懸掛止水帷幕插入深度對地下水滲流場的影響分析

田力 李方明

摘 要：本文采用有限差分數值法對懸掛式止水帷幕的插入深度、增加回灌井對坑外滲流場的的影響進行了數值模擬，為今后類似工程的降水設計提供了有益的參考。

關鍵詞：懸掛止水帷幕；地下水；滲流場

0 引言

懸掛式止水帷幕增加了地下水繞流路徑，減小了坑外地下水位，但造成的坑外地表沉降量仍不可忽視，因此有必要研究懸掛式止水帷幕插入深度對地下水滲流場的影響。本文以某地鐵車站深基坑降水工程為背景，根據坑內外水位降深要求，綜合考慮基坑深度、工程地質、水文地質和周邊環境等因素，建立不同插入深度下，坑內降水及坑外設回灌井的三維滲流模型，通過數值模擬計算結果，探討了懸掛式止水帷幕不同插入深度下滲流場的變化，為今后類似工程的降水設計提供了有益的參考。

1 工程概況

車站深基坑平面形狀呈L形，車站主體結構長172.3m，標準段寬24.0m，開挖面積4996.0m2，開挖深度h=20.0m，嵌固深度hd=26.0，各土層參數見表1。根據地下水賦存條件，本車站地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。松散巖類孔隙水為本車站內主要地下水類型，根據其埋藏條件和水力性質，又分為孔隙潛水及微承壓水。本車站基坑采用地下連續墻加內支撐作為支護結構，地下連續墻兼作懸掛式止水帷幕，坑內設管井降水，坑外設水位觀測井兼作應急回灌井。

表2基坑土層參數列表

序號 層號 名稱 層厚（m） kx=ky（10-8m/d） kz（10-8m/d）

1 ①-2 素填土 3 1.00 0.1

2 ②-3c3 粉土 3 405.0 40.5

3 ②-3d4-3 粉細砂 10 518.0 51.8

4 ②-4d3-2 粉細砂 16 664.0 66.4

5 ②-5d2-1 粉細砂 17 628.0 62.8

6 ④-4e 粗砂、圓礫 11 3000.0 300.0

2 有限差分方程

多孔介質承壓、非承壓或者承壓與非承壓結合的非穩定滲流場三維數學模型基于以下方程[1，2]：

式中： 、 、 為沿x、y、z坐標軸方向的水力傳導率（LT-1），h是水頭（L），W是在非平衡狀態下通過均質、各向同性土層介質單位體積的流量，表示地下水的源和匯（T-1），Ss表示多孔介質的比貯水系數（L-1），t為時間（T）。

3 基坑降水滲流模型建立

根據場地的工程地質與水文地質條件，根據勘察報告，降水影響半徑選取為110m。管井出水能力約60.0m3/d，坑內均勻布置26口降水管井，坑外每隔20m布設一口回灌井，共布設24口回灌井，地下連續墻厚1.0m，滲透系數k=1.0e-10cm/s。為消除計算過程中地下水邊界效應產生的影響，取基坑滲流模型平面計算范圍為基坑周邊向外延伸110.0m。整個模型平面計算尺寸為393×280m2（173×60），在豎直方向上，以地面以下60.0m深度為界，設降水影響半徑范圍以外為定水頭邊界。在模型劃分網格時，在基坑范圍內設置較為細致的離散網格，整個模型劃分為6層，283行，170列，共60910個離散單元。

4 基坑降水數值計算結果分析

圖1 地連墻hd=12m時水位等值線圖

圖2 地連墻hd=28m時水位等值線圖

圖3 地連墻hd=28m坑外設回灌井時水位等值線圖

圖1和圖2為地連墻不同嵌固深度下坑外地下水位等值線圖，圖3為坑外設回灌井時地下水位等值線圖。從圖1～圖2中可以看出，隨著止水帷幕深度增加，坑外地下水位降深有減小的趨勢，但效果不是很明顯，當地連墻嵌固深度Hd=12.0m時，坑外最大水位降深5.0m，當地連墻嵌固深度Hd=28.0m時，坑外最大水位降深3.0m，由此可見，僅僅靠增大止水帷幕插入深度來減緩坑外水位降深是很不經濟的。從圖2和圖3可以看出，設置回灌井對抑制坑外水位降深有一定的減緩作用，但其延緩作用也非常有限，坑外水位降深僅僅提高0.5m以上。

本文通過對不同帷幕插入深度時坑外地下水水位變化的對比分析，表明懸掛式帷幕可以減少坑外地下水位下降，但地下水位仍有較大幅度降低，降水對周邊環境影響不可忽略。僅僅靠增大止水帷幕插入深度來減緩坑外水位降深是很不經濟的，并不能完全消除降水對周邊環境帶來的影響。應根據基坑穩定性和周邊環境的重要性確定合理的嵌固深度，并根據周邊構筑物的重要性確定是否采取回灌和加固措施。

參考文獻

[1] 劉國彬， 王衛東. 基坑工程手冊[M] . 北京： 中國建筑工業出版社， 2009.

[2] 姚天強，石振華，曹惠賓。基坑降水手冊[M]，北京，中國建筑工業出版社出版社。2006.