深厚覆蓋層住宅工程滲控有限元分析

郁舒陽 張勝偉 楊兆兵 張繼勛

(1. 河海大學 水利水電學院， 南京 210098； 2.日照市海洋與漁業研究所， 山東 日照 276800； 3. 濟寧市任城區水務局，山東 濟寧 272000)

在深厚覆蓋層上建設水利水電工程，由于其特殊性，存在著滲透穩定，滲漏損失[1]等因素，導致了施工難度大，造價高[2]等問題的出現．對于深厚覆蓋層的滲流控制技術，國內外現有研究成果有很多，相對比較成熟：張繼勛等[3]研究了厚覆蓋層上閘基防滲墻深度和止水片作用對滲控效果的影響，并進行了敏感性分析；黃梅瓊[4]等對二元結構地基進行了不同水平防滲長度與垂直防滲墻深度的二維數值模擬；王正成等[2]討論了弱透水層下的垂直防滲墻長度對滲控效果的影響．相對于深厚覆蓋層下的水利水電工程建設，建設住宅工程中的基礎滲控工程與其相似，但也有不同之處：大型水電工程滲控措施效果的評價指標較多，比如坡降，滲流量等，主要研究滲透破壞與滲透穩定問題，而住宅工程的滲控措施主要是為了解決由于河道整治等原因導致的地下水位上升，從而導致的已建小區地下室滲水的問題；由于住宅工程的基礎滲控工程位于河網交匯區，平面布置相對較廣，垂直防滲措施不僅需要研究深度的影響，還需要研究平面布置范圍的影響；水平防滲需要研究順河道的布置長度；排水措施由于以降低地下水位為目的，一般設置在上游處，而非傳統的“前堵后排”的模式．而前人對于建筑住宅工程的基礎滲控研究較少，相關的研究成果未見報道．鑒于此，有必要對建設住宅工程下的基礎滲控措施進行研究討論，并結合經濟性給出相應的優化方案．本文以位于深厚覆蓋層上的河網交匯區某住宅工程建筑群的地下室滲水問題為例，針對防滲結構的深度及延伸范圍的不同，建立三維有限元模型，以地下水位降深為主要評價指標，分析比較垂直防滲，水平防滲和排水3個方案的滲控效果，選擇合理的優化方案．

1 工程概況

本工程為一新建項目二期工程，擬建于一期工程的西側，北鄰灌溉河道，南鄰原有天然河道，工程區平面布置圖如圖1所示．鉆孔揭露地層巖性主要為：上部素填土、雜填土，下部為薄層粉土、中砂、礫砂、厚層圓礫．工程典型地質剖面圖如圖2所示．

圖1 工程典型地質剖面圖

圖2 工程區平面布置圖

在北側灌溉渠道治理前，本場區穩定水位埋深為0.0～6.9 m，水位標高為46.09～47.45 m，類型為孔隙潛水，主要賦存于素填土和圓礫層之中，補給來源以大氣降水、地下徑流為主，向南側原天然河道排泄，原灌溉河道水位為47.5～48 m．該小區在開發過程中，由于北側的灌溉河道在小區建成后進行了河道整治，在下游側設置了橡膠壩，河道上游水位大幅度上升，進而整個小區地下水位上升，特別是農田灌溉期間、雨季河水流量加大時，河水水面可能還會略有升高．目前，北側灌溉河道內水面標高一直保持在50.5～51.0 m之間，比治理前升高3m左右．而小區初設的整平高程為50 m左右，地下庭院的高程更低，最低處為47 m．從而造成新建小區的地下室被水浸沒，給居民的生活帶來了極大的不便，如何綜合考慮地質地形條件，滲控方式以及施工工程量[5-6]來控制小區地下水位低于地下室地坪高程(46.5 m)就成了解決問題的關鍵．

2 工程區滲流場分析

2.1 滲流有限元基本理論

根據變分原理，三維飽和滲流有限元控制方程張量形式為：

(1)

式中，Ss為單位貯存量，可以表示為ρg(α+nβ)，ρ為水的密度，g為重力加速度，α為土體的體積壓縮系數，β為水的體積壓縮系數，n為孔隙率；h為總水頭，kij為飽和滲透系數張量；Q為源匯項．

2.2 滲控方案的擬定

防滲和排滲是工程中降低地下水位的重要措施[7]，一般采取延長滲流路徑、隔斷滲流通道、布置反濾層和排水等，其中延長滲流路徑是為了降低滲透比降和流速；排滲可以導泄滲流，減小滲透壓力，常用的主要措施有垂直防滲，水平防滲和設置排水．本文根據水利工程已有經驗，參照水工建筑物中土石壩及堤防防滲加固的相關內容[8]，擬采用垂直防滲，水平防滲和排水三種方案，分別建立三維有限元模型．垂直防滲方案主要考慮到上下游、左右岸的水流補給和排泄條件，從而確定滲控措施的平面范圍，擬在灌溉河道一側居民區邊界設置垂直防滲墻，防滲墻采用混凝土結構，防滲墻厚度方向尺寸取0.4 m，深度方向分別取10 m、20 m、30 m、40 m、50 m這5種方案，延伸范圍分別取二期工程上游邊線長度、二期工程上游邊線向上下游延伸100 m、二期工程上游邊線向上下游延伸200 m；水平防滲在灌溉河道底部設置護底，在坡面上設置護面，護底布置在整個河底，護面覆蓋河道兩側的坡面，護面和護底采用土工膜上覆保護層的方式，范圍采取二期工程上游邊線長度、二期工程上游邊線向上下游延伸100 m、二期工程上游邊線向上下游延伸200 m進行計算分析；排滲方案在大堤背水側開挖一條排水溝，范圍覆蓋二期工程上游邊線，排水溝寬2 m，底高程開挖至46 m高程．具體方案見表1，方案平面布置如圖3所示．

表1 滲控方案

注：A，B，C分別代表垂直防滲，水平防滲和排水方案；A，B，C的第一個下標1～3對應于上游邊線長度、二期工程上游邊線向上下游延伸100 m、二期工程上游邊線向上下游延伸200 m的延伸范圍；第二個下標1～5對應于垂直防滲墻10～50 m的方案．

圖3 滲控方案平面布置圖

3 計算模型及計算參數

3.1 模型計算范圍

三維模型采用笛卡爾坐標系OXYZ，X方向范圍從天然河道至灌溉河道，Y向從高程0.00到地表面，Z方向沿著灌溉河道延伸至上游．為保證計算的誤差在工程分析允許范圍內，上游取至天然河道和灌溉河道的交叉口，左右分別至灌溉河道河床中間和天然河道岸坡，下游取至二期工程以外400 m處，模型底邊界取至高程0.00，具體范圍如圖1黑線范圍所示．

3.2 邊界條件和材料參數

根據相關勘測單位的勘測資料，不同區域的材料物理力學參數見表2．

表2 材料參數

模型的邊界條件為：模型上、下游為定水頭邊界，分別為51 m和46 m，模型底部為不透水邊界，模型表面、兩側河道水位以上、模型下游邊界等為自由出流邊界．

3.3 模型網格劃分

三維模型采用8節點六面體單元，整個模型總數為33 312個單元，37 496個節點，三維整體模型如圖4所示．

圖4 三維整體模型模型網格圖

4 滲流成果分析

4.1 垂直防滲方案

垂直防滲方案A1至方案A3分別對應于表1的延伸范圍，深度方向從10 m取至50 m(打到基巖)，得到垂直防滲墻墻后地下水位線高程與防滲墻長度的關系，如圖5所示．

圖5 垂直防滲墻墻后地下水位線高程與防滲墻長度變化曲線

從圖5可以看出，隨著防滲墻深度的增加，垂直防滲墻墻后水位高程逐漸降低，地下水位滲出地表的面積范圍越來越小，如圖6所示．當防滲墻深度打到不透水基巖時，垂直防滲墻墻后水位線高程存在一個“突變”，這與文獻[4]的結論相吻合．同時，隨著垂直防滲墻的平面布置范圍的加大，水位線也有一定的降低，但是降低的幅度不大．要想達到預期的效果(防滲墻墻后水位線46.5 m)，只有將防滲墻打到不透水基巖(防滲墻長度50 m)，并且向上下游分別延伸100 m范圍．圖6給出了方案A13垂直防滲墻30 m的流場分布圖．

圖6 垂直防滲方案A13垂直防滲墻30 m流場分布圖

4.2 水平防滲方案

水平防滲方案采用土工膜上覆保護層覆蓋整個河底和河坡的方式，經計算后得到水平防滲結構后的地下水位線高程與水平防滲的延伸范圍關系，如圖7所示．

圖7 水平防滲結構后的地下水位線高程與水平防滲的延伸范圍關系

從圖7可以看出：水平防滲方案能夠將地下水位線降低到預定的高程，這是由于水平防滲方案極大的阻斷了垂直于河床的滲流通道，只有少部分以繞滲的形式通過，繞滲量為0.23 m3/h/m，并且，隨著水平防滲的延伸范圍的加大，水平防滲結構后的水位高程逐漸降低，降低幅度不大，從方案B1(46.12 m)到方案B3(45.64 m)只降低了1.04%．由此可以看出，包含二期工程上游邊線長度范圍的水平防滲方案可以滿足工程的要求．水平防滲方案B1的流場分布圖如圖8所示．

圖8 水平防滲方案B1流場分布圖

4.3 排水方案

排水方案采用在大堤背水側開挖排水溝的方案，溝底高程為為46.0 m，溝寬2 m，得到排水方案的流場分布圖如圖9所示，排水溝后的地下水位線高程為46.32 m，低于預期標準46.5 m，可以滿足要求，但是滲漏量巨大，經計算為3.12 m3/(h·m-1)，全段滲漏每天將超過12萬m3，需要設置較強的抽排系統．

圖9 排水方案流場分布圖

4.4 工程造價評估

本文中工程造價評估參照當地某除險加固工程概算指標，采用工程類比法進行．

1)水平防滲方案：按照鋪筑長度為1 000 m，鋪筑面積為1 000 m×50 m進行計算，鋪筑層厚度為0.3 m，單價為300元/m3，所以水平防滲總成本預估為450萬元左右．

2)垂直防滲：由于深度較大，一般的旋噴、垂直鋪塑等方案很難實施，便于施工的垂直防滲措施是防滲墻，目前暫時按照55 m深度計算該防滲墻的工程費用．本工程擬采用墻厚40 cm即可滿足工程需要，本次計算主要考慮人工費、材料費、機械臺班費，具體粗略估算如下：人工費100元/m2；沖擊鉆孔費用350元/m2；澆筑材料費用250元/m2．因此按防滲墻深55 m，長度1 000 m計算，總費用為3 850萬元．

3)排水方案：本次計算需要考慮開挖排水溝費用，購買抽排水泵的費用以及水泵日常運行的費用．

按照200元/m3土的方量來計算，總費用約為360萬元；按照抽水水泵3 000元一臺，整個排水溝配備60臺計算，設備總費用為18萬元；按照1臺水泵一天運行費100元計算，使用期限為1年，運行成本為290萬元．因此按照排水溝方案，總費用為668萬元．所以綜合滲控效果與成本分析，本問題中選擇水平防滲方案作為解決方案是合理的．

5 結 論

本文針對防滲結構的深度以及延伸范圍的不同，采用三維有限元計算模型，對深厚覆蓋層河網交匯區建筑群地下室滲水原因進行了分析，提出了比較方案并進行了優化，主要結論如下：

1)垂直防滲方案地下水位高程隨著防滲墻長度增加而減小，當防滲墻深度為50 m(打到不透水基巖處)時，存在一個“突變”；延伸長度對地下水位降深有一定影響，但影響不大；只有將垂直防滲墻深度打到50 m以上(不透水基巖處)，并向上下游延伸100 m才能控制地下水位到預定高程(46.5 m)，但經濟性差，總成本預估為3 850萬元．

2)排水措施能夠控制地下水位至46.32 m，小于預定高程(46.5 m)但是滲漏量較大，每天超過12萬m3，需設置較強的抽排系統，經濟性一般，總成本預估為668萬元．

3)水平防滲方案相對有效，平面范圍只需要包含二期工程上游邊線長度地下水位高程就降落至46.12 m，小于預定高程(46.5 m)；平面范圍的加大對地下水位降深效果不大，降幅僅為1.04%；水平防滲方案經濟性較好，總成本預估為450萬元．

4)在深厚覆蓋層河網交匯地區建設住宅工程，必須實施基礎滲控工程，以降低轄區內地下水位，保護居民的生命和財產安全，同時根據地形地質條件，結合經濟性選擇合理的滲控措施．

[1] 沈振中，邱莉婷，周華雷．深厚覆蓋層上土石壩防滲技術研究進展[J]．水利水電科技進展，2015，35(5)：27-35．

[2] 王正成，毛海濤，姜海波，等．深厚覆蓋層弱透水層對防滲墻防滲效果的影響[J]．人民黃河，2017，39(2)：112-115．

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[5] 石 裕，馬永鋒．某深厚透水性地層基坑滲控方案研究[J]．人民長江，2010，41(16)：77-80．

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