卡塔爾多哈新港挖入式港池基坑滲流數值模擬計算

張培，姚斌

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

卡塔爾多哈新港挖入式港池基坑滲流數值模擬計算

張培，姚斌

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

基于中東濱海地區多哈新港項目，通過有限元數值模擬，研究基坑滲流量與基坑深度、基坑距防滲墻距離以及防滲墻入土深度之間關系，得出以下結論：隨著基坑開挖深度的增加，滲流量逐漸增大，海側、陸側滲流量逐漸趨于相同；隨著基坑距防滲墻距離的增加，滲流量逐漸減小，但減小幅度逐漸減緩，存在一個約為200m的“最佳距離”；防滲墻入土深度的增加可有效的減小基坑滲流量，但隨著防滲墻入土深度的加大，對減小基坑滲流量效果愈發不明顯，存在一個約為9m的“最佳深度”。

基坑；滲流；有限元數值模擬；浸潤線；滲流量

0 引言

近年來，挖入式港池作為港口平面布置的一種常用布置形式，在我國內河港口建設中正逐漸被采用，常見于江蘇、湖南兩省。相對國內而言，挖入式港口平面布置形式在國外應用較為廣泛。斯里蘭卡漢班托塔海港[1]以及卡塔爾的多哈新港[2]均采用內挖式港口。前者通過土石圍堰提供陸域港口施工條件，后者通過設置防滲墻提供陸域港口施工條件。相對水下施工，陸域港口施工更加節約成本、能夠有效地縮短工期并能夠實時監測工程質量。

卡塔爾是一個正在快速發展、起點高、與國際化標準接軌環保要求嚴的準高端建筑市場。根據卡塔爾多哈新港工程施工方案，港池、碼頭基槽及內防波堤基槽基礎約400萬m2，且均采用干施工開挖。然而，現場地下水位較高，砂層、石灰巖雙層強透水層中地下水均與海水聯系密切。因此，為滿足深基坑干施工條件，減小基坑滲流成為工程順利開展的關鍵因素之一。本文在已有研究的基礎上[3]，通過有限元數值模擬，就如何有效減小基坑滲流量展開研究。

1 有限元數值模擬

1.1 工程概況

多哈新港項目為大型內挖式港口，碼頭岸線長達7 845 m，另有2.76 km的防波堤，約6 500萬m3的土石方開挖。碼頭結構形式為重力式方塊碼頭，最大挖深為-19.7 m，港池底標高為-17 m。根據施工方案，港池、碼頭基槽及內防波堤基槽基礎約400萬m2均采用干施工開挖。多哈港區平面布置如圖1所示。

圖1 多哈港平面布置圖Fig.1 Layout of Doha Port

1.2 工程地質條件

本工程區域為典型的中東地區濱海地貌，場區地勢平緩，地表高程為2.0 m，開挖港池距海岸線1 km左右。區域地質分布均勻，自上而下分別為砂層、膠結砂層、強風化石灰巖及石灰巖，具體土層厚度以及土層參數見表1。

表1 土層地質參數Tab le1 Geologicalparameter ofsoil layer

1.3 有限元模型

根據實際工程情況，由圖1可知，基坑左上部為海域，右下為陸域，在有限元數值模擬中海側、陸側主要通過地下水位來反映，因此，本文采用的有限元模型為二維軸對稱形式，只需改變地下水位參數，即可分別研究基坑海側、陸側地下水滲流量，而整個基坑的滲流量為海測、陸側滲流量之和。圖2為基坑簡化模型，基坑由兩級邊坡組成，第一級邊坡坡度1∶3，坡寬18 m，兩級邊坡中間設寬5m的平臺，第二級邊坡坡度為1∶0.5，坡寬由基坑深度控制，基坑底寬50 m，軸對稱取25 m；防滲墻為寬0.4 m的不透水墻體；坑底以下取2倍坑深作為計算深度。

圖2 基坑簡化模型Fig.2 Sim p lifiedm odelof foundation p it

對于模型的邊界條件，區域的所有邊界都約束X和Y兩個方向的位移，不考慮土體與水的壓縮變形對于基坑滲流的影響。海側、陸側模擬計算中，地下水位均平行于AB，其中海側地下水位取高程0 m位置。陸側地下水位根據實際排水井測量水位取值為-3m，由于AC距離防滲墻50m，其距基坑較遠，受基坑降水的影響不大，在此位置設置沿高程線性變化的孔壓以滿足固定水頭條件，具體參照文獻[9]；基坑底部和坡面均設為可排水邊界。

1.4 計算方案

本文主要研究基坑深度H、基坑距防滲墻距離L以及防滲墻入土深度h對基坑浸潤線位置以及滲流量的影響。設計基坑深度H分別為14 m、16 m、18 m、20 m，基坑距防滲墻距離L分別為0 m、200 m、400 m、800 m，防滲墻入土深度h分別為0 m、4 m、8 m、12 m。具體數值模擬方案見表2。

2 計算結果分析

參照表2中基坑深度H、基坑距防滲墻距離L以及防滲墻入土深度h建模，計算各試驗組海側、陸側二維基坑單寬滲流量。記入表3中，以A1組為例，給出基坑浸潤曲線，如圖3所示，由圖3可知，當防滲墻入土一定深度時，其對于降低水頭效果是非常明顯的，在防滲墻左右兩側存在一定的水頭差，從而可以有效的減少基坑開挖滲流量。

表2 數值模擬方案Tab le2 Numerical sim ulation scheme m

表3 各試驗組海側、陸側滲流量Tab le 3 The seaside and landside seepage flow ofeach experimentalgroup

圖3基坑浸潤線Fig.3 Infiltration linesof foundation pit

2.1 基坑開挖深度對滲流的影響

本文中設計試驗組A1～A4研究基坑深度與滲流量的影響。由表3可知，無論海側與陸側，隨著基坑深度的增加，基坑滲流量均加大。

由圖4可知，在基坑開挖深度小于18 m時，海側的滲流量明顯大于陸側，這主要是因為海側地下水位高于陸側；隨著基坑開挖深度的繼續加大，浸潤線與基坑邊坡交界點的位置提高，防滲墻不能在有效的浸潤線與基坑邊坡交界點的較低位置，從而導致無論海側還是陸側，基坑滲流量相差不大。

圖4 滲流量與基坑開挖深度的關系曲線Fig.4 Relation cu rve of the seepage flow and the foundation pitexcavation dep th

2.2 基坑距防滲墻距離對基坑滲流的影響

防滲墻的作用在于降低浸潤線與基坑開挖邊坡的交界點位置，從而減小基坑滲流量。根據圖3，當防滲墻深度一定時，基坑距防滲墻距離的增加，可以有效的降低基坑邊坡與浸潤線交界點的位置，從而減少基坑滲流量。

本文設計試驗組B1～B4研究基坑距防滲墻距離對滲流量的影響，由圖5可知，隨著基坑距防滲墻距離的增加，無論海側、陸側基坑滲流量均可得到有效的減小，當距離增加到一定程度時，距離對于基坑滲流量的影響逐漸減小。也就是說，防滲墻對于降低浸潤線在防滲墻周圍一定范圍內是有效的，存在一個“最佳距離”，圖5中“最佳距離”為200 m。

2.3 防滲墻入土深度對基坑滲流的影響

圖5 滲流量與防滲墻距基坑距離的關系曲線Fig.5 Relation curve of the seepage flow and the distance between diaphragm walland foundation pit

防滲墻入土深度的增加可以有效的減小滲透量，這在土石壩中已有研究[4]。本文中設計試驗組C1～C4研究防滲墻深度對于基坑滲流量的影響，由表2可知，無論海側還是陸側，隨著防滲墻深度的增加，基坑滲流量均呈減小的趨勢。由圖3可發現，滲流通過墻體后水頭損失較大，浸潤線在防滲墻處產生較大的跌落，墻后浸潤線得到降低，滲流量和滲透比降均有顯著的減小，從而達到降低基坑滲流量的效果。

從圖6可知，海側滲流量明顯大于陸側滲流量，對海側滲流量、陸側滲流量以及總滲流量而言，其隨著防滲墻深度的增加滲流量均發生遞減，當防滲墻深度增加到9m左右時，隨著防滲墻深度的繼續增加，滲流量基本保持不變，這一特點在總滲流量曲線中尤為明顯，即防滲墻入土深度亦存在“最佳深度”，圖6中“最佳深度”為9 m左右。

圖6 滲流量與防滲墻深度的關系曲線Fig.6 Relation curve of the seepage flow and the diaphragm walldepth

3 結語

本文以實際工程為研究對象，通過有限元數值模擬，分析研究基坑滲流量與基坑深度、基坑距防滲墻距離以及防滲墻入土深度的關系，得到以下結論：

1）隨著基坑開挖深度的增加，滲流量逐漸增大，且海側、陸側滲流量逐漸趨于相同；

2）隨著基坑距防滲墻距離的增加，滲流量逐漸減小，但減小幅度逐漸減緩，存在“最佳距離”，且為200m；

3）防滲墻入土深度可有效的減小基坑滲流量，但隨著防滲墻入土深度的加大，對減小基坑滲流量效果愈發不明顯，存在“最佳深度”，且為9m。

本文研究結果有助于實際工程中最佳的基坑布置形式的選擇，在港池平面布置設計時，應合理設計防滲墻深度、基坑開挖深度以及合理布置基坑與防滲墻相對位置，盡量減小基坑開挖過程中滲流量，對于加快施工、減小工程成本以及保證工程安全意義重大；對于港口工程而言，設計前關于不同平面布置方案進行數值計算分析，對于基坑開挖滲流優化港池防滲方案設計提供一定的參考。同時對于基坑滲流量控制，還有許多問題尚未解決，就本文而言，基坑斷面中坡比的大小對于滲流量的變化情況亦是重點，為以后的基坑結構優化提供研究方向。

[1]莫文賀，夏林，周勇.漢班托塔海港利用瀉湖建港技術創新實踐[J].水運工程，2013（9）：60-63，78. MO Wen-he,XIA Lin,ZHOU Yong.Innovation&practice of Hambantota port construction in lagoon[J].Port&Waterway Engineering,2013(9):60-63,78.

[2]謝小明，梁小叢，陳勝.卡塔爾多哈新港回填料大型浸水模型試驗膨脹性能研究[J].水運工程，2014（10）：34-38，52. XIE Xiao-ming,LIANG Xiao-cong,CHEN Sheng.Large-scale flooded embankment test for swelling characteristics of excavated material in new Doha port,Qatar[J].Port&Waterway Engineering, 2014(10):34-38,52.

[3]王昆泰，胡立強，呂凱歌.懸掛式帷幕條件下基坑滲流特性的計算分析[J].建筑科學，2006，26（1）：81-84. WANG Kun-tai,HU Li-qiang,LV Kai-ge.Analysis for seepage characteristic of deep foundation pitwith hanging impervious purdah[J].Building Science,2006,26(1):81-84.

[4]溫麗林，潘金梁.懸掛式防滲墻對心墻土壩滲流量影響的初步研究[J].水利水運科學研究，1984（4）：62-66. WEN Li-lin,PAN Jin-liang.Primary study on influence of suspended cut-off wall for seepage flow of core wall earth dam[J]. Hydro-Scienceand Engineering,1984(4):62-66.

Numerical simulation of seepage of foundation pit of dig-in basin in Doha,Qatar

ZHANGPei,YAOBin
（CCCCFourth Harbor Engineering Investigation and Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510230,China）

The relationships between seepage flow in excavation foundation pit,the depth of foundation pit,the distance of foundation pit away from the cut-offwall and the buried depth of the cut-offwallwere researched based on Doha＇s New harbor large dug projects in the coastal areas of the Middle East.The following conclusions could be obtained by using finite element numerical simulation:seepage flow increased gradually with the increasing depth of excavation foundation pit,and the seaside and landside seepage flow tended to be the same gradually.Seepage flow decreased graduallywith the increasing distance from foundation pit to cut-off wall,but the amp litude was reduced gradually with a＇best distance＇,which is 200 m.Seepage flow could be reduced effectively through increasing cut-offwall＇sburied depth.Butwith the cut-offwall＇sburied depth increasing, the effectof reducing foundation pitseepagewasnotobviouswith a＇bestdepth＇,which is 9m.

foundation pit;seepage;finite elementnumerical simulation;infiltration lines;seepage flow

U653.32；U655.543

A

2095-7874（2015）05-0009-04

10.7640/zggw js201505003

2015-01-08

2015-03-06

張培（1983— ），男，河南焦作市人，碩士，工程師，巖土工程專業。E-mail：dddn2008@qq.com