基坑降水數值模擬分析研究

張 靜 學

(中億豐建設集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215131)

0 引言

隨著我國城市化進程不斷地推進，建筑物和構筑物的規模擴大和數量增多，地下空間利用程度得以提高，促使深大基坑項目越來越多[1]。然而基坑降水是基坑設計不可或缺的一部分，降水設計的成敗與基坑安全息息相關[2]。雖然諸多學者對基坑滲流和降水引起地面和周邊建筑物沉降方面已經開展了深入的研究，在該方面研究已相對成熟，但是基坑降水工程存在一定的區域性差異。同時，對于深基坑工程而言，如何選擇更加合理的降水方法、進行科學的降水設計和預測仍然是當前和今后的一個重要課題[3]。

1 工程概況

1.1 一般概況

南京浦珠路站是南京地鐵三號線的中間站，本車站主體基坑長172.3 m，標準段寬24 m，深19.838 m。本工程中明挖基坑圍護結構及止水措施采用地下連續墻。地下連續墻標準段、左端盾構井和右端盾構井的墻厚、深度以及開挖深度詳見表1。

表1 地下連續墻各段尺寸 m

本次工程的基坑施工平面布置示意圖見圖1。

1.2 場地工程地質及水文條件

本工程擬建場地主要位于長江漫灘平原區，地勢低平，向長江河谷緩傾。車站所處場地的土層自上而下分別為：①-2層素填土，②-3c-3層粉土、稍～中密，②-3d-4～3層粉砂、松散～稍密，②-4d-3～2層粉砂、稍密～中密，②-5d-2～1層粉砂、細砂，④-4e層卵石、碎石、圓礫，K2p-1層強風化粉砂巖、泥巖。其中車站底板處在②-4d-3～2層粉砂中。土層的分布具體情況詳見圖2。

考慮到本基坑工程中潛水層與微承壓含水層之間缺少隔水層，故在本基坑工程中，應將松散巖類中孔隙水作為潛水含水層組，其厚度為50 m～60 m。考慮到抽水試驗含水層砂層的綜合滲透系數的取值范圍(K=7.1 m/d～23.1 m/d)，本工程中的滲透系數建議值取K=9.7 m/d。

2 地下水滲流數值模型

根據適應于本工程場地的水文地質條件，利用式(1)，可建立與之相適應的地下水三維非穩定滲流數學模型[4]。

(1)

其中，kxx,kyy,kzz分別為含水層在各個主方向上的滲透系數；h為坐標為(x,y,z)的點在t時刻的水頭；h0為坐標為(x,y,z)的點處的初始水頭；h1為坐標為(x,y,z)的點在一類邊界上的已知水頭；W為源匯項；Ω為基坑的計算區域；Γ1為第一類邊界。

對于模擬區平面范圍的確定，應借助現有的巖土工程勘察報告、水文地質條件以及鉆孔等相關工程資料，并依據以基坑作為中心點，邊界應布置在降水井影響半徑的外側的原則[5]。

在基坑的降水過程中，坑中的上覆弱潛水層會與下伏承壓含水層產生一定的水力聯系，因此本次研究中將兩者一同并入模型中參與計算，并認為兩者都具有非均質各向異性[6]。一般而言，地下水的流態被認為是三維非穩定流，坑內的疏干降壓井被認為是唯一的源、匯項。依據定水頭遠離源、匯項的基本原則來規避邊界不確定性引起的計算結果的誤差[7]，經多次計算得到計算區在水平方向上，起點選取為基坑四周，計算區域向各方向擴展800 m，最終實際計算平面尺寸約為1 774 m×1 626 m。本次研究將基坑四周均認定為定水頭邊界。在垂直方向上，頂部取至淺部潛水含水層，底部取至強風化粉砂巖層底板。

3 模型驗證

3.1 降水井與觀測井布置

本次數值模擬共有15口降水井、10口觀測井進行水位擬合，15口降水井均布置于坑內，Y2,Y14和Y29觀測井布置在坑內，G1,G2,G3,G4,YG5,YG7和YG8觀測井布置在坑外，詳見圖3。

3.2 降水效果預測

在本次數值模擬中，模型的識別驗證時間共計6 d，將其分為6個應力期，對應于1個時間步長。模型經參數反演后，得出觀測井的水位的計算值和實測值。各觀測井水位計算值和實測值的擬合效果和變化過程，如圖4～圖11所示。

從擬合結果來看，各地下水位的計算曲線與實測曲線擬合精度較為良好，總體變化趨勢基本一致，其地下水位誤差均在0.5 m以下，由此可以看出所建模型是正確和可靠的，以及模型參數的選取較為合理，最終使得本工程研究區域地下水系統的本質特征能夠被較為精準地反映。

4 模型降水效果預測

為了滿足基坑工程的降水控制的施工要求，工程中需要將地下水位降至基坑底部1 m以下。即該基坑工程中地下水位需要降至-12.9 m(埋深20.8 m)。當開啟17口降水井時，坑內降深滿足安全開挖的需求。模擬降水效果如圖12，圖13所示，經30 d降水后，淺層土體已被完全疏干，有利于保證基坑上部土方的開挖安全。同時，各個位置深部土體的降深分別為：小盾構井-15.0 m，標準段-13.8 m，大盾構井-17.5 m，各部分水位降深均滿足降水要求。

從圖14,圖15可以看出，降水過程中坑內外的實測地下水位與模型預報的地下水位是十分接近的，實測歷時曲線與預報歷時曲線幾乎是重合的。這說明了模型預報地下水位的精度是比較高的。

5 結論

本次研究在總結深基坑降水的設計理論和計算方法的基礎上，以南京地鐵三號線浦珠路站深基坑降水為例，建立降水條件下地下水三維非穩定滲流模型，對深基坑降水各地層的水文地質參數進行反演分析，以識別驗證數學模型，并在此基礎上對降水效果進行預測。通過本次研究獲得以下主要結論:

1)利用Visual MODFLOW三維地下水滲流數值模擬軟件，建立了三維有限差分模型[8]，通過模型反演得到了微承壓含水層的水文地質參數。

2)基于地下水滲流理論，建立了基坑降水的三維非穩定地下水滲流數值計算模型。通過模型識別與驗證，真實地反映了地下水位在抽降水過程中的變化特征。

3)通過數值模擬對浦珠路站主體因基坑降水而產生的地下水流場進行了計算，計算結果與實測數據進行對比，發現模擬值接近于實測值，進而驗證了在本次工程中數值模擬具有可行性。