基坑降水過程中地下水滲流數值模擬

王光巖+范會龍+雷少華

摘 要：降水施工環節中除了流砂、管涌等滲透問題造成的基坑滲水破壞外，也存在由于基坑降水引起的地面沉降，對基坑及周圍建筑產生一定影響。文章闡述了滲流理論的相關發展歷程，對滲流理論相關理論基礎進行了基本介紹。結合青島市某工程實例，依據工程勘察相關內容，利用FLAC3D軟件對該工程案例進行了相應的建模分析。利用origin后處理作出了基坑沉降與降水時長的關系圖，綜合分析獲得青島地區基坑沉降相關規律。

關鍵詞：滲流；FLAC3D；沉降；數值模擬

在深基坑工程施工必須解決地下水問題，由于基坑深度的增加必須妥善解決降水問題。并且在絕大多數的東營地區，存在著較高地下水位的砂土、粉土層，如果基坑降水不利，由于基坑內外造成的水位差極易產生流砂、管涌等基坑支護破壞現象，很大程度上影響了基坑穩定性能。

基坑工程不僅涵蓋了土力學中的變形、強度、穩定、流固耦合等問題，還與基坑支護各結構相互作用相關，對其分析判斷也有一定困難。并且在如今基坑降水造成的應力場變化、土體變形及周圍環境影響方面，都為得到準確的定量答案。隨著數值模擬分析軟件在基坑工程中的應用和相關滲流理論的發展，使得在基坑工程技術和理論獲得了新的研究方向和一系列研究成果。

1 地下水滲流研究的發展概況

1.1 主要基于實踐的初始階段

最早進行并取得成果的滲流理論研究即著名的Darcy定律是，它由法國巖土師于1856年結合其承擔的噴泉工程實例、結合相關試驗研究獲得的滲流理論，在砂土中一般應用較多，該定律是滲流理論的一項突破。之后工程師相繼研究了一維水流、二維水井的相關滲流現象以及更為深入的滲流問題。這些理論研究雖然具有一定的局限性，但是，為未來的滲流理論研究奠定了基礎，眾多工程師以此圍繞水井形成了連續介質條件下的古典滲流理論。

1.2 基于數學解析的發展階段

J.Boussinesq利用數學解析的方法著重研究了非穩定流滲流問題，并于1904年提出其合理偏微分方程式。C.V.Theis基于上述非穩定流研究成果進行了承壓水井滲透公式的推導，實現滲流方面的推廣，創造了滲流分析的新階段。斯特里熱夫于1946年結合數學分析理論，建立了可靠數學解析方法理論，實現了地下水在可壓縮土層中滲流分析的定性。H.M.蓋爾謝瓦諾夫等人在其研究滲流狀態下的土體結構固結情況時，將土體滲透率看作隨土體滲流狀態下的孔隙率不斷變化而變化的一種函數。Boulton N.S、Hantush M.S等人分別進行了滲流研究工作，在各自研究成果下獲得了滲流運動的公式。

4 數值模擬分析

4.1 工程概況

本論文選取青島市即墨市古城改造配套外管網工程進行降水工程的研究。基坑開挖深度閘室段為9.20m，集水池、泵池段為11.10m。基坑面積約1950m2，周長約為180m。基坑支護為二級的安全等級。場地地下水屬于潛水類型，場地地下水水位主要受降水的影響，場地地下水埋深為0.50m～1.38m。場區地下水常年最高水位埋深為0.50m。地下水水位變化幅度為0.50～2.00m。

4.2 模型的建立

4.2.1 模型的基本假定

為了方便模型的建立，進行以下假定以簡化建模：（1）土體模擬中的模型采用摩爾—庫倫彈塑性模型；（2）模擬深度內的水體假定為潛水模型；（3）假定每層土的分界面都是均勻水平的，忽略其不均勻性；（4）簡化土層分布，土體性質相同或相近的按作同一土層處理；（5）利用實體單元模擬基坑支護結構，支護采用彈性結構模型。

4.2.2 模型初始條件及邊界條件

（1）模型初始條件。該計算模型的初始應力為重力，沿Z軸負方向分布；流體為定水頭下的初始狀態模型；地下水位位于地表下1m左右。（2）模型力學邊界。在該模型中，模型側面和底面為邊界，限制側面的水平運動，限制底面的豎直運動，地表面能夠自由運動。保證地表面自由運動。（3）模型流體邊界。假定基坑降水范圍外的水體保持穩定，水位保持在穩定水平。基坑內部為定流量邊界，基坑底邊界為隔水邊界，基坑四周為定水頭邊界條件。

4.2.3 降水模擬步驟

降水模擬分析過程主要按照以下幾個步驟進行，其整體分析思路如下：（1）依據工程概況及需要，建立基坑降水模擬模型；（2）施加模型力學應力場，獲得模型初始應力分布狀況；（3）設定模型的流體邊界條件并施加地下水位和孔壓應力，運算獲得平衡；（4）在初始應力平衡狀態下，設置圍護結構模型及其參數，同時將位移和速度歸零，在該條件下運算模型獲得穩定；（5）設置降水井點并設定參數；（6）在滲流條件下，進行預先設定時長降水作業，獲得土體孔隙水壓力變化；（7）降水結束后，開啟力學運算模式，實現計算平衡獲得模型沉降情況。

4.3 FLAC3D模擬分析

4.3.1 基坑滲流分析

文章利用后處理軟件Origin進行數據的分析作圖。在FLAC3D分析處理完畢后，將計算結果導入Origin軟件中，繪得圖像進行分析。分別為基坑降水作用下，基坑內外某點孔壓隨時間變化曲線、基坑內外孔壓隨深度變化曲線。

在基坑降水過程中，止水帷幕起到截水、限制土體位移作用，能夠減小由于降水對基坑外土體產生的滲流作用。孔壓的降低同時會引起土體的變形，進而限制孔壓減小，因此孔壓降低速率隨著時間增加逐漸減小。同時，地下水受到重力影響，使得地下水孔壓隨著深度的增加而增大。由于止水帷幕深度的限制，在15m深度以下的區域內，水體受井點作用顯著增大，基坑外土體孔壓隨深度變化速率呈現由慢到快的趨勢。

孔壓的分布并不是一條直線，在距離降水井較近區域，孔壓值較低，從而孔壓分布等值線呈現中間上凸而降水井附近呈現一定下凹的趨勢，符合圖中孔壓分布等值線的規律。如果沿著圖示分布線的垂直方向畫線，得到的即為地下水流的流線，流線與等勢線相互垂直，基坑外水流線繞過圍護結構，同基坑內土體向降水井匯集。

4.3.2 土體沉降變形

為較為形象直觀反映沉降變形，將沉降進行適當放大，獲得沉降放大30倍顯示模型，利用flac3D獲得基坑及周圍土體在井點降水作用下的沉降模型。并依據此獲得基坑降水作用下的沉降規律，如圖5所示為基坑在降水30天后的沉降分布圖。

本工程中降水井點在基坑內部呈環狀分布，基坑最大沉降位于基坑中心，整個井群包圍區域沉降都相對較大。對基坑模型進行剖分，選取基坑Y=0位置處剖分，獲取降水時間變化沉降剖面關系曲線，分析基坑沉降曲線。

沉降變形主要集中于基坑內部及基坑周圍10m范圍內，其它區域沉降較小。基坑沉降曲線隨著降水時間增加，下凸更加明顯，由55mm增加至130mm左右，基坑外土體沉降一定程度的增加。止水帷幕的作用有效減小了滲流與孔壓場對基坑周圍的影響，在沉降曲線圖中，止水帷幕處沉降均小于最大沉降的二分之一，在基坑外10m位置顯著減小，基坑外10m處沉降不足3cm，止水帷幕起到了很好的約束變形、限制位移的作用。

4.3.3 土體水平位移

分析基坑及周圍土體在基坑井點降水的作用下，土體水平方向位移分布圖如圖9、圖10所示。利用Origin軟件后處理模擬結果，獲得土體在水平方向X、Y方向上位移關系曲線圖。

從X與Y軸方向的位移分布圖中可以看出，在基坑四周圍護結構上，有很大的水平作用力，并且該力均是指向基坑方向，表示基坑周圍土體水平方向上向基坑內部運動。

圍護結構在基坑工程限制土體位移發揮了重要作用，有效保證了基坑的穩定。

4.3.4 沉降分析

如圖13所示，獲取四個位置處30天降水沉降曲線，分析沉降結果。

基坑沉降主要發生在基坑內部及基坑周圍10m距離處，基坑降水隨著降水時間的增加而增大。降基坑的降水作用加速土體固結隨著降水的時間的增加，土體沉降速率逐漸降低。土體沉降增長速率逐漸降低，最大沉降增長量由6.24mm降低為3.16mm。

改變基坑內井群抽水量，獲得單井抽水量20m3/day、50m3/day、100m3/day、300m3/day情況下基坑沉降。井群抽水量的不同，造成基坑沉降值的不同。基坑外雖然受止水帷幕的作用，減小了固結變形，但隨降水井點抽水作用的增強，基坑外土體沉降同樣增加。基坑內外沉降變形受降水量影響較大，基坑內影響大于基坑外。抽水量較大的工況下，變形場維持在較高程度，特別是收降水影響較大的基坑內部，土體固結沉降較大。

通過對以上工況的研究，增加降水時間、增大降水量都會使基坑內部沉降和影響范圍增加，并且隨著工況值的增加而增大。但是止水帷幕的增大，會增加基坑內部沉降，減小基坑周圍沉降值。選取合理的降水條件、采用適宜的止水帷幕，為保證基坑安全和限制基坑沉降都能起到積極作用。

5 結語

文章對基坑滲流理論發展研究現狀進行了闡述，選取東營地區某基坑降水實例，利用FLAC3D軟件建立了模型，對基坑降水實現了三維有限差分模擬，對減少基坑沉降措施進行分析，主要結論如下：（1）利用有限差分FLAC3D軟件能夠有效分析基坑降水的結構與過程，并通過模擬能夠實現對基坑降水中水位與沉降的有效預測。（2）基坑降水過程中，不僅僅存在基坑土體的沉降變形，還會產生土體的水平位移，這種水平位移主要存在于基坑周圍土體中，在圍護結構附近達到最大。（3）對基坑滲流分析和變形中，觀察基坑滲流場與變形場分布，表明圍護結構在基坑降水中，在防止水體滲流、保證基坑干燥、限制基坑周圍土體橫向變形、保證施工可靠中發揮著關鍵的作用，有助于保證整個降水施工的順利進行。（4）在該案例中由于井坑降水井點為環形群井，可以將其視為一個大井點，基坑沉降分布呈現環狀。基坑沉降影響范圍較廣，但較大沉降變形主要集中于基坑內部，基坑周圍沉降相對較小。在基坑外20m處基坑沉降已達到較小水平。