抽水示蹤法探測地下連續墻滲漏的試驗及數值模擬研究

牛若歆，董海洲，2，*

(1.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210024；2.河海大學巖土工程研究所，江蘇 南京 210024)

0 引言

在城市建設快速發展的進程中，城市軌道交通基坑工程呈現“大”、“深”、“緊”、“近”等特點。受城市周邊環境和施工場地土層條件的復雜性以及施工質量等因素的影響，因地下水滲流引起的支護結構滲透變形、基坑突涌以及鄰近建筑物沉降等事故頻發，嚴重危及基坑的安全施工[1-3]。周紅波等[4]總結了52例城市軌道交通車站基坑事故，分析指出“滲流破壞、支撐失穩、坑內滑坡”為3類最常見的事故，其中“滲流破壞”事故占比高達62%。地下連續墻作為廣泛采用的防滲支護結構常出現滲漏現象，進而可能引發嚴重的滲水事故。Ni等[5]通過地下水水壓變化研究分析了臺北及高雄地鐵車站發生的4起大規模漏水事件，發現事故主要的滲漏部位為相鄰墻幅接縫處及墻身混凝土缺陷或薄弱位置。

因此，地下連續墻滲漏檢測工作意義重大。傳統的地下連續墻質量檢測方法包括鉆孔取芯法、靜載試驗及聲波透射法等[6]。但鉆孔取芯法檢測周期長，且會破壞混凝土結構；靜載試驗成本高，無法連續檢測；聲波透射法則需提前預埋聲測管。近年來，學者們研究提出了各式地下連續墻檢測新方法，如聲吶法[7]、微測電法[8]、超高密度電阻率法[9]、分布式光纖測溫技術[10-11]、光纖布拉格光柵傳感技術[12]、跨孔聲波測井法[13]、溫度示蹤法[14]以及彈性波法[15]等，以滿足現代工程高精度的要求。但上述方法均屬于物探方法，通過測量間接參數對地下連續墻滲漏位置進行研判，無法直接判定滲漏位置，且其判斷結果在一定程度上依賴于直接或間接經驗，精準度難以保障。

本文在抽水試驗及示蹤法的基礎上，提出地下連續墻滲漏抽水示蹤聯合探測方法，采用溫度、電導等天然示蹤結合地下水流速人工示蹤測定技術，通過對非抽水天然狀態和抽水條件下各參數的綜合分析，確定地下連續墻滲漏缺陷的具體位置。同時，依據現場資料建立基坑二維有限元模型，模擬得出不同滲漏條件下觀測孔流速的變化規律，并與現場實測結果進行對比驗證。

1 工程概況

蘇州市軌道交通8號線工程土建施工項目(第2批)位于蘇州市相城區和姑蘇區，共計2站4區間，線路總長3.77 km。車站為地下2層島式車站，基坑圍護結構采用深度30 m、厚度0.8 m的地下連續墻，接縫形式采用工字鋼接頭。在施工過程中，編號為WQ1-36的1幅墻體存在水下混凝土澆筑欠方現象，有可能造成地下水滲漏隱患，故需要查明該幅墻體的滲漏情況，以便在基坑開挖前進行防滲處理。

施工現場周邊環境條件較為復雜，場地地層由上至下為雜填土①1、黏土③1、粉質黏土③2、黏質粉土③3、粉砂④2、粉質黏土⑤1、黏土⑥1、粉質黏土⑥2、黏質粉土⑥t、粉質黏土⑥2、粉質黏土⑦1、黏質粉土夾粉質黏土⑦2及粉質黏土⑦3。各土層工程特性見表1。場地地下水主要為潛水含水層、淺部④2層微承壓含水層以及中部⑥t層、深部⑦2層中的承壓含水層。

表1 土層工程特性表

2 現場試驗及分析

2.1 滲漏探測過程

本次探測采用鉆孔抽水試驗結合天然示蹤及單孔稀釋法測定地下水水平流速的綜合探測方法。具體探測過程：鉆孔完成后，首先對非抽水條件下各鉆孔的整孔天然溫度、電導率進行探測和天然示蹤分析，并在鉆孔中進行人工示蹤流速測試；隨后進行單孔抽水試驗，抽水試驗期間觀測各鉆孔的水位變化，并再次對所有觀測孔進行1次流速探測；最后綜合對比分析觀測孔水位、天然示蹤數據以及2次流速探測結果，并以此判斷地下連續墻的滲漏情況，了解場地地下水滲流和運動規律，確定地層滲透性分布狀況。

試驗歷經2021年1月及2021年3月2個階段，共布設5個鉆孔，包括4個觀測孔(孔1、孔2、孔3、孔4)和1個抽水孔，鉆孔布設情況及尺寸見圖1。其中，觀測孔均布設在基坑外，孔1、孔2及孔3的中心連線與地下連續墻邊線平行，孔2及孔4中心對應該幅地下連續墻中心。

(a)鉆孔平面布置

2.2 滲漏探測結果分析

2.2.1 抽水試驗分析

抽水試驗第1階段開始于2021年1月26日T 9:44:55，1月29日停泵，歷時4 780 min；抽水試驗第2階段于2021年3月13日T 10:16:01開始，3月16日停泵，總歷時4 339 min。

抽水試驗第1階段首日的各觀測孔水位變化情況見圖2(a)。從觀測結果可以看出：觀測孔和抽水孔雖分別位于地下連續墻的兩側，但在抽水試驗期間所有觀測孔水位均受到抽水影響而下降，且其水位在抽水開始后立即產生變化，說明其對基坑內抽水響應迅速，亦說明觀測孔與抽水孔之間存在較強的水力聯系，表明可能存在地下水直接穿過地下連續墻的滲漏通道。圖中的局部水位波動是由于示蹤探測儀器放入鉆孔造成的，如14:24及16:48附近的水位波動。

抽水試驗第2階段首日的各觀測孔水位變化情況見圖2(b)。由圖可知，同抽水試驗第1階段相同，各觀測孔水位在抽水開始后隨即響應，說明觀測孔與抽水孔之間存在較強的水力聯系。圖中的局部水位波動亦是由于示蹤探測儀器造成的。

(a)抽水試驗第1階段(2021年1月26日)

2.2.2 天然示蹤分析

本文采用的天然示蹤方法包括溫度示蹤和電導率示蹤，通過分析溫度和電導率沿鉆孔深度的變化規律，并根據兩者的異常分布定性判斷是否存在地下水滲漏以及滲漏的位置和深度。

2個階段試驗各觀測孔天然溫度分布曲線如圖3所示。所有觀測孔在2個試驗階段的溫度-高程分布曲線變化趨勢相似，即隨著高程的變化，其溫度先逐漸上升后趨于平穩。根據一般地層溫度變化規律可知，隨著深度的增加，鉆孔內地下水溫度應逐漸升高；而各觀測孔地下水溫度在-5 m高程以下逐漸趨于平穩，且溫度較峰值低，這并不符合地層溫度分布的一般規律，表明存在較強的地下水側向活動。其中，孔1在1月及3月的溫度-高程曲線在高程-6 m附近出現溫度異常；而孔2、孔3及孔4在2個試驗階段的溫度分布曲線均在高程-7 m附近出現異常。因此推測各觀測孔溫度在這些深度附近受到了地下水滲漏的影響。

(a)孔1

與溫度示蹤的原理相似，電導率示蹤也是利用其曲線分布的異常來判斷地下水的滲流。圖4示出了抽水試驗2個階段各觀測孔天然電導率分布曲線。總體上，各觀測孔在2個試驗階段的天然電導率分布大致呈現相同的變化趨勢，即1月的整孔電導率分布較為平穩，3月的整孔電導率隨高程的變化先保持平穩后逐漸上升?？?淺層高程-2 m以上電導率較低，推測其并未受地下水滲流的影響，而是由于地表雨水流入造成的。值得注意的是，在3月人工示蹤探測投放示蹤劑之前的天然狀態下，各觀測孔底部的電導率均較高，推測是1月示蹤試驗殘留的鹽分，這說明鉆孔底部地下水滲流較弱。

(a)孔1

2.2.3 人工示蹤分析

本次鉆孔地下水滲透流速測試選用飽和氯化鈉溶液作為示蹤劑。根據測量各觀測孔中地下水的電導率獲得示蹤劑稀釋曲線，并計算流速。

(1)

式中：Vf為達西滲透速度；r為濾水管內半徑；α為流場畸變校正系數；t為測量時間差；n0為t=0時的電導率；n為t時刻的電導率。

圖5示出了1月各觀測孔抽水前后的流速對比。由圖可知：1)孔1、孔2及孔4抽水前流速分布均呈“峰”狀，且以孔1的峰值流速最高為0.008 m/d；2)抽水后孔1、孔2及孔4的流速分布規律不變，且均出現不同程度的增幅，其中，孔1在高程-4～-7 m段增幅最大，孔2在-5～-10 m增幅最大，孔4在-6～-10 m增幅最為明顯，說明高程-6 m附近存在較強的地下水滲流，推斷地下連續墻滲漏缺陷位于該處的可能性較大；3)孔3整孔流速分布無明顯“峰”狀特征，抽水后流速雖略有升高，但整體上流速較緩，表明孔3所處位置地下水滲流并不明顯，其距離地下連續墻滲漏缺陷位置較遠。

(a)孔1

圖6示出了3月各觀測孔抽水前后的流速對比。整體上，各觀測孔在3月的流速分布與1月呈現大致相同的規律。其中，孔1、孔2及孔4的流速分布仍呈“峰”狀，且峰值流速較大；抽水后，孔1流速增幅以-4～-10 m段最為明顯，孔2則在-6～-10 m段增幅最大，表明此處地下水滲流較強；由于抽水期間孔4的現場測量數據較少，其抽水后流速較抽水前小但相差不大，故未在圖中畫出。經觀察孔4抽水后流速同抽水前流速處于同一量級且變化較小，推斷其所處位置地下水滲流相對較弱；孔3抽水前后流速分布仍無明顯“峰”狀特征，且流速值較小，抽水后流速增幅較小，亦說明地下水滲流較弱。

(a)孔1

綜合2個試驗階段各觀測孔的流速探測結果可知，各觀測孔流速在抽水前后均發生了變化，以高程-4～-7 m段流速增幅最大，且孔1的流速增幅最為明顯，孔2流速增幅次之。結合溫度示蹤探測結果，推測孔1及孔2孔所處位置均受到較強的地下水滲流影響，判斷地下連續墻滲漏位置在孔1及孔2之間，且可能的滲漏位置位于高程-6 m附近。

3 數值模擬及分析

3.1 數值模擬軟件

Geostudio有限元軟件是常見的巖土數值分析軟件，主要包含8個分析模塊。根據不同模塊的功能特點并結合實際工程，選取SEEP/W(滲流分析)模塊對地下連續墻滲漏進行模擬分析。

SEEP/W模塊主要用于多孔介質滲流問題，其基于達西定律對滲流問題進行分析。除飽和滲流問題外，該模塊還可對飽和-不飽和時變問題進行分析。

3.2 模型建立

為進一步驗證示蹤方法的探測結果，根據基坑圍護結構的相關設計資料，建立基坑二維有限元模型，對抽水試驗第2階段條件下不同地下連續墻滲漏情況的滲流狀態進行模擬，分析不同工況下基坑外側觀測井的流速分布情況，并與現場實測結果進行對比。

現場試驗結果顯示，地下連續墻可能滲漏的位置在孔1與孔2之間，考慮到二維模型的局限性，本次模擬將滲漏缺陷設于地下連續墻中線位置，重點模擬不同滲漏高程下孔2及孔4的流速變化規律。

所建模型以地下連續墻內側邊緣與地表面的交點為坐標原點，水平向右為x正方向，豎直向上為y正方向，模型整體尺寸為50.8 m×52.0 m，以地下連續墻內邊緣為標準向x正方向延伸20 m，以地下連續墻外邊緣為標準向x負方向延伸30 m，模型斷面及其有限元計算網絡見圖7。地下連續墻厚度、深度，觀測井內徑、深度以及布設部位依據現場試驗數據設置。

圖7 數值模型二維斷面與有限元計算網格

依據相關設計資料確定不同地層滲透系數，具體數值見表1。地下連續墻滲透系數設為1.0×10-20cm/s，以高度為0.5 m的透水材料模擬滲漏缺陷，其滲透系數為10 cm/s。

整個模型僅施加水位邊界條件和降水邊界條件，通過在抽水孔抽水部位設置水位邊界條件模擬降水，在基坑內部開挖面設置排水邊界條件。

3.3 模擬工況設置及模擬結果分析

本次模擬通過改變滲漏缺陷位置，即透水材料的埋深，模擬地下連續墻不同部位滲漏時的地下水滲流情況。本次地下連續墻滲漏模擬共設置7種不同的地下連續墻滲漏工況，詳見表2。

表2 滲漏模擬工況

3.3.1 模擬結果分析

圖8為觀測孔2及觀測孔4在工況1—6情況下的流速對比圖。由圖可知，在相同滲漏工況條件下，孔2及孔4的流速分布呈現相同的分布規律。其中，除工況2呈現明顯的“多峰”狀分布外，其余工況條件下觀測孔的流速分布均呈“單峰”狀，分析工況2出現“多峰”的原因在于：該工況滲漏位置處于黏土層，地層滲透系數較相鄰地層??；當該位置發生滲漏時，其流速與相鄰地層流速差異不大，甚至低于相鄰地層的流速。

(a)工況1(高程1.2～0.7 m段滲漏)

隨著地下連續墻滲漏位置埋深的增加，觀測孔流速峰值所處高程呈現下降趨勢，不同滲漏工況條件下觀測孔的流速峰值均不相同。整體上，工況5的流速峰值最大，為0.117 42 m/d；工況2為最小，為0.000 58 m/d，而其峰值流速產生差異的原因與地下連續墻滲漏位置所處地層滲透系數有關。

由圖8還可看出，距地下連續墻不同距離的觀測孔地下水流速分布雖呈現類似規律，但是隨著觀測孔距地下連續墻距離的增加，其流速峰值有所下降，即觀測孔距地下連續墻的距離也是影響其流速大小的重要因素之一。

3.3.2 模擬與實測結果對比分析

將不同滲漏工況條件下孔2及孔4的流速結果與現場實測結果進行對比發現，在工況1與工況2情況下模擬及實測流速相差較大，而在工況3至工況6情況下模擬流速與實測流速均呈現“峰”狀。為進一步對比模擬及實測結果，對模型在由實測結果所得地下連續墻可能滲漏深度位置設置滲漏缺陷(即工況7)，其中觀測孔2的實測流速與模擬流速對比見圖9。

(a)實測值

綜合分析模擬流速可以發現：工況5、6、7與實測流速的分布規律類似。為更精準地對比實測流速與模擬流速的差異，分別計算了3種工況下模擬流速與實測流速的均方誤差，分別為1.63×10-3、1.86×10-3及1.18×10-3，得出工況7與現場實際情況最為符合。由圖9可知，孔2在工況7條件下的模擬流速與實測流速分布規律相近，故可推測地下連續墻滲漏缺陷位置應在高程-6 m附近，表明模擬結果與現場抽水示蹤聯合探測方法推斷結果一致，驗證了該方法用于地下連續墻滲漏探測的適用性和準確性。

4 結論與討論

1)由抽水試驗觀測孔水位監測數據可知，各觀測孔水位對抽水孔抽水響應迅速，表明基坑內外存在較強的水力聯系，判斷地下連續墻墻身存在滲漏通道。

2)各觀測孔溫度在高程-5 m以下趨于平緩，不符合地層溫度分布的一般規律，推測此處地下水滲流較強；抽水后各觀測孔流速均有增高，其中孔1及孔2的增幅較大，推測地下連續墻滲漏缺陷位于孔1與孔2之間，且可能的滲漏位置位于高程-6 m附近。

3)若地下連續墻滲漏位置的埋深增加，模擬流速峰值逐漸下降，且以埋深10～10.5 m(高程-6.8～-7.3 m)為最大。對比模擬結果與實測結果發現，滲漏位置在埋深9～9.5 m(高程-5.8～-6.3 m)時的模擬流速與實測流速分布情況更為接近，推測地下連續墻的可能滲漏位置在-6 m高程處，與現場試驗所得結論相同，亦驗證了抽水示蹤聯合探測方法的可行性。

4)模擬流速峰值與滲漏位置所處地層的滲透特性有關。當地下連續墻滲漏處于土層滲透系數較大的位置時，其峰值流速與滲漏位置有明顯的對應關系；而當其滲漏位置處于滲透性較弱的地層時，其對應關系則不明顯。單從模擬流速峰值難以確定滲漏位置，建議將實測流速與模擬流速變化規律進行綜合對比分析，以便更精準地判定地下連續墻的滲漏位置。