富水砂層懸掛式止水帷幕基坑降水滲流分析

牛磊 杲亞強 孔燕 崔亮

【摘 ? ?要】：為了驗證坑內降水導致基坑外地下水位下降量與止水帷幕設置深度的關系，利用ModFlow三維滲流軟件，計算出不同止水帷幕深度條件下基坑外側水頭降深值。結果顯示，隨著止水帷幕深度的增加，坑內降水對坑外的影響減小，前期增長顯著，待止水帷幕長度增加到一定值后，繼續增加止水帷幕長度對于減小坑外水位下降幅度貢獻不大，但工程造價顯著增加。

【關鍵詞】：懸掛式；止水帷幕；河漫灘地區；富水砂層；基坑降水；滲流

【中圖分類號】：TU753【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）02-52-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.013

Analysis about Seepage in Foundation Pit Dewatering of Pensile Curtain in Water-Rich Sand Area

NIU Lei1，GAO Yaqiang1，KONG Yan2，CUI Liang1

（1. Shanghai Changkai Geotechnical Engineering Co. Ltd.， Shanghai 200093，China;

2. China Railway 11th Bureau Group Urban Rail Engineering Co. Ltd.， Wuhan 430074，China）

【Abstract】：In order to verify the relation between groundwater level drop outside excavation caused by precipitation and pensile curtain setting depth， this paper uses ModFlow， a three-dimensional seepage software， to ?calculate drawdown of water head outside excavation under different pensile curtain depths.The results show that： with the increase in the depth of the curtain， the effect of precipitation on the pit is reduced， and pre-growth is significant. When the length of the water curtain is increased to a certain value， the continued increase in the length of the water curtain has little effect on reducing the decline in the water level outside the pit， but the project cost is significantly increased.

【Key words】：pensile; curtain; floodplain area; water-rich sand area; foundation pit dewatering; seepage

近年來，隨著城市軌道交通的發展，哈爾濱地鐵建設速度快、規模大，按一條新線30站的規模估算，50%的站位位于松花江河漫灘地區。哈爾濱松花江漫灘地層主要特點為含水層透水性較強，地下水與松花江存在較強的水力聯系，松花江側向徑流補給和地表水下滲補給為主要補給來源。深基坑開挖降水難度和風險較大?，F階段，哈爾濱地區基坑止水帷幕多進入泥巖，理論上將上部承壓含水層隔斷；但是以犧牲工程造價、施工周期和地下生態環境為代價的。在確保安全的前提下，懸掛式止水帷幕的應用能夠大大降低工程造價，縮短工期，避免了資源的浪費及對松花江漫灘地區地下水生態環境的破壞[1]。本文依托哈爾濱軌道交通3號線體育公園站，利用ModFlow三維滲流軟件，研究不同深度止水帷幕基坑降水對周邊環境的影響。

1 工程概況

哈爾濱軌道交通3號線體育公園站總長482.0 m，標準段寬19.7 m，深度約17.5～20.45 m。周邊建筑物距離基坑距離均在2倍基坑深度范圍以外。見表1。

根據區域地質資料及勘察情況，本工程所處地貌單元屬松花江低漫灘，涉及地下水主要有潛水和孔隙承壓水兩種。

1）潛水。主要賦存于第四系全新統砂層中，地層富水性好，透水性強，與松花江及何家溝水力聯系密切，含水層總厚度20～30 m，受松花江側向徑流補給與何家溝地表水下滲補給為主要補給來源，排泄方式主要為蒸發及人工開采，地下水水位年變幅2～3 m。

2）孔隙承壓水。本場地第一層承壓水主要賦存于2-4層砂層中，含水層頂板為2-4-1層粉質黏土，底板為7-1層粉質黏土，由于2-4-1層局部缺失，承壓水與上部潛水連通，承壓水水頭高與潛水面一致。第二層承壓水主要賦存于第四系下更新統東深井組冰水堆積層砂層中，含水層頂板為7-1層黏性土層，底板為白堊系下統粉砂質泥巖，含水層厚度約9～15 m，因7-1層黏土層局部缺失，該含水層水無穩定隔水層，局部與上部潛水層聯通，具微承壓性。勘察期間承壓水水頭高程在110.0 m左右，承壓水水頭高約30 m。該含水層透水性強，富水量大，主要接受側向徑流補給，以側向徑流排泄為主。

結合地層情況，進行了現場專項水文地質抽水試驗，獲取了各含水層以及弱透水層的水文地質參數。見表2。

2 止水帷幕方案

結合基坑開挖深度，受力計算地下連續墻最小深度為32 m，因此本次模擬計算最小計算深度為32 m，按照哈爾濱以往的設計經驗，地下連續墻需要設置47 m，墻底需要進入下部的8-1層泥巖隔水層。

基坑開挖至基底位于第一層2-4層中粗砂層，局部進入2-4-1層粉質黏土層中，第二層2-4層中粗砂層為承壓含水層，其初始水位埋深5 m，基底抗突涌安全系數Fs最小值為0.09，基坑開挖至基底最大水位降深15.5 m，水頭降深非常大，降水量和降水風險極大。考慮第二層2-4層中粗砂層底埋深24.9～33 m，地下連續墻受力計算最小深度為32 m，大部分區域已經將第二層2-4層中粗砂層隔斷。7-2層承壓含水層抗突涌安全系數計算結果顯示Fs介于0.748～1.98，左右線共計37個鉆孔，其中Fs超過1.1的有7個孔，介于1.0～1.1之間的有15個孔，介于0.9～1.0之間的有11個孔，低于0.9的只有4個孔。Fs對應最小值位置，基坑開挖至基底時安全水位埋深11.92 m，最大水位降深7.8 m。

結合本工程地下水風險分析，針對7-2層地下連續墻采用懸掛式，結合地層情況初步確定深度為37 m。

3 計算模型

3.1 網格剖分邊界條件

將整個研究區域四周的水平側向邊界按第一類邊界條件的定水頭邊界處理，垂向上部邊界取至地面，下部邊界取至8-1層泥巖頂板下4 m（埋深 49.0 m）[2]。

垂向從上向下土層總共分成 7層，地表埋深取0 m，深度49 m范圍土層分層情況見表3。

整個剖分區域呈長方形，根據場地實際水文地質結構特征，遵循邊緣單元稀、基坑中心單元密的原則，將整個計算區域在平面上剖分成358×420 的矩形網格單元。見表4。

3.2 止水帷幕

止水帷幕設置0、32、37、47 m 4個不同深度，進行地下水滲流計算，評估基坑不同深度止水帷幕條件下坑內降水對坑外地下水影響情況[3]。

3.3 降水井

降水井數量根據不同止水帷幕情況下基坑涌水量并結合單井涌水量進行計算。降水井深度按照進入基底下6 m左右設置，均為26 m。不同深度的止水帷幕，降水井的數量均為44口，單井出水量設置不同。

3.4 模擬結果

不同止水帷幕條件下降水結果見表5。

不同止水帷幕深度下，降水運行60 d后，分別在坑內選取點位，坑外選取止水帷幕外2 m的位置點位進行計算數據分析。見圖1。

0 m止水帷幕和32 m止水帷幕均未隔斷含水層。0 m止水帷幕，運行60 d后，坑內水位降深僅有4.5 m；32 m止水帷幕，運行60 d后，坑內水位降深僅9 m，這兩種情況均未達到基坑開挖水位降深要求，由于坑外大量水平線的補給及越流補給，坑內降水對坑外的影響比較大。

37 m止水帷幕和47 m止水帷幕均隔斷上部潛水含水層。止水帷幕37 m深，運行7 d水位降深達到安全開挖要求；止水帷幕47 m深，運行7 d水位降深達到安全開挖要求，同時通過滲流路徑圖可以看出，坑內抽水，坑外繞流路徑比較深，坑外水位降深較小。

4 結論

隨著基坑止水帷幕深度增加，坑外水位降深減小?；又顾∧簧?7 m隔斷2-3層、2-4層，坑外水位降幅較32 m深止水帷幕時大幅度減小，降水引起的坑外土體沉降大幅度減??；基坑止水帷幕深47 m時將2-3層、2-4層和下7-2層全部隔斷，基坑降水運行后坑外水位較37 m止水帷幕條件下，略有減小。綜合以上對比綜合分析，最終建議基坑懸掛式止水帷幕深度選取37 m。

群井抽水時的止水帷幕對滲流場造成的影響不可忽略。當帶有止水帷幕的圍護結構插入承壓含水層較深時，坑內降水效果明顯好于坑外降水。對于坑內降水，減壓井過濾器底端深度須小于止水帷幕底端深度，如果降水井過濾器底端的深度超過止水帷幕底端的深度，伸入承壓含水層下部，則抽出的大量地下水來自于止水帷幕以下的水平徑向流，不但使基坑外側承壓含水層的水位降深增大，降水引起的地面變形也增大，失去了坑內減壓降水的意義。故一般工程中，當止水帷幕部分插入減壓降水承壓含水層中，坑內減壓降水必須合理設置減壓井過濾器的位置，充分利用止水帷幕的擋水（屏蔽）功效，以較小的抽水流量，使基坑范圍內的承壓水水頭降低到設計標高以下，盡量減小坑外的水頭降深，以減少因降水而引起的地面變形。

參考文獻：

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