(shù)為10-6cm/s。

基坑所處土層的滲透系數(shù)是通過(guò)基坑土層勘測(cè)到的滲透系數(shù)K,單位為cm/s，通過(guò)下式進(jìn)行換算得到：

k=K×1.02×10-6。

其中，k為FLAC3D計(jì)算中的滲透系數(shù)，m2/(Pa·s)；K為土層的滲透系數(shù)，cm/s。由此得到了FLAC3D各層土的滲透系數(shù)K,如表1所示。

表1 水文地質(zhì)垂直地層劃分及模型參數(shù)

因此，基坑計(jì)算模型滲流場(chǎng)的初始邊界條件可以被確定下來(lái)。在坑內(nèi)設(shè)置透水邊界作為降水井的濾管部分，抽水時(shí)設(shè)置控制水頭作為降水井水頭。由于基坑施工范圍較大，水流量較大，設(shè)置基坑兩側(cè)遠(yuǎn)離降水井處為界，假定地下水位不變，即為水頭界，根據(jù)基坑降水影響半徑的規(guī)律；假定地質(zhì)為均質(zhì)且各向同性，根據(jù)含水層水平向與豎向的滲透性質(zhì)。

地下水滲流的補(bǔ)水邊界選擇模型左、右邊界和地表，不透水邊界選擇止水帷幕，根據(jù)表1中的各項(xiàng)參數(shù)，給每一地層賦值，得到對(duì)應(yīng)的概化模型，如圖2所示。

本模擬過(guò)程以觀測(cè)承壓含水層的變化為主，故根據(jù)實(shí)際勘察數(shù)據(jù)賦值承壓含水層初始水位，且根據(jù)實(shí)際勘察范圍地質(zhì)情況簡(jiǎn)化后，進(jìn)行小范圍模擬來(lái)進(jìn)行研究。

同時(shí)，為兼顧模擬速度和精度，劃分網(wǎng)格時(shí)，相對(duì)于一般區(qū)域，加密重點(diǎn)研究部位。計(jì)算區(qū)域水平范圍及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

基坑降水模擬中，邊界條件有止水帷幕、抽水井定流邊界、模型范圍定水頭邊界等。在基坑降水模擬中，模型按照項(xiàng)目的具體設(shè)定，范圍為基坑左邊界，并依據(jù)武漢地區(qū)數(shù)據(jù)資料及施工經(jīng)驗(yàn)，將止水帷幕深度設(shè)為入基巖層2 m，厚度1 m，滲流系數(shù)設(shè)定為5×10-5，地連墻深度37 m，抽井深度40 m。本數(shù)值模型擬合修正是利用多井抽水試驗(yàn)觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行的。抽水試驗(yàn)?zāi)M是在工程抽水試驗(yàn)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，基于初始數(shù)值模型的模擬。

通過(guò)對(duì)止水帷幕系數(shù)和含水層滲透系數(shù)在合理范圍內(nèi)調(diào)整，對(duì)長(zhǎng)江航運(yùn)中心項(xiàng)目基坑降水模型進(jìn)行校正，降水模型擬合校正圖如圖4所示，SWZ1為基坑中部新增水位觀測(cè)井。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定差異，這是由于數(shù)值計(jì)算忽略一些實(shí)際施工中遇到的問(wèn)題，由于變形趨勢(shì)差別不大，驗(yàn)證本模型與相關(guān)參數(shù)的均合理。

3 止水帷幕埋深的影響分析

3.1 落底式止水帷幕降水模擬

根據(jù)長(zhǎng)江航運(yùn)中心基坑降水井布置方案，進(jìn)行方案一降水模擬(見(jiàn)圖5)。方案一主要考慮止水帷幕嵌入中風(fēng)化泥巖0.5 m(止水帷幕埋深約為56 m)，其他條件不變。

采用非穩(wěn)定流進(jìn)行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d時(shí)模擬區(qū)域穩(wěn)定后的基坑孔隙水壓力空間等值線(如圖6所示)。

由圖6能夠發(fā)現(xiàn)，采用方案一時(shí)，隨著抽水天數(shù)的增加，基坑內(nèi)孔隙水壓力不斷下降，直至達(dá)到降水井埋深。

在抽水模擬前期，當(dāng)止水帷幕嵌入泥巖時(shí)，基坑外側(cè)含水層在水平向表現(xiàn)為水平滲流，而且沒(méi)有明顯的向下越流和繞流現(xiàn)象。在抽水模擬后期，止水帷幕嵌入泥巖深處時(shí)出現(xiàn)較為顯著的向下越流和繞流現(xiàn)象。可以發(fā)現(xiàn)止水帷幕并不能完全切斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，但采用止水帷幕改變了地下水滲流方向且止水效果相當(dāng)顯著。

3.2 懸掛式止水帷幕(52 m)降水模擬

根據(jù)長(zhǎng)江航運(yùn)中心基坑降水井布置方案，進(jìn)行方案二降水模擬。方案二主要考慮止水帷幕落在承壓含水層③-2細(xì)砂上(止水帷幕埋深52 m)并未嵌入泥巖，其他條件不變。

采用非穩(wěn)定流進(jìn)行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d時(shí)模擬區(qū)域穩(wěn)定后的基坑孔隙水壓力空間等值線(見(jiàn)圖7)。

由圖7能夠發(fā)現(xiàn)，采用方案二時(shí)，隨著抽水天數(shù)的增加，基坑內(nèi)孔隙水壓力不斷下降，直至達(dá)到降水井埋深。

在整個(gè)降水井抽水過(guò)程中，由于弱承壓含水層即相對(duì)隔水層中粉質(zhì)黏土層的隔水性較差，承壓含水層細(xì)砂層具有水力聯(lián)系，使得坑外地下水經(jīng)地連墻和止水帷幕底部透水層發(fā)生繞流，在地連墻和止水帷幕底部周?chē)謩e產(chǎn)生了土體“滲流集中”的現(xiàn)象?；拥撞康乃怀樽?，形成一個(gè)排水面，使孔壓降低的土層向下擴(kuò)張，最終在止水帷幕底部處，坑外地下水通過(guò)繞流涌入附近的降水井。同時(shí)在整個(gè)降水過(guò)程中存在水平方向和豎直方向的滲流，且水平方向的滲流作為主要滲流方式。

3.3 懸掛式止水帷幕(36 m)降水模擬

根據(jù)長(zhǎng)江航運(yùn)中心基坑降水井布置方案，進(jìn)行方案三降水模擬。方案三主要考慮止水帷幕落在承壓含水層③-2細(xì)砂上(止水帷幕埋深約為36 m)并未嵌入泥巖，其他條件不變。

采用非穩(wěn)定流進(jìn)行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d時(shí)模擬區(qū)域穩(wěn)定后的基坑孔隙水壓力空間等值線(見(jiàn)圖8)。

當(dāng)采用方案三止水帷幕與地下連續(xù)墻埋深相同時(shí)，對(duì)比方案二，能夠發(fā)現(xiàn)，隨著止水帷幕插入深度的減小基坑底部孔隙水壓力逐漸增大。

3.4 無(wú)止水帷幕降水模擬

根據(jù)長(zhǎng)江航運(yùn)中心基坑降水井布置方案，進(jìn)行方案四降水模擬。方案四主要考慮無(wú)止水帷幕時(shí)，地下水滲流情況分析模擬，其他條件不變。

采用非穩(wěn)定流進(jìn)行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d時(shí)模擬區(qū)域穩(wěn)定后的基坑孔隙水壓力空間等值線(見(jiàn)圖9)。

由圖9能夠發(fā)現(xiàn)，在方案四無(wú)帷幕的情況下，地下連續(xù)墻發(fā)揮部分止水作用，基坑外側(cè)含水層在水平向表現(xiàn)為水平滲流，而且并沒(méi)有明顯的向下越流和繞流現(xiàn)象?；觾?nèi)側(cè)地下連續(xù)墻能減緩地下水滲流的速率和地下水滲流路徑，對(duì)地下水的滲流有著較大的影響。地下水向基坑滲流方向沒(méi)有止水帷幕時(shí)，其路徑由水平逐步轉(zhuǎn)成豎直，最終在抽水井處匯集。基坑內(nèi)側(cè)豎直方向的滲流作為主要滲流方式。

3.5 方案對(duì)比分析

以基坑為中心向外輻射的區(qū)域，在基坑降水到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，會(huì)形成一個(gè)潛水自由面，基坑降水的涌水量大小受到該潛水自由面影響的區(qū)域和下降深度的直接影響，同時(shí)，地連墻及止水帷幕的存在也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定影響，其形狀類似于漏斗。

通過(guò)數(shù)值模型模擬基坑降水過(guò)程中潛水自由面的變化情況，模擬降水情況與實(shí)際基本相符，水位在開(kāi)始抽水的15 d里下降速度更快，然后逐漸平緩下來(lái)，到了30 d后，基本上平穩(wěn)下來(lái)(見(jiàn)圖10)。

隨著止水帷幕深度的加深，從圖10中可以看出，基坑中孔隙水壓力具有一定的變化。

當(dāng)?shù)叵滤_(dá)到穩(wěn)定流狀態(tài)時(shí)，從基坑底部孔隙水壓力變化曲線可知，當(dāng)止水帷幕深度為56 m時(shí)(此時(shí)止水帷幕已落底)，基坑底部孔隙水壓力最大值為0.54 MPa，當(dāng)止水帷幕深度為52 m時(shí)(此時(shí)止水帷幕未落底)，基坑底部孔隙水壓力最大值為0.88 MPa，當(dāng)止水帷幕深度為36 m時(shí)(此時(shí)止水帷幕未落底)，基坑底部孔隙水壓力最大值為0.94 MPa。無(wú)止水帷幕時(shí)，基坑底部孔隙水壓力最大值為1 MPa。

3.6 止水帷幕阻礙作用對(duì)海綿城市的影響分析

止水結(jié)構(gòu)阻滯對(duì)海綿城市的影響有以下幾個(gè)方面：擠占地表水的滲水空間，減少地表水的滲水速率，最后使與止水結(jié)構(gòu)臨近處的海綿城市設(shè)備效率降低，這是由于阻滯作用，導(dǎo)致地下水的滲水速率降低，局部地下水水位升高過(guò)快引起的。

地下結(jié)構(gòu)對(duì)天然流場(chǎng)的阻隔或截?cái)鄷?huì)使得地下結(jié)構(gòu)兩側(cè)地下水的水位局部上升或下降，造成兩側(cè)水力梯度增大[10]，阻礙地下水的流通，降低附近海綿城市設(shè)施的效率。同時(shí)，較大幅度的水位變化會(huì)造成建筑物內(nèi)突水和增加附近建筑因浮托力而破壞的風(fēng)險(xiǎn)[11]，為城市的建設(shè)帶來(lái)隱患。

4 結(jié)論

武漢地處長(zhǎng)江中游江漢平原，為長(zhǎng)江沖積平原地貌，分為長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)階地，這類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是下部具有深厚的砂土及卵礫石層，滲透性大，地下水豐富，具有承壓性，且與長(zhǎng)江有一定的水力聯(lián)系[12]。針對(duì)這種典型的地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)影響規(guī)律如下：

1)設(shè)置止水帷幕會(huì)改變地下水滲流方向。無(wú)止水帷幕時(shí)，基坑外側(cè)含水層在水平向表現(xiàn)為水平滲流，基坑內(nèi)側(cè)表現(xiàn)為豎直滲流，有止水帷幕的情況下，在止水帷幕處地下水產(chǎn)生繞流的現(xiàn)象，并且讓含水層的滲流方向從水平流變成越流。

2)當(dāng)采用落底式時(shí)，止水帷幕里側(cè)和外側(cè)孔隙水壓力分布有顯著差別，孔隙水壓力等值線呈現(xiàn)較大波動(dòng)；在砂卵石地層時(shí)，隨著止水帷幕插入深度的增加基坑底部孔隙水壓力逐漸降低。

3)相同條件下，落底式止水帷幕相對(duì)于非落底式止水帷幕，對(duì)地下水的流動(dòng)影響較大，從而降低附近海綿城市設(shè)施效率，故需根據(jù)工程實(shí)際水文地質(zhì)情況合理選擇止水帷幕形式及深度。