王金龍,張家發(fā),崔皓東,李少龍
(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室,湖北 武漢430010;2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢430010)
南水北調(diào)中線工程陶岔—沙河南段干渠總長約215.8 k m,總干渠工程沿線地層巖性復(fù)雜,存在分布廣泛的膨脹土以及局部地段的承壓水問題.依據(jù)沿線地形地貌,部分渠段基坑需要開挖至地下水水位線以下.為了工程施工安全,在基坑開挖之前,需要根據(jù)工程場地的水文地質(zhì)條件,掌握地下水對工程的影響.當(dāng)?shù)叵滤<盎邮┕ぐ踩珪r,需人工降低地下水位,通過對滲流場的有效調(diào)控,既為基坑提供安全和干燥的施工環(huán)境,又可增加土層的穩(wěn)定性、防止邊坡開裂和崩塌、防止挖方底部的土體隆起或涌水涌砂,從而保證工程順利進行.
基坑降水設(shè)計所依據(jù)的計算公式眾多,一般都具有理想化的假設(shè)條件,而實際地下水問題受補給邊界、地層結(jié)構(gòu)、地層滲透性等因素的影響而復(fù)雜得多[1-3].例如降水設(shè)計中的影響半徑就是一個很難確定的參數(shù)條件.《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程JGJ 120-99》中僅指出降水井影響半徑宜通過試驗或根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗確定.經(jīng)驗計算公式雖然簡便,但受假設(shè)條件的限制,滲流數(shù)值模型則可以針對基坑實際規(guī)模形狀、實際水文地質(zhì)條件、復(fù)雜模型邊界條件等因素進行更接近實際的概化,數(shù)值模擬結(jié)果也可以更加全面準(zhǔn)確的掌握地下水分布規(guī)律,從而為有效調(diào)控基坑滲流場提供依據(jù).
作者選取南水北調(diào)中線工程陶岔—沙河南段干渠工程135+400典型挖方渠段,首先建立開挖完工時的穩(wěn)定滲流模型,運用GMS軟件計算無滲流控制措施條件下基坑的滲流場,分析無降水措施時開挖渠坡的滲流安全狀態(tài),論證降水的必要性.在依據(jù)經(jīng)驗公式進行井點降水初步設(shè)計的基礎(chǔ)上,建立了典型渠段基坑降水三維滲流計算模型,利用GMS軟件通過數(shù)值模擬,對模型邊界距離、含水層厚度及其滲透性等影響因素進行敏感性分析,研究這些因素對基坑降水的影響規(guī)律,并提出施工期降水方案.
135+400典型渠段地表高程140.7 m,表層為10 m厚的微透水性的上更新統(tǒng)黏土,130 m高程以下為中等~強透水性的上第三系(N)砂礫層,為典型的二元結(jié)構(gòu)地層.天然地下水位137.9 m,高于強透水砂礫含水層頂面約8 m,渠坡開挖基坑底部位于上部微透水性黏土層中,基坑底面高于砂礫層頂面約0.85 m,比天然地下水位低約7.1 m.地質(zhì)及開挖完工時的基坑剖面如圖1.該處基坑開挖及運用過程中,承壓含水層不被揭穿,承壓水問題是影響基坑安全和基坑滲流控制方案研究要考慮的重要條件.
圖1 典型斷面開挖剖面圖(單位:m)Fig.1 The cross section of tytical canal(unit:m)
運用國際上通用的地下水模擬系統(tǒng)軟件GMS,建立基坑開挖完工時無降水措施的滲流計算模型.模型中黏土層的滲透系數(shù)為1×10-6c m/s,砂礫層層厚15 m,滲透系數(shù)取為8×10-3c m/s.模型邊界條件為:距渠道中心線100 m處取為上游定水頭邊界,水位為天然地下水位137.9 m;以基坑底面為下游定水頭邊界,基坑內(nèi)水位取為基坑底面高程;渠道開挖邊坡為出逸邊界;基坑中心斷面為對稱隔水邊界;砂礫層底為模型底部隔水邊界.
二維有限元穩(wěn)定滲流計算成果見表1,開挖完工時的滲流場分布如圖2.滲流等勢線在基坑底部的弱透水層中高度集中,是強弱含水層之間滲透性存在顯著差異,以及含水層頂板極薄造成的結(jié)果.
表1 無降水措施滲流計算成果Tab.1 The result of seepage simulation without seepage control measures
圖2 無降水措施時地下水等勢線分布Fig.2 Water head isolines without seepage control measures
無降水措施條件下基坑開挖至130.85 m時,基坑底弱透水性黏土層厚0.85 m,黏土層承受壓力水頭約7 m,抗浮安全系數(shù)小于0.3,在承壓水作用下基坑底不滿足抗浮穩(wěn)定;開挖渠坡坡腳處水平比降達3.2,垂直比降達8.7,在施工期動水壓力作用下,可能引起邊坡坡腳滲透破壞;開挖邊坡自由面高,出逸高度達5.9 m,不利于邊坡的抗滑穩(wěn)定,施工期可能因坡腳部分土體的滲透破壞導(dǎo)致邊坡失穩(wěn).
滲流計算結(jié)果表明,類似135+400渠段基礎(chǔ)中存在承壓含水層,基坑開挖深入地下水位以下,含水層頂板被開挖減薄的基坑,為保障開挖及運用過程中基坑的安全,應(yīng)采取滲流控制措施降低基坑底部承壓含水層水頭.
針對本渠段的地質(zhì)條件,設(shè)計擬采用深井降水.依據(jù)降水設(shè)計經(jīng)驗計算公式,施工期135+400段降水設(shè)計方案為:順渠道水流方向布置兩列降水井,在渠軸線兩側(cè)對稱布置,距渠軸線35.7 m.同一井列相鄰井間距15 m,井深約15 m,濾管直徑0.3 m,長2 m,對應(yīng)高程125.25~127.25 m.
運用GMS中的MODFLOW模塊建立三維滲流計算模型[4-6].距渠道中心線一定距離處取為上游定水頭邊界,水位為天然地下水位137.9 m;模型底部以砂礫層底面為界,取為隔水邊界;降水井按定降深井元素(WELL)賦參,井徑0.3 m,濾管長2 m.
基坑外側(cè)距離降水井57 m處取為天然地下水補給邊界;降水井按定降深井處理,井水位127.25 m,井水位以下2 m為花管段.
針對干渠工程范圍廣,地質(zhì)條件復(fù)雜,缺少完整水文地質(zhì)單元資料和場地抽水試驗資料,因此在基本方案的基礎(chǔ)上,針對地下水補給邊界距離、含水層厚度、含水層滲透性等條件開展敏感性分析,并開展增加降水井列和加深降水井兩種改進條件下的降水效果分析.分析這些因素對降水效果的影響規(guī)律,可以為其它渠段設(shè)計提供參考.
根據(jù)地下水補給邊界距離、含水層厚度、含水層滲透性以及降水井布置條件擬定16個計算方案,見表2.
各方案的計算成果見表3,表列中“距基坑底面高差”項表示基坑中心處地下水水位與基坑底面的距離,正值表示地下水位高于基坑底面,負值表示低于基坑底面.降水設(shè)計以地下水位底于基坑底面0.5 m為控制標(biāo)準(zhǔn).
表2 計算方案Tab.2 The cases of caculation
表3 滲流計算成果Tab.3 The result of caculation
3.4.1 基本方案基坑降水成果
方案1平面(127 m高程)地下水等勢線分布見圖3,沿井列方向降水井所在剖面地下水等勢線分布見圖4,垂直渠軸線方向降水井所在橫剖面基坑地下水等勢線剖面分布見圖5.
沿渠軸線方向降水井間距15 m,從平面地下水等勢線分布(圖3)可以看出,由于在井周形成降落漏斗,在距離井較近范圍內(nèi)地下水等勢線成較密集的環(huán)形分布;總體看兩排降水井形成了近似減壓溝的效果,基坑外側(cè)為補給源,經(jīng)過降水井后,水頭降低,基坑內(nèi)側(cè)水位平緩.
從沿井列滲流等勢線分布(圖4)可以看出,井間最高地下水位為131.7 m,高于井水位約4.3 m,較天然地下水位降落6.3 m.
從垂直渠軸線方向降水井所在剖面基坑地下水等勢線分布(圖5)可以看出,由于降水井沒有揭穿砂礫層,為非完整井,降水井主要降排基坑外側(cè)水平補給和井底下部繞滲的地下水.降水井附近地下水比降較大,靠基坑外側(cè)降落漏斗很陡.
基坑兩側(cè)地下水經(jīng)過降水井后水頭顯著降低,基本方案條件下,單井流量為169.0 m3/d,開挖區(qū)最高地下水位131.7 m,較天然地下水位降6.2 m,仍高于基坑底面0.85 m,該方案不能滿足地下水位低于基坑底面0.5 m的施工期降水要求.
3.4.2 含水層厚度對降水效果的影響分析
基本方案(方案1)中含水層厚度為15 m,方案2~方案5對比計算了砂礫層厚度取為10、20、30和50 m時的基坑降水效果.含水層為不同厚度時,井流量和基坑開挖區(qū)最高地下水位對比見圖6.
圖6 不同含水層厚度的降水效果比較Fig 6 The foundation pit dewatering effect comparison of different aquifer thickness
計算成果表明,當(dāng)井間距為15 m,降水井花管段進入砂礫層4.75 m的降水井布置不變時,隨著砂礫層厚度的增大,經(jīng)過井底部含水層的繞滲水流對井流量和基坑內(nèi)地下水位的降落均有顯著影響.當(dāng)砂礫層層厚從10 m增大至50 m時,單井流量從132 m3/d增大至262 m3/d;基坑內(nèi)最高地下水位從130.7 m升高至134.8 m.
3.4.3 模型邊界位置對降水效果的影響分析
由于沒有明確的地下水系統(tǒng)邊界,方案1、方案6~方案11對邊界距離進行比較,各方案對應(yīng)的基坑降水模型的補給邊界與降水井列距離分別取為57 m(地質(zhì)提出的降水井影響半徑經(jīng)驗值)、100,200,300,500,1 000,2 000 m.各方案井流量和基坑開挖區(qū)最高地下水位對比見圖7.
圖7 不同補給邊界距離對基坑降水效果的比較Fig 7 The foundation pit dewatering effect comparison of different recharge boundary distance
補給邊界不同條件下的計算成果表明,當(dāng)補給邊界與降水井距離從57 m逐步增大至2 000 m時,單井流量從169 m3/d減小到8 m3/d;基坑內(nèi)最高地下水位從131.7 m降低至127.6 m.從補給邊界對基坑降水影響強度和趨勢看,當(dāng)邊界距離降水井越近,邊界距離對基坑降水效果的影響越顯著,當(dāng)邊界距降水井超過500 m后,邊界距離的影響趨于平緩.
地下水補給邊界直接影響基坑降水效果,補給源離基坑或降水井越近,井流量越大,基坑內(nèi)地下水位的降落越困難.這與工程經(jīng)驗上降水井流量先大后小逐步趨于穩(wěn)定的規(guī)律一致.
3.4.4 含水層滲透性對降水效果的影響分析
由于實際地層的滲透性具有不確定性,加之現(xiàn)場試坑滲水試驗、室內(nèi)滲透試驗和鉆孔注水試驗成果有限且差異性非常大,滲流計算中對基坑降水影響較大的承壓含水層進行了參數(shù)敏感性分析,研究承壓含水層滲透系數(shù)對井點降水效果的影響.
方案1、方案12、方案13、方案14中砂礫層滲透系數(shù)分別取為8×10-3,1×10-2,1×10-3,1×10-4c m/s,含水層厚度、邊界位置和降水井布置均相同.對比各方案計算成果可以看出:當(dāng)承壓含水層滲透系數(shù)從1×10-4,1×10-3,8×10-3,1×10-2逐步增大時,基坑滲流場水頭分布變化不大,但是井流量變化顯著,單井流量從2.1 m3/d顯著增加到210.6 m3/d.
3.4.5 增加井列對降水效果的影響分析
在基本方案降水計算的基礎(chǔ)上,針對增加井列的降水方案開展計算分析.增加的井列位于渠軸線處,井間距、井深及控制水位均與兩側(cè)井列相同.
增加井列方案平面地下水等勢線分布見圖8.
圖8 方案15基坑中間加密降水井時地下水分布(z=127 m)Fig.8 Water head isolines of case 15(z=127 m)
原設(shè)計降水方案基坑最高地下水位131.7 m,較開挖基坑底面高0.8 m,不滿足設(shè)計要求.在基坑中間增加降水井列后,加強了對基坑中間繞滲水的降排,兩側(cè)井單井流量從169.0 m3/d減小至142.7 m3/d,渠軸線上降水井的單井流量為97 m3/d;基坑內(nèi)地下水最高水位為130.3 m,較方案1降低1.4 m,并且低于開挖底面0.55 m,基本滿足設(shè)計要求.
3.4.6 井深對降水效果的影響分析
在基本方案降水計算的基礎(chǔ)上,考慮加深兩側(cè)降水井深度,將井底高程從原方案125.25 m加深至123.0 m,井內(nèi)水位從127 m降至125 m.滲流計算結(jié)果表明,兩側(cè)降水井單井流量從169.0 m3/d增大至215.0 m3/d;渠道開挖基坑內(nèi)最高地下水位為130.0 m,較方案1降低1.7 m,并且低于開挖底面0.85 m,滿足設(shè)計要求.由此可見,適當(dāng)加深降水井,降低井內(nèi)水位,可以有效改善降水效果和基坑安全狀況.
對于存在承壓水的基坑工程,當(dāng)基坑開挖面高程低于承壓含水層水位,隨著含水層頂板被開挖減薄,基坑底部和開挖邊坡的地下水分布逐漸集中,易出現(xiàn)土層滲透變形或基底抗浮失穩(wěn),為保障開挖及運行過程中基坑的安全,應(yīng)采取調(diào)控措施降低基坑底部承壓含水層水頭.
通過含水層厚度、模型補給邊界、含水層滲透性、降水井布置條件對基坑降水效果的敏感性分析,可以得出如下規(guī)律.
(1)當(dāng)降水井沒有貫穿含水層,為非完整井時,含水層厚度越大,水流經(jīng)過井底以下含水層進入基坑范圍的繞滲越強,相同降水系統(tǒng)對基坑內(nèi)降水效果越差.
(2)地下水補給條件直接影響基坑降水效果,補給源離基坑或降水井越近,排水量越大,定降深條件下基坑內(nèi)地下水位的降落幅度越小.
(3)含水層滲透系數(shù)對基坑降水的流量影響顯著.
(4)補給邊界、地層結(jié)構(gòu)、地層滲透性等顯著影響基坑降水效果,應(yīng)在充分掌握水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上進行降水方案設(shè)計.
(5)當(dāng)基坑降水難以滿足要求時,可以通過加密降水井布置或者增大井深,降低井水位來改善降水效果.
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