卡塔爾多哈新港挖入式港池基坑滲流數(shù)值模擬計(jì)算

張培，姚斌

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

卡塔爾多哈新港挖入式港池基坑滲流數(shù)值模擬計(jì)算

張培，姚斌

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

基于中東濱海地區(qū)多哈新港項(xiàng)目，通過有限元數(shù)值模擬，研究基坑滲流量與基坑深度、基坑距防滲墻距離以及防滲墻入土深度之間關(guān)系，得出以下結(jié)論：隨著基坑開挖深度的增加，滲流量逐漸增大，海側(cè)、陸側(cè)滲流量逐漸趨于相同；隨著基坑距防滲墻距離的增加，滲流量逐漸減小，但減小幅度逐漸減緩，存在一個(gè)約為200m的“最佳距離”；防滲墻入土深度的增加可有效的減小基坑滲流量，但隨著防滲墻入土深度的加大，對(duì)減小基坑滲流量效果愈發(fā)不明顯，存在一個(gè)約為9m的“最佳深度”。

基坑；滲流；有限元數(shù)值模擬；浸潤線；滲流量

0 引言

近年來，挖入式港池作為港口平面布置的一種常用布置形式，在我國內(nèi)河港口建設(shè)中正逐漸被采用，常見于江蘇、湖南兩省。相對(duì)國內(nèi)而言，挖入式港口平面布置形式在國外應(yīng)用較為廣泛。斯里蘭卡漢班托塔海港[1]以及卡塔爾的多哈新港[2]均采用內(nèi)挖式港口。前者通過土石圍堰提供陸域港口施工條件，后者通過設(shè)置防滲墻提供陸域港口施工條件。相對(duì)水下施工，陸域港口施工更加節(jié)約成本、能夠有效地縮短工期并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)工程質(zhì)量。

卡塔爾是一個(gè)正在快速發(fā)展、起點(diǎn)高、與國際化標(biāo)準(zhǔn)接軌環(huán)保要求嚴(yán)的準(zhǔn)高端建筑市場(chǎng)。根據(jù)卡塔爾多哈新港工程施工方案，港池、碼頭基槽及內(nèi)防波堤基槽基礎(chǔ)約400萬m2，且均采用干施工開挖。然而，現(xiàn)場(chǎng)地下水位較高，砂層、石灰?guī)r雙層強(qiáng)透水層中地下水均與海水聯(lián)系密切。因此，為滿足深基坑干施工條件，減小基坑滲流成為工程順利開展的關(guān)鍵因素之一。本文在已有研究的基礎(chǔ)上[3]，通過有限元數(shù)值模擬，就如何有效減小基坑滲流量展開研究。

1 有限元數(shù)值模擬

1.1 工程概況

多哈新港項(xiàng)目為大型內(nèi)挖式港口，碼頭岸線長達(dá)7 845 m，另有2.76 km的防波堤，約6 500萬m3的土石方開挖。碼頭結(jié)構(gòu)形式為重力式方塊碼頭，最大挖深為-19.7 m，港池底標(biāo)高為-17 m。根據(jù)施工方案，港池、碼頭基槽及內(nèi)防波堤基槽基礎(chǔ)約400萬m2均采用干施工開挖。多哈港區(qū)平面布置如圖1所示。

圖1 多哈港平面布置圖Fig.1 Layout of Doha Port

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程區(qū)域?yàn)榈湫偷闹袞|地區(qū)濱海地貌，場(chǎng)區(qū)地勢(shì)平緩，地表高程為2.0 m，開挖港池距海岸線1 km左右。區(qū)域地質(zhì)分布均勻，自上而下分別為砂層、膠結(jié)砂層、強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r及石灰?guī)r，具體土層厚度以及土層參數(shù)見表1。

表1 土層地質(zhì)參數(shù)Tab le1 Geologicalparameter ofsoil layer

1.3 有限元模型

根據(jù)實(shí)際工程情況，由圖1可知，基坑左上部為海域，右下為陸域，在有限元數(shù)值模擬中海側(cè)、陸側(cè)主要通過地下水位來反映，因此，本文采用的有限元模型為二維軸對(duì)稱形式，只需改變地下水位參數(shù)，即可分別研究基坑海側(cè)、陸側(cè)地下水滲流量，而整個(gè)基坑的滲流量為海測(cè)、陸側(cè)滲流量之和。圖2為基坑簡化模型，基坑由兩級(jí)邊坡組成，第一級(jí)邊坡坡度1∶3，坡寬18 m，兩級(jí)邊坡中間設(shè)寬5m的平臺(tái)，第二級(jí)邊坡坡度為1∶0.5，坡寬由基坑深度控制，基坑底寬50 m，軸對(duì)稱取25 m；防滲墻為寬0.4 m的不透水墻體；坑底以下取2倍坑深作為計(jì)算深度。

圖2 基坑簡化模型Fig.2 Sim p lifiedm odelof foundation p it

對(duì)于模型的邊界條件，區(qū)域的所有邊界都約束X和Y兩個(gè)方向的位移，不考慮土體與水的壓縮變形對(duì)于基坑滲流的影響。海側(cè)、陸側(cè)模擬計(jì)算中，地下水位均平行于AB，其中海側(cè)地下水位取高程0 m位置。陸側(cè)地下水位根據(jù)實(shí)際排水井測(cè)量水位取值為-3m，由于AC距離防滲墻50m，其距基坑較遠(yuǎn)，受基坑降水的影響不大，在此位置設(shè)置沿高程線性變化的孔壓以滿足固定水頭條件，具體參照文獻(xiàn)[9]；基坑底部和坡面均設(shè)為可排水邊界。

1.4 計(jì)算方案

本文主要研究基坑深度H、基坑距防滲墻距離L以及防滲墻入土深度h對(duì)基坑浸潤線位置以及滲流量的影響。設(shè)計(jì)基坑深度H分別為14 m、16 m、18 m、20 m，基坑距防滲墻距離L分別為0 m、200 m、400 m、800 m，防滲墻入土深度h分別為0 m、4 m、8 m、12 m。具體數(shù)值模擬方案見表2。

2 計(jì)算結(jié)果分析

參照表2中基坑深度H、基坑距防滲墻距離L以及防滲墻入土深度h建模，計(jì)算各試驗(yàn)組海側(cè)、陸側(cè)二維基坑單寬滲流量。記入表3中，以A1組為例，給出基坑浸潤曲線，如圖3所示，由圖3可知，當(dāng)防滲墻入土一定深度時(shí)，其對(duì)于降低水頭效果是非常明顯的，在防滲墻左右兩側(cè)存在一定的水頭差，從而可以有效的減少基坑開挖滲流量。

表2 數(shù)值模擬方案Tab le2 Numerical sim ulation scheme m

表3 各試驗(yàn)組海側(cè)、陸側(cè)滲流量Tab le 3 The seaside and landside seepage flow ofeach experimentalgroup

圖3基坑浸潤線Fig.3 Infiltration linesof foundation pit

2.1 基坑開挖深度對(duì)滲流的影響

本文中設(shè)計(jì)試驗(yàn)組A1～A4研究基坑深度與滲流量的影響。由表3可知，無論海側(cè)與陸側(cè)，隨著基坑深度的增加，基坑滲流量均加大。

由圖4可知，在基坑開挖深度小于18 m時(shí)，海側(cè)的滲流量明顯大于陸側(cè)，這主要是因?yàn)楹?cè)地下水位高于陸側(cè)；隨著基坑開挖深度的繼續(xù)加大，浸潤線與基坑邊坡交界點(diǎn)的位置提高，防滲墻不能在有效的浸潤線與基坑邊坡交界點(diǎn)的較低位置，從而導(dǎo)致無論海側(cè)還是陸側(cè)，基坑滲流量相差不大。

圖4 滲流量與基坑開挖深度的關(guān)系曲線Fig.4 Relation cu rve of the seepage flow and the foundation pitexcavation dep th

2.2 基坑距防滲墻距離對(duì)基坑滲流的影響

防滲墻的作用在于降低浸潤線與基坑開挖邊坡的交界點(diǎn)位置，從而減小基坑滲流量。根據(jù)圖3，當(dāng)防滲墻深度一定時(shí)，基坑距防滲墻距離的增加，可以有效的降低基坑邊坡與浸潤線交界點(diǎn)的位置，從而減少基坑滲流量。

本文設(shè)計(jì)試驗(yàn)組B1～B4研究基坑距防滲墻距離對(duì)滲流量的影響，由圖5可知，隨著基坑距防滲墻距離的增加，無論海側(cè)、陸側(cè)基坑滲流量均可得到有效的減小，當(dāng)距離增加到一定程度時(shí)，距離對(duì)于基坑滲流量的影響逐漸減小。也就是說，防滲墻對(duì)于降低浸潤線在防滲墻周圍一定范圍內(nèi)是有效的，存在一個(gè)“最佳距離”，圖5中“最佳距離”為200 m。

2.3 防滲墻入土深度對(duì)基坑滲流的影響

圖5 滲流量與防滲墻距基坑距離的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve of the seepage flow and the distance between diaphragm walland foundation pit

防滲墻入土深度的增加可以有效的減小滲透量，這在土石壩中已有研究[4]。本文中設(shè)計(jì)試驗(yàn)組C1～C4研究防滲墻深度對(duì)于基坑滲流量的影響，由表2可知，無論海側(cè)還是陸側(cè)，隨著防滲墻深度的增加，基坑滲流量均呈減小的趨勢(shì)。由圖3可發(fā)現(xiàn)，滲流通過墻體后水頭損失較大，浸潤線在防滲墻處產(chǎn)生較大的跌落，墻后浸潤線得到降低，滲流量和滲透比降均有顯著的減小，從而達(dá)到降低基坑滲流量的效果。

從圖6可知，海側(cè)滲流量明顯大于陸側(cè)滲流量，對(duì)海側(cè)滲流量、陸側(cè)滲流量以及總滲流量而言，其隨著防滲墻深度的增加滲流量均發(fā)生遞減，當(dāng)防滲墻深度增加到9m左右時(shí)，隨著防滲墻深度的繼續(xù)增加，滲流量基本保持不變，這一特點(diǎn)在總滲流量曲線中尤為明顯，即防滲墻入土深度亦存在“最佳深度”，圖6中“最佳深度”為9 m左右。

圖6 滲流量與防滲墻深度的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve of the seepage flow and the diaphragm walldepth

3 結(jié)語

本文以實(shí)際工程為研究對(duì)象，通過有限元數(shù)值模擬，分析研究基坑滲流量與基坑深度、基坑距防滲墻距離以及防滲墻入土深度的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

1）隨著基坑開挖深度的增加，滲流量逐漸增大，且海側(cè)、陸側(cè)滲流量逐漸趨于相同；

2）隨著基坑距防滲墻距離的增加，滲流量逐漸減小，但減小幅度逐漸減緩，存在“最佳距離”，且為200m；

3）防滲墻入土深度可有效的減小基坑滲流量，但隨著防滲墻入土深度的加大，對(duì)減小基坑滲流量效果愈發(fā)不明顯，存在“最佳深度”，且為9m。

本文研究結(jié)果有助于實(shí)際工程中最佳的基坑布置形式的選擇，在港池平面布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理設(shè)計(jì)防滲墻深度、基坑開挖深度以及合理布置基坑與防滲墻相對(duì)位置，盡量減小基坑開挖過程中滲流量，對(duì)于加快施工、減小工程成本以及保證工程安全意義重大；對(duì)于港口工程而言，設(shè)計(jì)前關(guān)于不同平面布置方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，對(duì)于基坑開挖滲流優(yōu)化港池防滲方案設(shè)計(jì)提供一定的參考。同時(shí)對(duì)于基坑滲流量控制，還有許多問題尚未解決，就本文而言，基坑斷面中坡比的大小對(duì)于滲流量的變化情況亦是重點(diǎn)，為以后的基坑結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供研究方向。

[1]莫文賀，夏林，周勇.漢班托塔海港利用瀉湖建港技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐[J].水運(yùn)工程，2013（9）：60-63，78. MO Wen-he,XIA Lin,ZHOU Yong.Innovation&practice of Hambantota port construction in lagoon[J].Port&Waterway Engineering,2013(9):60-63,78.

[2]謝小明，梁小叢，陳勝.卡塔爾多哈新港回填料大型浸水模型試驗(yàn)膨脹性能研究[J].水運(yùn)工程，2014（10）：34-38，52. XIE Xiao-ming,LIANG Xiao-cong,CHEN Sheng.Large-scale flooded embankment test for swelling characteristics of excavated material in new Doha port,Qatar[J].Port&Waterway Engineering, 2014(10):34-38,52.

[3]王昆泰，胡立強(qiáng)，呂凱歌.懸掛式帷幕條件下基坑滲流特性的計(jì)算分析[J].建筑科學(xué)，2006，26（1）：81-84. WANG Kun-tai,HU Li-qiang,LV Kai-ge.Analysis for seepage characteristic of deep foundation pitwith hanging impervious purdah[J].Building Science,2006,26(1):81-84.

[4]溫麗林，潘金梁.懸掛式防滲墻對(duì)心墻土壩滲流量影響的初步研究[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究，1984（4）：62-66. WEN Li-lin,PAN Jin-liang.Primary study on influence of suspended cut-off wall for seepage flow of core wall earth dam[J]. Hydro-Scienceand Engineering,1984(4):62-66.

Numerical simulation of seepage of foundation pit of dig-in basin in Doha,Qatar

ZHANGPei,YAOBin
（CCCCFourth Harbor Engineering Investigation and Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510230,China）

The relationships between seepage flow in excavation foundation pit,the depth of foundation pit,the distance of foundation pit away from the cut-offwall and the buried depth of the cut-offwallwere researched based on Doha＇s New harbor large dug projects in the coastal areas of the Middle East.The following conclusions could be obtained by using finite element numerical simulation:seepage flow increased gradually with the increasing depth of excavation foundation pit,and the seaside and landside seepage flow tended to be the same gradually.Seepage flow decreased graduallywith the increasing distance from foundation pit to cut-off wall,but the amp litude was reduced gradually with a＇best distance＇,which is 200 m.Seepage flow could be reduced effectively through increasing cut-offwall＇sburied depth.Butwith the cut-offwall＇sburied depth increasing, the effectof reducing foundation pitseepagewasnotobviouswith a＇bestdepth＇,which is 9m.

foundation pit;seepage;finite elementnumerical simulation;infiltration lines;seepage flow

U653.32；U655.543

A

2095-7874（2015）05-0009-04

10.7640/zggw js201505003

2015-01-08

2015-03-06

張培（1983— ），男，河南焦作市人，碩士，工程師，巖土工程專業(yè)。E-mail：dddn2008@qq.com