考慮工程降水作用的基坑滲流場影響分析
——以南昌某深基坑工程為例

2021-05-29 01:37:22黃明輝

汕頭大學學報(自然科學版) 2021年2期

黃明輝

（周口職業技術學院建筑工程學院，河南周口 466000）

伴隨國內基建事業穩步推進，基坑工程建設近年來取得快步發展，地下空間開發規模、基坑開挖深度需求也日益增長[1-5].此種情況下，各類工程事故屢見報道.回顧以往一些工程事故的相關經驗，由于土層地質的復雜性與區域性，地下水滲流對基坑支護穩定影響嚴重，地下水影響造成的圍護結構失穩破壞常有發生[6-7].朱愛國等[8]統計了103個發生事故的基坑工程，并對各基坑發生事故的原因進行了細致的歸納分析.統計結果表明由工程勘察設計失誤及水處理不當造成的基坑工程事故率高達58.3%，直接影響基坑支護穩定、危及周邊建筑安全.李立云等[9]收集了133例基坑工程事故，通過對事故類型與原因比重的分布統計表明，基坑涉水問題在基坑工程事故中最常發生，由基坑突涌引起的基坑破壞所占比例為2.17%，而由滲流引起的基坑破壞比例高達23.37%.周紅波等[10]為統計城市軌道交通車站的基坑事故類型，選取了上海、天津等9個城市的52個車站基坑工程展開論述，并從工程風險角度出發，研究得出影響車站基坑支護穩定的各類風險因素，研究結果表明滲流破壞為基坑工程中最多發的事故類型，事故所占比例高達62%.基坑穩定與地下水狀態緊密相關，圍護結構選用須因地制宜，在綜合考慮地質及水文因素影響的基礎上謹慎選取.

1 工程背景

本項目為南昌地區某深基坑支護工程，基坑支護對象為兩層地下室，基坑平均設計深度14.9 m.工程采用灌注樁與預應力錨桿的支護措施進行基坑防護.由工程場地現場勘察數據，建設場地地形起伏不大，各層土體分布較為均勻.工程鉆探范圍內地層主要由填土層、黏性土層、砂礫層及風化巖層構成.基坑場地地下水可劃分為上層滯水與第四系松散巖類孔隙性潛水，上層滯水主要賦存于第四系全新統的雜填土土層中，水位埋深1.6～4.3 m.第四系松散巖類孔隙性潛水主要貯存與第四系全新統沖積砂礫層中，穩定水位埋深為3.5～6.6 m.為避免工程帶水作業，滿足基坑止水要求，沿圍護結構外側施工單排水泥土攪拌樁相互搭接形成止水帷幕，并在坑內設置降水井對坑內土體疏干處理.各土層巖土體力學參數如表1所示.

表1 土層材料參數

2 數值模型設置

因基坑平面面積較大，因此僅選取基坑中某典型支護斷面進行有限元建模分析.為全面分析不同降水形式下滲流場影響與基坑支護穩定性差異，在保持土體材料與結構參數不變的基礎上，僅為降水參數進行動態分析.由于上層滯水受季節性控制明顯，通常具有水量小、埋藏淺的特點，一般認為其對基坑穩定影響較小[11]，而在項目基坑場地中，孔隙性潛水水量豐富，且涉及地層較多，因此本文采用有限元分析軟件Midas gts nx主要對孔隙性潛水進行滲流影響分析.

模型假設土體滲透性為各向同性，對水平方向與豎直方向的各層土體取相同的滲透系數.定義降水井處節點壓力水頭值為零，并設置止水帷幕為不透水邊界.考慮到水源補給形式的不同，不僅造成水流方向的差異，且會對滲流影響下水頭及孔隙水壓力分布產生不同程度影響[12]，因此運算模型以節點水頭的形式來模擬地下水的滲流作用，并考慮臨近土層中的水源補給，在模型兩側邊界處按照地下水位高程設置節點水頭.因模型高度66.8 m，地下水水位埋藏深度5 m，故兩側滲流邊界設置總水頭為61.8 m，每兩口降水井水平間距為30 m，有限元模型如圖1所示.

圖1 基坑工程有限元模型

3 有限元結果分析

3.1 考慮降水時間函數的滲流場分析

數值分析過程中，考慮降水井的實際工作狀態，對降水井節點總水頭設置動態的時間函數.因基坑設計深度14.9 m，地下水埋深5 m，且為保證基坑支護安全及施工作業需求，要求地下水位降低至坑底以下0.5 m處，因此可知地下水初始總水頭為61.8 m、水位降深為10.4 m.如圖2設置降水井水頭變化的時間函數，設定基坑開挖前10天進行坑內降水，即坑內水位每日降低幅度為1.04 m，當坑內水位降低至設計標高后，降水井持續運作，使總水頭持續保持在坑底以下0.5 m位置處.

圖2 降水井水頭隨時間變化函數

圖3 所示為降水前及降水后第1天、第5天、第10天、第11天后土層孔隙水壓力分布.由圖中數據可以看出，地層初始滲流場下孔隙水壓力沿水平向呈層狀分布，沿豎直方向表現為線性增長.降水井抽水狀態下，隨著抽水時間持續進行，降水井節點處總水頭值不斷減小，即坑內地下水隨抽水時間增長不斷被排出，水位持續下降.根據圖中孔隙水壓力等值線變化趨勢來看，隨著抽水時間增長，基坑內部孔隙水壓力不斷減小，地下水浸潤線產生下移.原浸潤線以上部分土體由飽和狀態逐漸轉變為非飽和狀態，由于基質吸力影響，浸潤線以上土層形成負孔隙水壓力.

圖3 不同降水時間下孔隙水壓力等值線分布

模型土層中抽水時間越久，坑內滲流場變化越明顯，隨著地下水不斷排出基坑內部，土層中負孔隙水壓力數值不斷增大.由圖中孔隙水壓力等值線分布狀況可以看出，初始滲流場下，模型最大負孔隙水壓力為49.033 kN/m2，持續抽水1天后，孔隙水壓力等值分布線在基坑土體內出現明顯的彎曲現象，最大負孔隙水壓力增大至59.232 kN/m2.持續抽水5天后，孔隙水壓力等值線彎曲程度持續加深，并在止水帷幕內外兩側變化幅度較為劇烈，土體最大負孔隙水壓力由59.232 kN/m2增大至100.028 kN/m2，增長幅度為68.88%.降水井工作10天后，基坑內部土體中孔隙水壓力分布已初具穩態，負孔隙水壓力變為151.022 kN/m2，變化幅度為50.780%.因降水井抽水工作10天后，地下水水位已降至設計高程，故從11天開始降水井只需將地下水位穩定至坑底以下0.5 m深度位置處，即可滿足基坑降水要求.故工程開始降水后的第11天，基坑內側孔隙水壓力分布及負孔隙水壓力數值并未發生改變.

3.2 單井降水與群井降水效果對比分析

由于降水井內部地下水被持續抽出，井內地下水位與孔隙水壓力不斷下降，水頭差影響下，降水井周邊含水層中地下水朝向井內流動.降水井臨近土層內水力坡度較大，地下水位與孔隙水壓力變化幅度亦較大，而遠離降水井的土層水力坡度較小，地下水與孔隙水壓力變化幅度也較小.由圖4所示單井降水與群井降水下土體孔隙水壓力等值線分布狀況來看，孔隙水壓力主要在基坑內部土體中發生較大變化，并在降水井周圍及富水砂層中孔壓降幅較大.單井降水方式僅在降水井周圍土體中孔壓降幅明顯，在遠離降水井位置處孔隙水壓力降低幅度不足.而群井降水下，因降水井數量相對較多，坑內土體孔隙水壓力受各個降水井疊加影響，導致孔隙水壓力變化范圍遠大于單井降水.此時基坑內部各處土體中孔隙水壓力降低程度較為均勻，降水效果明顯優于單井降水.

圖4 單井降水與群井降水下孔壓分布

依據圖5所示降水后地表土層沉降曲線判斷，單井降水與群井降水兩種形式下，坑內待開挖區域內地表沉降程度相近.單井降水形式下，地表土體沉降范圍較小，坑內地表沉降峰值位于降水井上方土層中，最大值為2.210 mm，坑外地表沉降最大值為1.702 mm.群井降水形式下，基坑內部地表土體沉降范圍較廣，因基坑內側布置有4口降水井，故地表沉降曲線在基坑內部出現4個沉降峰值，且4個沉降峰值均位于4口降水井上方地表處.由有限元計算結果，群井降水下，坑內地表土層沉降最大可達2.239 mm，基坑外側地表沉降最大值為1.830 mm.

圖5 不同降水形式下地表土體沉降對比

采用單井降水形式進行降水不僅孔隙水壓力變化范圍弱于群井降水，且地表沉降影響范圍與影響程度亦弱于群井降水形式.基坑工程中，降水井布置數量不足，導致降水效果難以達到理想狀態，作業面處于水位面以下，不僅提升施工難度，且基坑內被動區土體浸泡在地下水中，降低土體強度指標，不利于基坑穩定支護.

3.3 坑內降水與坑外降水效果對比分析

3.3.1 孔隙水壓力影響分析

城市基坑工程建設中，若基坑周邊臨近市政道路、地下管線及建筑物時，常不允許在坑外進行降水，以防止地下水位降幅過大、土體沉降固結對周邊環境產生不利影響.而坑內降水效果往往優于坑外降水，坑內降水形式下，可促進基坑內側被動區土體沉降固結，提高支護結構抗傾覆性能.但是，當基坑周邊較為空曠時，采用坑外降水方式對場地地下水進行處理亦具有明顯優點.坑外降水形式下，基坑外側臨近土層中的地下水被疏干處理后，支護結構僅受基坑側壁后的主動土壓力影響，無水壓力作用，可較大程度減弱支護構件側向壓力.

為系統分析坑內降水井降水與坑外降水井降水兩種不同形式下，基坑穩定性及滲流場分布差異，模型在分析時，分別在基坑內外兩側設置降水井進行敏感性分析.其中坑外降水下在基坑外側設置2口降水井，不設置止水帷幕進行隔水.坑內降水則考慮止水帷幕作用，并在基坑內側布置2口降水井，通過對比兩種不同降水形式下地層孔隙水壓力分布及抽水引起的地表沉降，以對基坑降水工作機理展開理論分析.由有限元計算數據，坑內降水與坑外降水形式下，地層孔隙水壓力等值線分布變化如圖6所示.

圖6 坑內降水與坑外降水形式下孔壓分布

由上圖孔隙水壓力等值線分布狀況可知，止水帷幕對限制基坑內外兩側地下水補給具有明顯作用.坑內降水形式下，降水井周邊土體孔隙水壓力降幅較大，由于止水帷幕的強隔水效果，基坑內側外兩側孔隙水壓力在止水帷幕附近發生明顯突變.水位面以下土層中，基坑內外側的孔隙水壓力等值線非連續，在基坑內部邊緣處出現折斷、彎曲現象，同一深度位置處，基坑內外兩側孔隙水壓力變化幅度較為明顯.隨著遠離基坑，工程降水對坑外稍遠處土體中的地下水影響較小，孔壓等值線亦逐漸歸于平滑.

采用坑外降水形式下，由于基坑內部待開挖區域面積較大，坑外降水井影響范圍難以完全輻射整個基坑內部區域，造成基坑內部孔隙水壓力變化范圍與變化幅度不及坑內降水形式.因坑外降水經濟性較佳，不需在支護結構外側設置止水帷幕樁，因此坑外降水井工作狀態下，基坑內外兩側土體交接處土體孔壓等值線在基坑內外較為連續而無折斷現象.與此同時，因降水井抽水作用，臨近含水層中地下水朝降水井內流動，稍遠處土體中水頭梯度小，近處土體中水頭梯度大，此時遠近處土層中降水效果不均勻，而在降水井附近出現“降水漏斗”.由圖中孔壓等值線變化可知，降水井底部位于“降水漏斗”中心位置，孔壓降低幅度達到最大，隨著土體與降水井距離增大，工程降水效果逐漸減弱.

3.3.2 地表沉降影響分析

滲流場中，地下水運動受水頭差作用在土顆粒孔隙中發生流動而產生動水壓力.由于土層中地下水不斷被疏干，土體受到有效應力增長以及滲透力豎向分量作用，導致降水范圍內土體進一步壓實固結.為研究坑內降水與坑外降水兩種不同形式下地表沉降規律，由有限元分析結果，可得出圖7所示不同降水形式下地表沉降曲線.

圖7 不同降水形式下地表沉降對比

坑內降水形式下，降水井位于基坑內側，因此地表最大沉降位置位于基坑內部.而坑外降水下，降水井位于基坑外側，故地表最大沉降槽出現在基坑外側、降水井頂部地表土層中.由模型運算結果，坑外降水形式下，基坑外側地表最大沉降值為3.084 mm，基坑內側地表最大沉降值為1.422 mm.坑內降水形式下，基坑外側地表最大沉降值為1.753 mm，基坑內側地表最大沉降值為2.115 mm.兩種不同降水下，基坑外側地表沉降變化幅度可達43.158%，基坑內側地表沉降變化幅度可達32.782%.可見坑內降水與坑外降水影響范圍與影響程度較為不同，坑外降水形式下，基坑外側地表沉降范圍與程度較大，當基坑臨近構筑物時，應考慮工程降水對構筑物的不利影響.

3.4 有無止水帷幕下基坑穩定分析

3.4.1 孔隙水壓力影響分析

當工程場地內水位較高且基坑降水較為敏感時，常采用旋噴樁工藝通過制作形成相互搭接的止水帷幕樁墻來阻隔基坑內外土體中水層交流，以阻止或減小地下水透過基坑側壁和坑底進入基坑內部影響基坑支護穩定.為分析止水帷幕對基坑滲流場影響，保持模型土體、支護結構及降水井參數不變，分別考慮有止水帷幕影響和無止水帷幕影響，并對兩種形式下的地層孔隙水壓力分布差異展開論述.根據模型計算結果，得出圖8所示模型經過降水井抽水過后的孔壓分布云圖.

圖8 有無止水帷幕下孔隙水壓力分布

由兩圖對比可知，止水帷幕隔水效果顯著.基坑考慮止水帷幕作用下，基坑內外孔隙水壓力差異較大，孔壓等值線在基坑側壁處呈不連續分布.孔隙水壓力等值線僅在基坑內側、止水帷幕底部變化幅度較大，隨著土體與基坑側壁距離增加，土層中孔隙水壓力等值線很快趨于平緩，稍遠處土層中孔隙水壓力數值變化微弱，止水帷幕能較好限制基坑外側地下水，避免坑外水位大幅下降.反之，無止水帷幕下，基坑場地內孔隙水分布較為不同.因基坑內側有4口降水井持續作用，因此坑內地下水位較為穩定，坑內孔隙水壓力等值線亦較為平緩.由于基坑外側無止水帷幕作用，又無降水井對地下水疏干處理，降水井以外土層區域內，出現明顯“降水漏斗”.地下水在遠離降水井時影響程度較小，在靠近降水井時影響較大.當基坑不設置止水帷幕時，由工程降水對基坑外側的孔隙水壓力影響程度較大.

3.4.2 地表沉降影響分析

止水帷幕作用下，基坑外側地下水位及孔隙水壓力下降可得到有效控制.而無止水帷幕影響時，基坑外側含水層中地下水與基坑內側存在密切的水力聯系.基坑內外水頭差影響下，坑外大量地下水流向坑內，引起坑外地下水位產生較大幅度變動.由圖9所示降水過后地表沉降曲線可知，有無止水帷幕作用下，坑內待開挖區域內地表沉降程度相近.對比圖10所示土層沉降云圖，基坑降水下，基坑內側土體最大沉降位置位于降水井附近，且距離地表一定深度處.而坑外土體最大沉降區域則位于坑外地表面，遠離基坑側壁一定距離處.

圖9 有無止水帷幕下土體地表沉降狀態

圖10 無止水帷幕作用下土層沉降

考慮止水帷幕作用下，基坑外側地表最大沉降值為1.787 mm，基坑內側地表最大沉降值2.239 mm.而無止水帷幕作用時，基坑外側地表最大沉降值為2.520 mm，基坑內側地表最大沉降值為2.281 mm.兩種不同的降水環境下，基坑外側地表沉降變化幅度可達28.087%，基坑內側地表沉降變化幅度僅為1.841%.當基坑外側土體遠離基坑側壁一定距離時，有止水帷幕作用的情況下，地表沉降受降水沉降影響較小.而無止水帷幕作用時，地表沉降范圍較廣，模型范圍內地表土層均出現程度不一的沉降狀況.可見止水帷幕除了可以較大程度地控制孔隙水壓力以外，還可以避免坑外地表產生過大沉降，以防止基坑降水開挖對周邊環境的不利影響.

3.5 止水帷幕與隔水層相對位置下降水效果分析

在基坑工程降水中，止水帷幕作用較為顯著.降水井工作狀態下，止水帷幕可較大程度地增加地下水滲流路徑，減小滲流場水頭梯度，并有效阻隔基坑兩側水層交流，阻止坑外地下水對坑內的水源補給.在實際基坑工程中，止水帷幕通常可分為圖11中所示插入不透水層的落底式止水帷幕以及未插入不透水層的懸掛式止水帷幕.

圖11 止水帷幕與隔水層相對位置示意

當止水帷幕未插入不透水層式，基坑內外兩側含水層中存在水力聯系，基坑內部降水對坑外滲流場與應力場影響明顯.基坑內部進行降水時，基坑外地下水位也有不同程度的降低.當止水帷幕插入不透水層形成落底式止水帷幕時，可認為基坑內外兩側土層中已無水力聯系，基坑內部降水狀態下，坑外地下水無法越過止水帷幕對基坑內部土體進行水源補給.

3.5.1 孔隙水壓力影響分析

在本項目基坑場地下，因風化巖層滲透系數較小，可視為相對不透水層.為分析止水帷幕和隔水層不同位置下基坑穩定性影響差異，模型保持其余參數不變，僅對止水帷幕深度影響進行分類論述.設定初始狀態下，止水帷幕設置深度為14 m，且已嵌入強風化巖層1 m深度位置處.而止水帷幕未插入風化巖層以下時，設置止水帷幕深度12.5 m，此時止水帷幕底部插入砂礫石層中.兩種不同止水帷幕位置下的模型孔隙水壓力結果如圖12所示.

圖12 止水帷幕與隔水層不同位置下孔隙水壓力分布

對比兩圖中孔隙水壓力分布規律可知，當止水帷幕插入砂礫石層時，基坑內外兩側含水層中地下水水力聯系密切.基坑外側地層中孔隙水壓力降低幅度明顯，其等值線分布在基坑外側，明顯偏離水平方向，且地層中負孔隙水壓力值也略低于落底式支護帷幕，此時止水帷幕隔水效果已產生大幅度下降，基坑坑底位置處孔隙水壓力值依舊較大，未能滿足基坑止水要求.

3.5.2 地表沉降影響分析

當止水帷幕嵌入強風化巖時，基坑內外水力聯系較小，由抽水引起的土體固結沉降主要位于坑內降水井周圍地層中，最大沉降值為2.239 mm.而坑外土體沉降主要受坑外超載作用及支護樁側向變形影響，基坑外側地表沉降影響小于坑內，其最大沉降值為1.787 mm.落底式止水帷幕對基坑外側土體影響范圍相對較小，由圖13所示地表土層沉降位移曲線可知，坑外地表土層主要沉降影響區約為0.8倍的基坑開挖深度，當坑外土體距離基坑側壁約20 m后，地表土體沉降微弱.

圖13 止水帷幕在不同位置下地表沉降差異

結合圖14所示基坑降水后地層總水頭分布可知，當止水帷幕底部位于砂礫石層時，基坑內外水層交流密切，此時坑外含水層中地下水滲流路徑減小，地下水通過滲透性較大的砂礫石層繞過止水帷幕流向坑內降水井.懸掛式止水帷幕下，基坑內外隔水作用極大程度削弱，此時土層中總水頭最大值與最小值雖未發生改變，但基坑內外總水頭分布區域已產生明顯變化，止水帷幕未嵌入強風化巖層時，坑外土體中總水頭明顯低于落底式止水帷幕.