大型挖入式海港基坑降水滲流特性研究

熊磊，李書(shū)杰，王列健，黃詩(shī)淵

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大型挖入式海港基坑降水滲流特性研究

熊磊1，李書(shū)杰2，王列健2，黃詩(shī)淵1

（1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 401121）

結(jié)合某沿海地區(qū)的大型挖入式海港的基坑降排水工程，基于二維滲流有限元法，對(duì)開(kāi)挖基坑滲流量與止水帷幕距基坑開(kāi)挖區(qū)的距離、基坑深度及止水帷幕入土深度之間的關(guān)系進(jìn)行研究分析. 結(jié)果表明：隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，基坑海陸兩側(cè)滲流量均逐漸增加，當(dāng)基坑深度達(dá)到20 m以上時(shí)，海側(cè)滲流量增幅顯著增大，陸側(cè)滲流量則繼續(xù)保持緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；隨著止水帷幕與基坑開(kāi)挖區(qū)距離的增加，海陸兩側(cè)滲流量均呈減小趨勢(shì)，但減小幅度逐漸變小，在距離為100 m時(shí)滲流量的降幅最大，當(dāng)距離增大至300 m以后，距離對(duì)滲流量的影響較小；隨著止水帷幕入土深度的增加，基坑滲流量呈減小趨勢(shì)，帷幕深入石灰?guī)r層后，其深度增加則滲流量減小更為明顯，在深度10～14 m時(shí)降幅最大，但隨著深度繼續(xù)增加，防滲效果逐漸降低，建議止水帷幕入土深度盡可能達(dá)到14 m，以獲得較為理想的防滲效果.

基坑；降排水；滲流；有限元分析；浸潤(rùn)線(xiàn)；滲流量

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的高速發(fā)展，人們對(duì)城市空間的開(kāi)發(fā)開(kāi)始由有限的地表空間向空中和地下發(fā)展，目前各類(lèi)用途的地下空間已經(jīng)在全球各大城市得到開(kāi)發(fā)和利用. 由于開(kāi)發(fā)地下工程開(kāi)挖土體產(chǎn)生大量的基坑，因此在基坑設(shè)計(jì)中不但要考慮基坑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還要考慮基坑在滲流作用下的穩(wěn)定性[1-3]，因?yàn)樵诨庸こ讨袧B流會(huì)產(chǎn)生流土、管涌等現(xiàn)象[4-5].

復(fù)雜水文地質(zhì)條件的基坑開(kāi)挖，如海港地區(qū)，對(duì)基坑降排水工程的要求更高[6]. 眾所周知，降排水措施既可以節(jié)約工程成本，又可以縮短工期、保護(hù)項(xiàng)目周邊環(huán)境，使得干施工基坑工程經(jīng)濟(jì)、高效和環(huán)保. 工程實(shí)踐中，需要根據(jù)項(xiàng)目水文地質(zhì)資料優(yōu)選降排水方案，以便在基坑開(kāi)挖過(guò)程中采用各種止水、降水措施. 一般而言，在基坑降排水施工之前，需要對(duì)基坑滲流進(jìn)行計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)3個(gè)目的：得出基坑滲流過(guò)程中的浸潤(rùn)線(xiàn)位置，以分析開(kāi)挖過(guò)程中基坑的穩(wěn)定性；得出地基內(nèi)各點(diǎn)處的水頭和壓力，以分析地基內(nèi)應(yīng)力分布、預(yù)測(cè)地基滲透變形；得出基坑內(nèi)部的滲流量，以確定排水井的布置方式與位置. 本文結(jié)合某沿海地區(qū)的大型挖入式海港基坑的降排水工程，基于二維滲流有限單元法[7-9]，研究止水帷幕在特殊的雙層水文地質(zhì)條件下的止水特點(diǎn)，分析開(kāi)挖基坑滲流量和止水帷幕距基坑開(kāi)挖區(qū)的距離、基坑深度以及止水帷幕入土深度等之間的關(guān)系.

1 二維滲流的有限單元法

考慮土和水的壓縮性符合Darcy定律，二維非均質(zhì)各向異性土體的非穩(wěn)定滲流問(wèn)題的偏微分方程為：

式（2）即為二維穩(wěn)定滲流的微分方程，可用于各種變動(dòng)的自由面邊界條件下的非穩(wěn)定滲流的分析.

2 工程概況及有限元計(jì)算模型

2.1 工程概況

實(shí)例工程為大型挖入式海港，碼頭為重力式方塊碼頭，涉及海岸線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)，并有長(zhǎng)達(dá)的防波堤，土石方開(kāi)挖6 500余萬(wàn)方，共計(jì)140萬(wàn)方的混凝土量，集裝箱碼頭方塊層數(shù)為11層，港池的底端標(biāo)高為，最大挖深為. 依照施工方案，基槽、港池及內(nèi)部防波堤基槽基礎(chǔ)均使用干施工方式進(jìn)行開(kāi)挖，工程平面圖如圖1所示.

2.2 工程地質(zhì)條件及材料參數(shù)

表1 地層材料及地質(zhì)參數(shù)

2.3 有限元模型

由圖1-b可知，基坑四周的水位條件略有不同. 本文采用二維軸對(duì)稱(chēng)形式的有限元模型，通過(guò)對(duì)邊界設(shè)置不同地下水位條件以模擬分析海側(cè)、陸側(cè)條件下的基坑滲流.

圖2 模型示意簡(jiǎn)圖

對(duì)于模型的邊界條件，不考慮土體和水的壓縮變形對(duì)基坑滲流的影響，將模型左側(cè)地下水位線(xiàn)以下范圍作為固定水頭邊界，其中海側(cè)地下水位取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，基巖底部默認(rèn)設(shè)置為不排水邊界，基坑底部和坡面均設(shè)為可排水邊界. 分析海側(cè)滲流量時(shí)，對(duì)基坑模型左側(cè)邊界施加海側(cè)地下水位；分析陸側(cè)滲流量時(shí)，對(duì)模型左側(cè)邊界施加陸側(cè)地下水位.

2.4 計(jì)算方案

表2 數(shù)值模擬方案

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)表2試驗(yàn)方案中的影響因素，計(jì)算各方案中基坑的單寬滲流量，并將結(jié)果列入表3. 以方案為例，給出水頭等勢(shì)線(xiàn)、浸潤(rùn)線(xiàn)及流速云圖等模擬結(jié)果如圖3所示，并以此分析該海港基坑工程中滲流的一般性趨勢(shì).

表3 滲流量計(jì)算結(jié)果

圖3 方案的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

從圖3的等勢(shì)線(xiàn)、浸潤(rùn)線(xiàn)及流速矢量等3個(gè)方面觀察，并提取出典型部位的流速值，得到基坑滲流特征如下：

1）等勢(shì)線(xiàn)：從左到右依次減小. 在止水帷幕底端和基坑下部邊坡坡角附近，等勢(shì)線(xiàn)分布相對(duì)比較密集，而對(duì)于帷幕上游以及帷幕到基坑開(kāi)挖區(qū)的這段位置，相鄰等勢(shì)線(xiàn)距離相對(duì)較遠(yuǎn)，說(shuō)明水頭損失較小.

2）流速矢量：與等勢(shì)線(xiàn)的趨勢(shì)相似. 在止水帷幕底端和基坑下部邊坡坡角附近，流速相對(duì)較大，在2e-5~3e-5 m/s之間，且最大流速9e-5 m/s在第3層風(fēng)化石灰?guī)r層中，說(shuō)明滲流大部分從風(fēng)化石灰?guī)r層中通過(guò).

3）浸潤(rùn)線(xiàn)：在第一層砂層中，浸潤(rùn)線(xiàn)基本不變化；滲流通過(guò)止水帷幕后水頭損失較大，使得浸潤(rùn)線(xiàn)在止水帷幕處產(chǎn)生較大的下降（6.8 m左右）；然后在風(fēng)化石灰?guī)r層中浸潤(rùn)線(xiàn)逐漸下降，在鄰近基坑下部邊坡處下降坡率變大，最終交于基底處.

下面主要研究止水帷幕距基坑開(kāi)挖區(qū)的距離、基坑深度、止水帷幕入土深度等因素對(duì)基坑單寬滲流量的影響.

3.1 基坑開(kāi)挖深度對(duì)基坑滲流的影響

圖4 滲流量與基坑開(kāi)挖深度的關(guān)系

分析原因是基坑開(kāi)挖深度的增大使得基底面與固定水頭的距離增加，即滲徑增加，而且基底面與固定水頭的豎向距離也增加，即水頭增加. 通過(guò)觀察浸潤(rùn)線(xiàn)的位置可知，浸潤(rùn)線(xiàn)與基坑坡面交界處大概位于風(fēng)化石灰?guī)r與石灰?guī)r層的交界面處，基坑滲流面主要位于下部邊坡坡面，由于下部邊坡的坡度是，因此水頭差增加的速率大于滲徑的增加速率. 隨著基坑深度的增加，基坑坡面的滲流面積也增加，并使得滲流量增大，而當(dāng)基坑深度增加到一個(gè)臨界值后，浸潤(rùn)線(xiàn)得以升高，進(jìn)而使得流量顯著增大.

3.2 止水帷幕距基坑開(kāi)挖區(qū)的距離對(duì)基坑滲流量的影響

止水帷幕與基坑開(kāi)挖區(qū)距離的增加，增大了滲徑長(zhǎng)度，使得浸潤(rùn)線(xiàn)與基坑邊坡的交界點(diǎn)位置下降，從而減小了滲流量. 設(shè)計(jì)試驗(yàn)組-研究了止水帷幕與基坑開(kāi)挖區(qū)的距離對(duì)滲流量的影響，由圖5可知：當(dāng)止水帷幕入土深度和基坑深度一定時(shí)，隨著止水帷幕與基坑開(kāi)挖區(qū)距離的增加，海側(cè)和陸側(cè)基坑的滲流量均有效減小，且呈指數(shù)趨勢(shì)下降；當(dāng)距離增加到一定程度時(shí)，其對(duì)基坑滲流量的影響逐漸減小，海陸兩側(cè)的流量趨近于相同.

圖5 滲流量與止水帷幕距基坑開(kāi)挖區(qū)距離的關(guān)系

對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)：1）當(dāng)止水帷幕與基坑開(kāi)挖區(qū)的距離為時(shí)滲流量的降幅最大；2）當(dāng)距離增大至以后，減小的總滲流量不超過(guò). 故在施工條件允許的情況下，如果深的基坑采用深的止水帷幕進(jìn)行降水，建議止水帷幕與基坑開(kāi)挖區(qū)的距離取以上，以達(dá)到相對(duì)較好的防滲效果.

3.3 止水帷幕入土深度對(duì)基坑滲流量的影響

止水帷幕入土深度的增加可以有效減小滲透量，這在水利工程中的土石壩滲流分析中已有研究[10-11].設(shè)計(jì)試驗(yàn)組-研究了止水帷幕入土深度對(duì)基坑滲流量的影響，由表3可知，無(wú)論是海側(cè)還是陸側(cè)，隨著止水帷幕入土深度的增加，其基坑滲流量均在總體上呈減小的趨勢(shì). 為進(jìn)一步了解滲流量隨止水帷幕入土深度變化的情況，做滲流量與止水帷幕入土深度的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6. 從圖6可知：1）海側(cè)滲流量明顯大于陸側(cè)，海陸兩側(cè)的滲流量隨著止水帷幕入土深度的增加而減小；2）對(duì)海側(cè)滲流量而言，當(dāng)止水帷幕入土深度小于時(shí)，深度的增加對(duì)滲流量的減小影響極小，降幅在1%左右，而當(dāng)止水帷幕入土深度繼續(xù)增加時(shí)，滲流量顯著減小，當(dāng)深度為10～14 m時(shí)降幅最大，達(dá)到50%左右；3）對(duì)陸側(cè)滲流量而言，當(dāng)止水帷幕入土深度小于時(shí)，入土深度的增加對(duì)滲流量的減小影響極小，降幅在1%左右，而當(dāng)止水帷幕入土深度繼續(xù)增加時(shí)，滲流量顯著減小，當(dāng)深度為12～14 m時(shí)降幅最大，達(dá)到45%左右.

圖6 滲流量與止水帷幕入土深度的關(guān)系

分析原因是止水帷幕在未插入弱透水石灰?guī)r層前的防滲效率較低，當(dāng)插入石灰?guī)r層后，滲流量顯著減小，而深度繼續(xù)增加到一定程度后，其防滲作用逐漸減小. 故在施工條件允許的情況下，對(duì)深基坑處的帷幕防滲處理，建議止水帷幕入土深度盡可能達(dá)到，以達(dá)到較為理想的防滲效果.

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合某實(shí)際挖入式海港基坑降排水工程，采用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了基坑滲流量與基坑深度、基坑距止水帷幕的距離以及止水帷幕入土深度的關(guān)系. 實(shí)際工程中，建議基坑深度取20 m以上，止水帷幕與基坑開(kāi)挖區(qū)距離取100 m以上，止水帷幕入土深度盡可能取到14 m，以便達(dá)到較為理想的防滲效果. 但是，本文結(jié)論未考慮巖層滲透系數(shù)的各向異性和基坑斷面形式對(duì)滲流的影響，因此有一定的局限性.

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[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Characteristics Analysis of Seepage Fields in Foundation Pits of Large Sea Ports

XIONGLei1, LIShu-jie2, WANGLie-jian2, HUANGShi-yuan1

(1.Hehai College, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;2.Chongqing Institute of Hydropower Survey, Design, and Construction,Chongqing 401121, China)

In light of foundation pit drainage engineering of a big excavated port in China’s coastal area, based on the two-dimensional seepage finite element method, the foundation pit seepage flow, the distance from the stop-water heavy curtain to the foundation pit, relationship between the depth of the foundation pit excavation area and the stop-water heavy curtain were studied. The results show that with the increase of excavation depth, the foundation pit seepage flow gradually increased; when the foundation pit depth was more than 20 m, the sea side seepage flow increased significantly with the increase of the pit depth, and the land side seepage flow with minimal growth also increased; with the increase of the distance from the water-stop curtain to foundation pit excavation area, the foundation pit seepage flow was on a trend of decrease, but the range of decrease became smaller; the seepage flow declined most at the distance of 100 m, and when the distance increased to 300 m，the effect of distance on seepage flow was less. The seepage flow of foundationpit reduced with the increase of the depth of the water-stopping curtain, the impact of the increase of the depth on the reduced seepage flow became obvious when the curtain went deep into the limestone. The drop amplitude reached the largest at the depth of 10 m to 14 m, but with the increase of depth, the anti-seepage effect decreased gradually. It is suggested that the depth of the water-stop curtain just reach the value of 14m in order to achieve the ideal anti-seepage effect.

foundationpits; dewateringanddrainage; seepage; finite element analyses; saturation lines; seepage flows

1006-7302（2015）02-0031-07

TV139.14

A

2014-12-28

熊磊（1991—），男，江西南昌人，在讀碩士生，主要從事水利、巖土工程中邊坡穩(wěn)定性理論及邊坡落石坍塌等方面的工作.