SEEP/W在深基坑降水效果對比分析中的應用

加青雙，宋 飛

(1.中鐵六局集團廣州工程有限公司，廣東 廣州 514000；2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，國內部分學者、工程師對基坑降水效果也做了相關研究。例如，聶慶科等[1]通過現場試驗，研究了粉土地基中群井條件下的真空井點降水過程及降水效果；曹亞西等[2]對新疆粉砂地層采用井點降水進行了現場試驗，分析研究得出井點大小、深度及打井位置與降水效果的關系；馬昌慧等[3]采用Visual MODFLOW數值計算軟件模擬了武漢某基坑工程的降水滲流場，得到地基與基坑距離和沉降成反比，增加帷幕深度可提高降水效果，有效減小地基沉降；莫振澤等[4]結合現場試驗并利用ABAQUS有限元軟件建模，對不同降水井布置方案、降水效果的影響因素及通道主體結構和周圍地表變形等進行數值模擬，確定最佳降水井布置方案和降水速率。

綜上所述，現階段對降水效果及相關研究，大多采用現場試驗和數值模擬方式，而數值模擬軟件現主要采用Visual MODFLOW和ABAQUS等，但由于易用性和上手操作難度等原因，普及范圍不大。SEEP/W軟件是基于非飽和土力學理論的巖土工程和巖土環境數值模擬軟件Geostudio中的模塊，可進行飽和-非飽和滲流場的數值模擬[5]，完成二維穩態及瞬態飽和-非飽和滲流計算，故可利用SEEP/W進行深基坑降水效果對比。此外，由于SEEP/W軟件在計算效率和操作性、易用性上的平衡，在基坑降水效果對比研究中具備更多優勢。本文以佛山地鐵3號線某深基坑為背景，對降水后土體各項指標進行對比分析，以得出更優降水施工方式。

1 工程概況

1.1 工程簡介

基坑屬于新建地鐵3號線工程，位于廣東省佛山市順德區高村，地貌單元為珠江三角洲沖積平原地貌，地勢較平坦，起伏不大。工程所在地層土體含有大量深厚淤泥及淤泥質土，高壓縮性、強度指標小、含水量大且滲透性小。在施工過程中，因其具有低滲透性及高持水性，對基坑開挖的排水固結不利，不僅影響地基強度，而且也延長地基固結穩定時間。

在對基坑進行降水施工時，管井降水在現場施工中是常用方式，常見降水井類型有普通管井、真空管井等。本工程擬采用真空管井降水，地下連續墻兼作止水帷幕進行施工。

1.2 井點布置原則

工程在降水井平面布置時，控制井管軸心間距為10～20m，降水井深度結合地層特點及開挖深度，坑內降水井深度仍控制在開挖面以下3～4m，井深不超過加固底面深度；真空疏干深井的布置原則為：井平面位置最終施工時應避開坑內支撐、格構柱、坑內加固等位置，過濾器以分斷面過濾器為主。

成井施工結束后，在真空管井內及時下入潛水泵等設備并進行標識。將濾管埋入含水層內，潛水泵深入儲水層，在孔壁與砂管間填充濾水層至地下靜水位以上，接近井口一定范圍內采用黏土填實封嚴，最下端的濾管用2層以上篩網包裹，最上端濾管密封。抽水與排水系統安裝完畢，即可開始試抽水，本工程真空管井降水施工如圖1所示。根據施工進度計劃，采用真空抽水以確保預降水效果，每臺真空泵配置深井數量可根據管路系統內的真空度調整。在進行降水疏干過程中，需同時對坑內外地下水位實時監測其變化。

圖1 管井降水施工示意

1.3 真空管井運行

在開始降水運行前，需進行降水試運行。測定靜止水位，安排好抽水設備、電纜及排水管道做生產性抽水試驗運行，驗證降水效果，檢驗排水系統是否通暢，抽出來的水應排入場外市政管網，以免抽出的水就地回滲，影響降水效果。同時，驗證電路系統是否正常，檢查電箱和電纜線等設備，確保降水持續進行。抽水試驗時間為≥7d且≥2/3最大設計降深，時間充足情況下達到最大設計降深。

對于基坑降水施工，降水應在基坑開挖前15～30d或更早進行，以保證有效降低開挖土體中的含水量，確保基坑開挖施工順利進行。并根據要求加載真空負壓，以疏干基坑上部開挖土體，開挖過程中保持繼續持續抽水，進一步疏干上部土體。根據開挖進度，井內水位應控制在基坑開挖面以下一定深度內，在真空疏干深井正式抽水前，應及早施工坑外潛水位觀測孔。潛水水位觀測孔施工完成后及時開啟真空疏干深井進行疏干降水。一般正常情況下，真空疏干深井基本保持24h連續抽水，出現降水異常時，根據需要進行調整。本次采用的新型技術超級壓吸聯合抽水系統是一種集送氣系統、真空抽水系統于一體的不間斷式抽水方式。

真空管井降水過程中，對真空管井降水效果的影響因素眾多，本文主要針對土體滲透系數、止水帷幕深度等重要因素，對比分析真空管井和普通管井降水情況下降水效果。設置不同滲透系數意在模擬不同地質條件下真空管井與普通管井降水受土質影響大小，以便提供類似工程參考。

2 模型簡介

2.1 SEEP/W軟件與非飽和滲流理論

SEEP/W主要用于模擬多孔介質(包括土體、巖石)中地下水的滲流，分析各種復雜飽和和非飽和滲流問題。SEEP/W軟件現已在巖土工程[6]、水利水電工程[7]、礦業工程[8]和安全工程[9]與災害防治[10]等分析和設計中得到較廣泛應用。

由于SEEP/W采用自動網格劃分技術及非結構化網格技術，用戶可對研究區域進行快速有效的網格劃分。在SEEP/W中，土體參數如土水特征曲線和水力傳導曲線等可自定義也可使用軟件內置典型土壤參數，本文選用軟件內置典型土體參數。

SEEP/W中用于非飽和流控制的控制方程是Richards方程[11]。1931年Richard將Darcy定律應用到非飽和流中并推導得出非飽和滲流基本微分方程[12]：

式中：H為總水頭；k(θ)x為x軸方向的水力傳導率；k(θ)y為y軸方向的水力傳導率；k(θ)z為z軸方向的水力傳導率；Q為流量邊界；θ為土壤體積含水率；t為時間。應用此公式，SEEP/W對模型每個網格進行求解，獲得相應數值解。軟件中非飽和土體參數涉及2個最重要參數即土水特征曲線和水力傳導曲線：

1)土水特征曲線 含水量與基質吸力間的函數關系[13]。在SEEP/W中提供4種土水特征曲線確定方式，包括數據點函數、Fredlund-Xing經驗函數、Van Genuchten 經驗函數及用戶加載函數，本文選用數據點函數輸入。

2)水力傳導曲線 滲透系數與基質吸力間函數關系。在SEEP/W中提供2種確定方式，即滲透系數數據點函數和用戶加載函數，本文采用前者。

2.2 模型尺寸與網格劃分

根據佛山地鐵3號線現場實際情況，基坑寬21.3m、深16.9m。考慮模型邊界均為3～5倍基坑尺寸，取模型長121.3m(基坑兩側各50m)、高70m。模型基坑平面內設置2口排水井，降水井深22m，于開挖面以下5.1m，兩降水井間橫向間距10.9m，距離兩側基坑邊緣5.2m。

模型網格設置為2m矩形網格單元，過渡區域為三角形網格單元，佛山地鐵3號線基坑2D模型如圖2所示。

圖2 佛山地鐵3號線基坑降水2D模型(單位：m)

2.3 材料與邊界條件

為探究2種降水方式在不同滲透系數土體與止水帷幕深度下的降水效果，研究設置3種滲透系數和3種止水帷幕深度對不同工況降水效果進行對比分析。參數設置包括滲透系數為4.00，0.40，0.04m/d，止水帷幕深度為0(即不設置止水帷幕)，32，43m，對參數進行組合分析，共計9種工況。

SEEP/W軟件邊界條件分為水頭、流量及其他邊界條件。根據模型尺寸和真空管井降水條件，設置模型邊界條件主要定義水頭條件，總水頭70m、真空管井降水水頭-8m及普通管井降水水頭0m。

3 深基坑降水效果對比分析

利用軟件SEEP/W建模，對各工況進行瞬態分析，計算所設置工況降水30d內每天各參數，主要統計降水穩定深度、最大流量及達到穩定水流量所需時間3個重要參數指標，對深基坑降水計算結果進行分析。

3.1 降水穩定深度對比

本文統計軟件SEEP/W模擬降水30d后的壓力水頭，認為壓力水頭為0m時等值線即為降水穩定深度。對比計算結果發現，在降水施工達到穩定深度后，真空管井降水0m壓力水頭等值線均呈“W”形狀，即在兩降水井間和降水井與基坑邊緣間等值線深度小于降水井處等值線深度(分別用C和B表示)，如圖3所示。而普通管井降水0m壓力水頭等值線為兩降水井間和降水井與基坑邊緣間分別較平緩但降水井兩側穩定深度不同。

圖3 “W”形0m壓力水頭等值線示意

同時，根據計算結果看出，隨著止水帷幕的深度增加，各工況均會出現帷幕外壓力水頭0m等值線更接近地面；對于真空管井，基坑邊緣與降水井間的降水穩定深度會隨著止水帷幕的深度增加而增加，兩降水井間的降水穩定深度大致不變；對于普通管井，止水帷幕的存在使得兩降水井間和降水井與基坑邊緣的降水穩定深度更接近。兩種降水井降水穩定深度隨止水帷幕深度變化而出現的現象，是由于止水帷幕的存在，會一定程度阻止或減緩其外側豐富地下水對基坑內側降水后水位的補充。

統計各工況0m壓力水頭等值線在兩降水井間和降水井與基坑邊緣間的深度，可描繪出大致降水范圍。無止水帷幕時降水穩定深度對比曲線如圖4所示，同一位置真空管井降水穩定深度均比普通管井降水深度要大，而土體滲透系數與降水穩定深度正相關，其余止水帷幕深度的工況計算結果規律均相同。

圖4 0m止水帷幕降水穩定深度對比

本文統計各工況降水過程中降水穩定深度數據，得到表1。

表1 降水穩定深度對比

通過對表1中各工況的降水穩定深度分析可發現，真空管井降水施工完成后，0m壓力水頭等值線上方存在大范圍壓力水頭為負值的區域，即出現大范圍負壓區，降水穩定深度普遍較普通管井更深，表明其降水效果更好；并且在滲透系數越小、止水帷幕越深時，真空管井降水穩定深度優勢越明顯。

3.2 最大水流量對比

不論是采用何種降水井施工，其降水過程中的降水流量不總是恒定不變。根據軟件SEEP/W計算結果，在30d降水過程中，不論普通降水井還是真空降水井，降水井水流量趨勢均相同：從急劇增大到逐漸趨于平緩，并且各工況降水過程中的最大流量總是出現在第1天，隨后會突然降低并迅速趨于穩定。不設置止水帷幕降水流量與時間關系曲線如圖5所示，在土體滲透系數較小時，真空管井降水流量總是比普通管井降水流量大，而隨著滲透系數變大，普通管井降水流量與真空管井降水流量逐漸接近，甚至會超過真空管井穩定后降水流量。

圖5 0m止水帷幕水流量-時間曲線

綜合統計降水過程中所出現的最大降水流量，這很大程度上可反映基坑降水效率。無止水帷幕各工況最大降水流量對比曲線如圖6所示，對比發現：同一土體滲透系數下，真空管井降水最大流量遠遠大于普通管井降水最大流量，且隨著土體滲透系數的增大，最大降水流量也隨之增大，該規律對所設置工況的其余止水帷幕深度模型計算結果規律同樣適用。

圖6 0m止水帷幕降水最大流量對比

本文統計各工況降水過程中出現的最大降水流量，得到表2。

表2 最大降水流量對比

對表2中各工況最大降水流量對比分析可看出，真空管井降水最大流量遠遠大于普通管井最大降水流量，是其1.6～50.0倍，且止水帷幕越深，土體滲透系數越小，這一差距體現得越明顯，此時真空管井降水優勢越明顯。

3.3 達到穩定水流量所需時間對比

本文對所設置工況進行數值模擬計算后，分析降水穩定水位和水流量規律，發現隨著降水施工的進行，不論是壓力水頭(見圖3)還是降水井流量(見圖5)均會在一段時間后趨于穩定，達到這一穩定狀態意味著降水與坑外補水已接近平衡，因此達到穩定水流量所需時間也是在考慮降水效果時需關注的一個重要因素。本文認為，當降水流量變化率<3%時，降水流量達到相對穩定，處于較平緩區間。統計各工況真空管井降水和普通管井降水達到穩定時間，可以得到表3。

表3 達到穩定水位時間對比

由表3可看出，隨著土體滲透系數增大，土體對水的傳導率也越大，降水更容易，所以達到穩定水流量的時間也越短；對比同一土體滲透系數時，普通管井降水達到穩定的時間也短于真空管井降水所用時間，這是由于普通管井形成的地下水與管井間的壓差更小，其達到的穩定水位更高，所以用時會更短。對比同一土體滲透系數，止水帷幕設置越深，使得達到穩定的時間越長，且對真空管井降水影響越大。

3.4 施工現場試驗對比

現場施工前，在相同含水地質條件、相同井結構、相同抽水時間條件下，分別對采用真空管井降水和普通管井降水的疏干抽水能力進行了相應的對比試驗。

兩種方式降水完成后，選取基坑中部和基坑底部距降水井2.5m和5.0m距離的8個區域，每個區域采集2組土體樣本進行含水率對比，數據為：原狀土為40.2%，普通管井降水后為30.0%，真空管井降水后為19.8%。

由此可見，真空管井降水的出水率遠高于傳統降水。現場試驗與數值模擬結果一致(見圖7)。

圖7 疏干抽水能力對比試驗照片

4 結語

1)利用基于非飽和理論的仿真軟件Geo-SEEP/W完成基坑降水的數值模擬，以此對比基坑降水效果的嘗試可行，探索了降水施工數值模擬和方案比選新途徑。

2)對于不同土體材料，滲透系數對降水效果的影響極大。在滲透系數較小的地質環境下，如淤泥或淤泥質土，采用真空管井降水更高效。

3)設置止水帷幕可有效阻止或減緩坑外地下水流入，且對于止水帷幕越深的情況，真空管井降水優勢越明顯。