基坑滲透破壞型式分析及應(yīng)對措施實例

張良 陳東風(fēng)

（江蘇省鎮(zhèn)江市城市水利管理處鎮(zhèn)江212000）

基坑滲透破壞型式分析及應(yīng)對措施實例

張良 陳東風(fēng)

（江蘇省鎮(zhèn)江市城市水利管理處鎮(zhèn)江212000）

基坑滲透破壞在水利工程中非常普遍。本文通過對鎮(zhèn)江市引航道樞紐工程防滲系統(tǒng)實施過程中，壩基下有壓滲流計算基坑內(nèi)理論滲流量與實際觀測滲水量對比，分析得出逸出處水力坡降大于允許坡降，造成流土型滲透破壞，為此提出通過降壓管井來降低弱透水層下承壓水壓力的防治措施。通過中墩基坑內(nèi)管井降水實例驗證深井降水對基坑滲流穩(wěn)定的重要性，給類似工程設(shè)計及施工提供參考價值。

有壓滲流 水力坡降 滲透破壞 滲流量 深井降水

1引言

鎮(zhèn)江市引航道水利樞紐工程由圍堰圍筑而成的深基坑，在高水位差下，深基坑內(nèi)不發(fā)生滲透破壞關(guān)乎基礎(chǔ)施工的成敗。基坑防滲工程在閘塘降排水過程中，發(fā)生了嚴(yán)重的滲透破壞現(xiàn)象，為保證基礎(chǔ)工程順利實施，必須先做好滲透破壞的除險加固工作。

2工程概況

工程位于引航道長江口門500m處，圍堰采用充砂枕圍堰填筑，無需導(dǎo)流，距樞紐中心線上下游各200m各設(shè)置一道圍堰，總長573m，見圖1。圍堰外部由砂枕袋充填細(xì)砂，內(nèi)部吹填砂填筑而成，堰體的防滲功能主要由迎水面防滲膜及堰體中心水泥防滲墻來實現(xiàn)。為了準(zhǔn)確有效地掌握防滲效果，及時了解堰體內(nèi)浸潤線水位變化情況，在兩條圍堰上各設(shè)置了三個測量斷面，每個斷面3根測壓管，共18根。

3工程地質(zhì)

根據(jù)《引航道水利樞紐巖土工程勘察綜合成果表》,該工程河床土層從上至下依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、細(xì)砂、細(xì)砂，平均厚度依次為2.6m、10.2m、11.2m、35m，滲透系數(shù)依次為0.144×10-6m/s、7.36×10-6m/s、6.86×10-6m/s、5.50×10-6m/s。

4第一次閘塘抽排水后基坑內(nèi)滲流穩(wěn)定性分析

4.1 滲流量實際觀測記錄

4.2 滲流量理論計算

圍堰迎水面所鋪設(shè)防滲膜滲透系數(shù)k為1×10-13m/s，砂的滲透系數(shù)k為10-5～10-6m/s左右，閘塘內(nèi)滲流水量來自壩底滲流。此類型屬壩基下平面有壓滲流，壩基下滲流由平面有壓滲流流網(wǎng)分析計算，見圖2。

式中：M—流網(wǎng)中的流槽數(shù)，數(shù)值上等于流線數(shù)減1（M=m-1=4）。

圖1 施工圍堰典型斷面圖

圖2 壩基下平面有壓滲流流網(wǎng)示意圖

Δh取值：H上取平均值（5.5+4.7）/2=5.1m，H下取

平均日滲流量：Q=qLt。

L為壩基長度，該工程近似取基坑周長，L=1000m。

4.3 滲流分析

由觀測值（約4150m3/d）與理論值（約483m3/d）比較，數(shù)值差距較大，由滲流量公式首先分析水力坡降i，降排水過程中是否發(fā)生滲透破壞，造成滲流量急劇增加。

該工程滲透破壞型式主要為流土破壞。根據(jù)工程的巖土工程勘察報告河床表層淤泥層屬粘性土，該層只會發(fā)生流土而不會發(fā)生管涌；河床下層無粘性土（均為砂層）不均勻系數(shù)Cu＜10，亦屬流土型破壞。

根據(jù)該工程的巖土工程勘察報告，該工程②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層發(fā)生流土的臨界水力坡降，0.85，允許坡降為安全系數(shù)，可取1.5～2.0），該工程地質(zhì)報告取值[i]=0.38；（②-1層icr=0.68）。

當(dāng)前壩基下滲徑長度約80m，兩側(cè)水頭差暫取ΔH=4m計算，結(jié)合地質(zhì)情況：淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層（取平均厚度）厚L1=2.6m，滲透系數(shù)k1=1.44×10-7m/s，粉細(xì)砂滲徑長度L2=80m，滲透系數(shù)H1=H3。

5第二次閘塘抽排水前基坑內(nèi)滲流穩(wěn)定性分析

5.1 測壓管內(nèi)水位情況

以6月23日各水位記錄為例，見圖3。5.2測壓管內(nèi)水位分析

圖3 測壓管水位數(shù)據(jù)圖

a.各斷面水位由迎水側(cè)向閘塘側(cè)遞減，反映出堰體內(nèi)水位浸潤線的變化趨勢。

b.迎水側(cè)測壓管水位值不同程度大于理論值，防滲膜效果較預(yù)期值不甚理想，但內(nèi)江側(cè)優(yōu)于長江側(cè)。堰體內(nèi)實際滲徑長度較計算值將大為縮短。

c.水泥土防滲墻前后測壓管水位反映出其防滲效果較好，主要水頭損失發(fā)生在防滲墻前后，其損失值大于計算值，防滲效果主要由防滲墻發(fā)揮。

d.C2、C5斷面閘塘側(cè)測壓管水位略高于閘塘水位。

e.閘塘側(cè)四角處測壓管內(nèi)水位偏高，南岸最高。受長江水位及地下水位與閘塘水位差造成的壩基下有壓滲流影響，因南岸淤泥層較厚，在其下部形成承壓水狀態(tài)；北岸呈微承壓狀態(tài)。

f.根據(jù)上述分析，滲透破壞在基坑內(nèi)南岸側(cè)易發(fā)生流土型破壞；受淤泥層厚度不均影響，河道中心線北側(cè)范圍易發(fā)生接觸沖刷破壞。

6防治措施及效果

由上述分析，基坑內(nèi)滲透破壞屬流土型，防治流土的關(guān)鍵在于控制逸出處的水力坡降，為了保護(hù)實際的逸出坡降不超過允許坡降，該工程采取了相應(yīng)措施。

第一，在上游做垂直防滲墻，在基坑四周實施水泥土防滲墻；在圍堰壩腳增設(shè)一道防滲墻，以起到雙重安全功效。因基巖較深約60m，防滲墻不能切斷透水層，故做成懸掛式，起到一定的延長滲徑、降低下游逸出坡降作用。

第二，因長江側(cè)防滲效果低于內(nèi)江側(cè)，在長江側(cè)圍堰迎水面壩腳填筑土方加以覆蓋，起到一定的穩(wěn)定圍堰基礎(chǔ)，延長滲徑的作用。

第三，結(jié)合該工程特性，基坑穩(wěn)定關(guān)鍵在于有效降低基坑面逸出處淤泥層下承壓水壓力，以及基坑四周滲透水壓力。為此在基坑四周布設(shè)一級降水管井，以有效控制坡腳滲透破壞，一級降水深井間隔約10m布置一口，實踐證明起到了良好的保護(hù)效果。在主體工程閘墩四周布置二級降水管井，以保證閘墩基礎(chǔ)開挖施工；在上下游護(hù)坦施工前布設(shè)井群，用以降低其下部地下水壓力。該工程降水的重點和難點在于中墩基坑的深開挖，要求其地下水位至少需降至-6m，考慮到地質(zhì)條件可能發(fā)生改變的復(fù)雜性，確保深井降水的成功，在中墩基坑四周采用18口直徑30cm的鋼管深井降低地下水位，管底標(biāo)高位于-25m。為達(dá)到降水效果，進(jìn)行管井抽水流量計算，選擇合適抽水泵型。

由于河床底部為透水層，降水井底未達(dá)到不透水層，該井為不完全井，其特點是，水流不僅沿井壁周圍流入井中，同時也從井底流入水井，因此流動情況比較復(fù)雜，理論計算供水流量尚有困難，目前多采用完全井的計算公式乘以大于1的修正系數(shù)ɑ來計算：

結(jié)合工程實際，r0值為管井半徑：r0=0.15m。

H為原地下水位至不透水層值，由地質(zhì)資料知：H=65m。

經(jīng)計算求得：修正系數(shù)ɑ=1.25。

各管井距O點長為：lg（r1r2…，rn）/n=1.4。

R為井群影響半徑，因管井距水源（長江）較近，且根據(jù)后期地質(zhì)資料反映基巖上部以上存在礫石強透水層，結(jié)合場地內(nèi)滲水量較大，坡腳管井降水效果，R值按保守估算取R=50m。

確定滲透系數(shù)k值，由于工程場地內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在中墩降水前，對工場范圍內(nèi)滲透系數(shù)進(jìn)行重新進(jìn)行野外試驗測定，k值為5.5×10-5m/s。

通過對降水管井布置及抽水流量計算，管井排水泵型選擇功率13kW、額定出流量50m3/h潛水泵。

通過對管井降水過程中井內(nèi)水位測量，大部分管井內(nèi)水位維持在-15m左右，少部分管井內(nèi)水位在-20m左右，基坑面基本無浸水現(xiàn)象。通過管井降水，有效降低了地下水位，該工程基坑開挖施工得以順利進(jìn)行。

7結(jié)語

當(dāng)滲流產(chǎn)生的實際滲透比降i大于土的臨界滲透比降icr時，土體將產(chǎn)生滲透破壞，基坑內(nèi)的隱患會加速滲透破壞的發(fā)生和發(fā)展。針對于流土型滲透破壞的有效防治措施和建基面下地下水位降低的有效措施，為采取深井降水，利用降壓井可有效降低弱透水層下水壓力，防止i＞icr時造成土體發(fā)生破壞，利用群井效應(yīng)有效地控制地下水位。深井降水對該工程基礎(chǔ)施工起到了保駕護(hù)航的作用；深井降水在深基坑開挖過程中，保證基礎(chǔ)穩(wěn)定，起到了至關(guān)重要的作用，在基坑工程中廣為使用