王婷婷

(天津市勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300191)

基坑地下水控制方案不僅要考慮基坑施工的條件和便利性,還需研究基坑降排水對(duì)周邊地下水位和建筑物沉降的影響[1]。隨著城市基建設(shè)施日益完善,高層建筑、城市地鐵、地下商場等市政工程建設(shè),需要開挖各類深大基坑[2],基坑降排水方案的合理性影響愈加廣泛。

基坑降水的理論依據(jù)是1856年達(dá)西提出的著名Darcyd定律,其奠定了滲流理論的基礎(chǔ)。DUPUIT以達(dá)西定律為基礎(chǔ)系統(tǒng)研究了潛水完整井、承壓水完整井等二維滲流情況。本文基于Processing Modflow構(gòu)建地下水三維滲流—沉降耦合模型,預(yù)判施工降排水造成的地下水位動(dòng)態(tài)變化過程和地面沉降量,為基坑降水工程提供指導(dǎo)。

1 工程概況

欣嘉園配套工程位于天津市濱海新區(qū)黃港片區(qū)欣嘉園南路與嘉園路交口西北側(cè),工程總用地面積16 458 m2,總建筑面積31 180 m2,為全地下結(jié)構(gòu)。北側(cè)基坑為車站主體基坑,采用明挖順做法施工,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐方案。圍護(hù)及止水結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻,地下連續(xù)墻基本幅寬6 m,采用鎖口管接頭。南側(cè)物業(yè)大基坑為南側(cè)車站與物業(yè)合建基坑,采用明挖順做法施工,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐方案。

降水方案設(shè)計(jì)的目的就是以疏干為主,將基坑內(nèi)土體水位降至基坑底以下0.5～1.0m,主要采用基坑內(nèi)降水?；觾?nèi)共布置67口疏干井,疏干井深度進(jìn)入基底下5～6 m,局部進(jìn)入基底下7 m?？油庠O(shè)置13口淺層觀測井,井深14 m,9口第一承壓水觀測井,深度25 m。

項(xiàng)目基坑工程第一階段降水前20 d的抽水量約為6 619 m3?；用刻斐鏊考s為331 m3/d,第一階段降水運(yùn)行期基坑疏干抽排水量主要來自越流補(bǔ)給量,約為36.2 m3/d;基坑工程第二階段降水前20 d的抽水量約為2 115 m3?；用刻斐鏊考s為106 m3/d,第二階段降水運(yùn)行期基坑疏干抽排水量主要來自越流補(bǔ)給量,約為40.3 m3/d。疏干降水時(shí)間按照20個(gè)月計(jì)算,項(xiàng)目疏干抽排水量為30 646 m3?；悠矫娌贾靡妶D1。

圖1 基坑平面布置圖 圖2 網(wǎng)格立體剖分圖

2 模型建立

建設(shè)項(xiàng)目基坑抽排地下水主要是抽取處于圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的基坑的地下水,一般將水位降至基坑基底面以下1.00 m。部分需要進(jìn)行減壓降水的,水位降深為1.52 m。因此,本項(xiàng)目水源論證方案的重點(diǎn)是論證抽排基坑中的地下水能否順利完成,以及由此引起的對(duì)周圍環(huán)境的影響分析。

基于Processing Modflow構(gòu)建地下水三維滲流—沉降耦合模型,預(yù)判施工降排水造成的地下水位動(dòng)態(tài)變化過程和地面沉降量。

分析工程區(qū)域水文地質(zhì)條件,建立適合的滲流模型和土工模型,劃分網(wǎng)格,結(jié)合周邊工程和巖土工程報(bào)告定義水文和力學(xué)參數(shù),計(jì)算預(yù)判降水影響。

2.1 研究區(qū)邊界

邊界條件是建立水文地質(zhì)立體概念模型的一個(gè)重要組成部分。邊界可分為內(nèi)、外邊界。外邊界是指各充水含水層組的周圍邊界,內(nèi)邊界是指溝通多層含水層之間的研究區(qū)的內(nèi)部邊界?；咏邓S著時(shí)間的推進(jìn)按照漏斗狀不斷向外圍擴(kuò)展,最終趨于穩(wěn)定。通過綜合分析場地的區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察資料,在水平方向上將模型研究區(qū)域向外擴(kuò)展以使基坑降水對(duì)邊界水位沒有影響,水平側(cè)向邊界取為第一類邊界條件;在垂向上將模型區(qū)域取至第二承壓含水層底板。排泄項(xiàng)主要為布置在基坑內(nèi)部的抽水井。根據(jù)本場地單井抽水試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,將模擬范圍在四個(gè)方向上各向基坑外延伸至400 m。綜合分析,將整個(gè)研究區(qū)域四周的水平側(cè)向邊界按定水頭邊界處理,上部邊界至地面,下部邊界至承壓含水層底板。

2.2 含水介質(zhì)概化

概化為均質(zhì),各向同性,在松散含水層中的地下水運(yùn)動(dòng),按照層流考慮,符合達(dá)西定律。開采時(shí)地下水呈現(xiàn)明顯的三維流狀態(tài),尤其在降落漏斗和降水井鍍金,故本項(xiàng)目按照三維流模擬水文地質(zhì)條件。

水文地質(zhì)參數(shù)在相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)可以近似認(rèn)定為恒定不變,建立模型時(shí)各參數(shù)概化為不隨時(shí)間變化。

2.3 數(shù)學(xué)模型

2.3.1 地下水位下降數(shù)學(xué)模型

(1)

式中:kxx,、kyy、kzz為各向滲透系數(shù);SS為貯水率;H為t時(shí)刻水頭;W為源匯項(xiàng);t為時(shí)間;H0(x,y,z,t0)為點(diǎn)位處t0時(shí)刻的初始水位;Ω為計(jì)算區(qū)域;H1(x,y,z,t)為第一類邊界水頭;qw為降雨入滲補(bǔ)給量和潛水面蒸發(fā)量之和;cos(n,x)、cos(n,y)、cos(n,z)為流量邊界法線與坐標(biāo)軸夾角余弦值;μ為飽和差;Γ1、Γ3為第Ⅰ類邊界和自由面邊界。

2.3.2 地下水降排引起的地基沉降量計(jì)算模型

承壓層的彈性壓縮量:

Δb=-ΔhSskeb0=-ΔhSfe

(2)

承壓層的塑性壓縮量:

Δb*=-ΔhSskvb0=-ΔhSfv

(3)

潛水層的彈性壓縮量:

Δb=-Δh(1-n+nw)Sskeb0=-ΔhSfe

(4)

潛水層的塑性壓縮量:

Δb*=-Δh(1-n+nw)Sskvb0=-ΔhSfv

(5)

式中:Δb為含水層彈性壓縮量(m);Δb*為含水層塑性壓縮量;Δh為水頭變化量;b0為壓縮土層厚度;Sfe為土骨架彈性儲(chǔ)水因子;Sske為土體骨塑性儲(chǔ)水因子;Sskv為土體骨彈性儲(chǔ)水率;nw為土體骨架塑性儲(chǔ)水率;G為非飽和土體的濕氣儲(chǔ)量體積;G為材料的剪切模量;v為泊松比;Cc為壓縮指數(shù);P′為起始有效應(yīng)力。

建立地面沉降模型時(shí),潛水含水層及承壓層按照整體考慮,即認(rèn)為整個(gè)含水層的土體骨架皆有可能產(chǎn)生壓縮沉降,故參數(shù)Sfe、Sfv在含水層中是等效統(tǒng)一的。

2.4 邊界條件

根據(jù)場地水文地質(zhì)條件和實(shí)際情況,將上下隔水層定義為計(jì)算區(qū)域的上邊界和下邊界,四周外邊界根據(jù)初始流場測算其定水頭,內(nèi)邊界條件由基坑實(shí)際確定。

2.5 模型分層

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)方案,止水帷幕和管井布設(shè)條件,結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件,自上而下將計(jì)算區(qū)域劃分為9層,厚度共計(jì)60 m,地面標(biāo)高按照3.5 m設(shè)定。

2.6 模型剖分

結(jié)合場區(qū)實(shí)際地層結(jié)構(gòu)和計(jì)算區(qū)域幾何形狀進(jìn)行網(wǎng)格劃分,依據(jù)水文地質(zhì)特性將水平向劃分為324行、422列。網(wǎng)格立體剖分圖見圖2。

2.7 時(shí)間離散

為確保模擬成果精度,將抽排水600 d的時(shí)間過程劃分為10個(gè)應(yīng)力期,各應(yīng)力期按照15個(gè)步長考慮。各應(yīng)力期開啟井?dāng)?shù)按照實(shí)際施工進(jìn)度和條件確定。

2.8 模型參數(shù)

借鑒已有經(jīng)驗(yàn)和周邊項(xiàng)目合理確定垂直和水平方向的滲透系數(shù)、彈性及非彈性儲(chǔ)水率和釋水系數(shù)。土層參數(shù)依據(jù)勘察資料和周邊場地抽水試驗(yàn)資料,結(jié)合各土層埋深、厚度和巖性空間特征,參照經(jīng)驗(yàn)值類比得出。

按照各分區(qū)地層巖性特點(diǎn),給出參數(shù)初始區(qū)間,結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和水文地質(zhì)手冊,部分根據(jù)公式計(jì)算。各層模型參數(shù)見表1。

表1 各層模型參數(shù)

3 降排水影響分析

3.1 對(duì)周邊地下水水位影響分析

基坑降水引起周邊水位變化等值線圖見圖3～圖4。從圖上分析可知,坑外淺層水水位最大降深20～25 cm,第一承壓水水水位最大降深50～60 cm?；映榕诺叵滤?采取了有效阻擋含水層的隔水帷幕,但由于止水帷幕底部的越流補(bǔ)給和減壓降水井的存在,基坑水位變動(dòng)會(huì)影響周邊地下水。施工中應(yīng)確保止水帷幕發(fā)揮作用,防止側(cè)邊滲漏或流土,為減壓降水,考慮到上部疏干井在降水過程中會(huì)對(duì)下部第一承壓含水層水位下降起到一定的作用,為了盡量減少降水對(duì)周邊環(huán)境的影響以及對(duì)地下水資源的保護(hù)?，F(xiàn)場應(yīng)根據(jù)實(shí)測水位標(biāo)高調(diào)整降水工況,在確?；影踩那疤嵯卤M量少抽。

圖3 降水運(yùn)行坑外潛水水位降深等值線 圖4 降水運(yùn)行坑外承壓水水位降深等值線

3.2 基坑降水引發(fā)周邊地面沉降量分析

在降排水全過程600內(nèi),由地下水下降造成的周邊地面累積沉降量等值線見圖5。論證范圍內(nèi)地下水下降造成的地面沉降由距離基坑內(nèi)至外逐漸減小,在基坑邊線處出現(xiàn)最大沉降量8 mm。鑒于基坑周邊環(huán)境復(fù)雜,考慮已有建筑物和道路對(duì)地面沉降的敏感度,降排水期間應(yīng)加強(qiáng)變形監(jiān)測,制定應(yīng)急措施,避免降水造成損失。

圖5 降水運(yùn)行600 d時(shí)周邊地面累計(jì)沉降量等值線圖 (單位:mm)

4 結(jié)語

(1)本項(xiàng)目大部分采用止水帷幕封閉地下水,抽取的地下水僅為封閉區(qū)域內(nèi)地下水,工程抽降潛水水量最大時(shí),擬建工程潛水每天出水量約占論證范圍內(nèi)潛水含水層總水量的0.21%,對(duì)封閉區(qū)域外地下水位影響不大。因此,本基坑項(xiàng)目抽排地下水對(duì)區(qū)域地下水資源量基本不會(huì)造成影響。

(2)人工抽排地下水可能造成周邊地面沉降,引發(fā)建筑物和環(huán)境損傷。經(jīng)模擬計(jì)算,抽排水運(yùn)行600 d時(shí),坑外淺層水水位最大降深20～25 cm,第一承壓水水水位最大降深50～60 cm。論證范圍內(nèi)地下水下降造成的地面最大沉降量為8 mm左右,且主要集中在基坑邊線。項(xiàng)目有嚴(yán)密的水位、變形等監(jiān)測體系,使得地面沉降在可控范圍內(nèi),對(duì)周邊環(huán)境影響不大。