基于滲流場變化的基坑止水帷幕缺陷判別研究與實踐

龐振勇 崔王洪

(北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100037)

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基于滲流場變化的基坑止水帷幕缺陷判別研究與實踐

龐振勇 崔王洪

(北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100037)

止水帷幕存在缺陷一直是基坑工程中的重大風險，若能在基坑開挖前判斷出止水帷幕缺陷的位置，便能預先采取加固堵漏措施，可避免基坑開挖時的風險。局部滲漏必然會引起附近滲流場的變化，利用有限元軟件ABAQUS分別對缺陷的長度、深度以及土體滲透性與帷幕外側滲流場分布規(guī)律的關系進行研究，得出不同工況下缺陷對滲流場分布的橫向和豎向影響范圍變化規(guī)律，證明了根據(jù)流速變化判別缺陷存在及位置、規(guī)模的可行性。提出采用聲納法可對土體中滲流場分布進行檢測，進而可根據(jù)滲流場分布判別出缺陷的規(guī)模與位置。通過工程實踐，驗證了研究結論及聲納法檢測技術的準確性，為軌道交通深基坑工程止水帷幕缺陷判別提供指導和借鑒方法。 關鍵詞 城市軌道交通；聲納法；滲漏檢測；ABAQUS軟件；滲流場

地下水的處理一直是透水地層深基坑工程中的重點和難點，對于地質條件復雜、環(huán)境保護要求高的區(qū)域，止水帷幕若存在缺陷，將導致基坑內(nèi)外水力聯(lián)系無法隔斷，基坑開挖時會引起坑外地面沉降，從而對周邊環(huán)境造成較大危害。

1 研究現(xiàn)狀

目前工程中多是采用觀測坑外水位，通過坑內(nèi)預降水后坑外水位變化來判斷是否存在止水帷幕缺陷，但實際工程中土層條件非常復雜，用此方法并不能準確判別缺陷的位置及規(guī)模。為找到一 種 方 法，對 滲 漏進行檢測，并對滲漏點準確定位，從而在工程實施前采取預加固措施，國內(nèi)外已經(jīng)進行了大量的研究與實踐。

高密度電阻率法利用水的流動對地層電阻率分布的影響，在同一剖面上測量不同位置和深度的土體電阻率，分析電阻率分布規(guī)律的異常，即可確定地層中滲漏的位置與規(guī)模[1-2]。瞬變電磁法通過不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場，地下低阻介質產(chǎn)生感應渦流并在衰減中產(chǎn)生二次磁場傳至地面回線。通過對地面接收的二次磁場空間分布規(guī)律的研究，判別出滲漏的位置[3]。探地雷達法利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，通過天線發(fā)射入地下，經(jīng)過地層差異性反射，再由地面的另一天線接收，對接收到的信號進行處理分析，可知地下介質的空間結構情況并判斷出滲漏的位置[4-5]。同位素示蹤法將利用放射性同位素制作的示蹤液投入待檢測區(qū)域水中，若附近存在滲漏點，示蹤液會隨著水體流動，在滲漏點附近集中并被附近土體吸附，通過核探測器檢查附近的核輻射量即可判斷出滲漏點位置及規(guī)模[6-8]。溫度示蹤法地層的溫度隨著深度的增加呈規(guī)律性變化，但滲漏引起的水流變化會引起溫度場分布異常，通過在一定位置鉆孔并埋設光纖測量地層溫度，即可根據(jù)溫度分布異常判別出滲漏點位置[9-12]。以上各種檢測方法，受檢測精度、污染或技術條件的制約，且其經(jīng)濟性和便利性較差，因此在工程中的應用受到一定的限制。聲納法利用聲波在水體中傳播的方向特性(若與水體流動方向相同其傳播速度加快；若相反，則會減慢)，通過采集地層中的聲波信號進行處理即可得到土體中的滲流場分布，并進一步分析出滲漏點的位置及規(guī)模[13]。此方法輕便、高效、精確，且經(jīng)濟性較好，能夠很好地應用于各種規(guī)模工程的滲漏檢測。

目前聲納法主要用于水利大壩工程滲漏點檢測，在深基坑特別是地鐵基坑工程中應用較少，理論仍需進一步完善。本文旨在通過有限元模擬，研究地層中三維滲流場分布規(guī)律。通過對比不同滲漏參數(shù)對地層中滲流場分布規(guī)律的影響，根據(jù)滲漏點位置及規(guī)模判別聲納法檢測技術的可行性,為此提供理論依據(jù)，并為其工程應用提供指導。

2 基本理論

由于土體孔隙的形狀和大小很不規(guī)則，地下水沿孔隙流動的實際路徑十分復雜，通常研究時假設其符合達西定律。采用有限元法進行計算，需為所取模型設置合適的邊界條件。在滲流計算中，通常采用二類邊界[14]。

2.1 第一類邊界(定水頭邊界)

對模型邊界給定一固定水頭值，并認為其在計算過程中保持不變。

(1)

2.2 第二類邊界(定流量邊界)

認為模型邊界處單位時間內(nèi)的流量為一定值，不隨時間變化。

(2)

式中，kn為邊界上外法線方向的滲透系數(shù)；n為邊界的外法線方向。

Γ1和Γ2構成了三向空間滲流場的全部邊界。

3 計算模型

3.1 基本假定

在數(shù)值模擬計算時，為了有針對性地分析所關注的對象，將忽略掉一些次要影響因素，在模擬時采取一些假定，具體如下[15]。

1) 假定土體為均質材料，力學參數(shù)各向同性，且在計算過程中土體的密度、彈性模量、滲透系數(shù)等參數(shù)保持不變。

2) 管井降水之前，土體已在自重作用下完成固結。

3) 設止水帷幕為均質、連續(xù)彈性體，假定其滲透系數(shù)為0。

4) 為使?jié)B流規(guī)律更加明顯，假定止水帷幕為懸掛式止水帷幕。

3.2 模型尺寸

如圖1所示：取基坑大小為100 m×100 m，土體范圍400 m×400 m，止水帷幕按連續(xù)墻體考慮，厚度為1 m，長度為35 m?；由疃葹?4 m，取含水層厚度為50 m，下部10 m為滲透系數(shù)較小的巖層，為相對隔水層，模型豎向共60 m。

圖1 模型尺寸

3.3 邊界條件

通常，第一類邊界條件在滲流剛開始時對滲流場的分布起到支配作用，所以在進行非穩(wěn)定滲流計算時，必須確定滲流場的初始水頭分布條件。

假定影響范圍之外的土體和流體受基坑降水的影響可忽略不計，故在土體四周邊界約束水平方向位移，流量邊界取定水頭邊界，靜水壓力從地面開始呈線性分布；土體底部約束3個方向的位移?？觾?nèi)設置降水井，在降水井底部設置流量邊界，通過調整流量大小控制坑內(nèi)水位降至坑底以下1 m深度。

3.4 材料參數(shù)

以基坑工程中所遇到的較不利土層(粉土、粉砂層)為研究對象，參照JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》所提供巖土層滲透系數(shù)k的經(jīng)驗值，取土的滲透系數(shù)在0.5～2.5 m/d之間，土體黏聚力c=8 kPa、φ=30°，其他物理參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

4 計算結果及分析

通過建立有限元模型，分別研究止水帷幕存在缺陷時，其尺寸、深度及土體的滲透性對滲流場分布規(guī)律的影響。因實際工程條件十分復雜，為定性研究不同因素的影響，數(shù)值分析時采用單因素變化的方法對比研究。

考慮到實際施工的便利性，流速檢測孔宜設置在帷幕外側一定距離且對應樁(墻)接縫處，在帷幕外側1 m處取平行于帷幕方向的2-2剖面(見圖1)，如圖2流速分布云所示，在距缺陷中心線(缺陷位置1-1與2-2剖面的交線)不同距離處分別提取沿土層豎向不同深度的流速數(shù)據(jù)，并對比分析，研究缺陷對周邊土體中三維流速分布的影響規(guī)律。

圖2 2-2剖面上數(shù)據(jù)提取位置

取標準工況下止水帷幕深度35 m，降水井深度25 m，土體滲透性按各向同性處理，水平、豎向滲透系數(shù)均為0.5 m/d。各單因素分析時，其他參數(shù)均與標準工況相同。

4.1 止水帷幕缺陷長度的影響

研究缺陷尺寸變化時，帷幕外側流速分布變化規(guī)律?？紤]缺陷未完全貫通，缺陷體處的滲透系數(shù)小于周邊土體，取值0.25 m/d?？紤]到實際工程中若止水帷幕出現(xiàn)缺陷，一般在墻(樁)接縫處，缺陷形狀多為長條形，取缺陷寬度為0.1 m(以下分析中，缺陷寬度均按帷幕接縫止水局部失效后因垂直度偏差產(chǎn)生縫寬的平均值0.1 m計取，厚度同止水帷幕)，缺陷中心埋深為9 m(以下缺陷深度即指缺陷中心深度)，豎向長度分別取0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 m。

由圖3可以看出，止水帷幕缺陷體處流速值遠大于2-2剖面上缺陷深度處流速值且分布規(guī)律相反。在缺陷寬度相同的條件下，缺陷體處流速值變化與長度呈反比關系。當缺陷長度大于1 m后，最大流速值隨長度增大而減小的速率降低。原因是缺陷尺寸變小造成過流斷面也減小，引起局部流速急劇增大，但隨著缺陷長度的增加，其影響逐漸減小。帷幕外側1 m處與缺陷體處最大流速值分布規(guī)律相反的原因是：缺陷尺寸較小時，雖然缺陷體處因過流斷面小而流速增大，但其對帷幕外側土體中流速分布的影響范圍隨缺陷尺寸減小而減小。

圖3 缺陷體與2-2剖面缺陷深度處最大流速值變化

由圖4可以看出，存在缺陷時，缺陷深度附近流速值明顯大于帷幕完整時的數(shù)值。當缺陷長度較小時(小于1 m)，隨著長度的增加，缺陷深度附近的流速值明顯增大，但當缺陷長度較大時(大于1 m)，其影響范圍遠大于1 m，缺陷長度增加對在帷幕外側1 m剖面中心線上缺陷深度處的流速峰值影響較小，故缺陷深度附近的流速值變化不大，只是流速異常變化的深度范圍隨缺陷長度的增加而增大。因此，憑借流速值大小無法判定缺陷規(guī)模，但可根據(jù)流速異常變化的豎向范圍確定缺陷的長度。

圖4 缺陷中心線流速值分布(長度影響)

結合圖5可以看出，缺陷長度增加，其橫向影響范圍隨之增大。缺陷長度為0.2 m時，距離缺陷中心線6 m處流速值變化較小，因此為保證檢測的精確度，帷幕外側的測點需保證一定的密度，測點距離缺陷隱患處不宜大于6 m。

圖5 距缺陷中心線不同距離處流速值分布(長度影響)

4.2 止水帷幕缺陷深度的影響

取帷幕缺陷長度均為2 m，缺陷中心埋深(缺陷深度)分別為9、13、17、21、25 m，考慮缺陷未完全貫通，缺陷體處的滲透系數(shù)按周邊土體的一半取值為0.25 m/d，對比分析缺陷深度對滲流場分布的影響。

由圖6可以看出，隨著缺陷深度的增加，流速值的變化主要出現(xiàn)在缺陷所處深度附近，其他部位基本不受影響，當缺陷長度相同的條件下，缺陷對滲流場的豎向影響范圍隨缺陷所處深度增加整體向下移動，影響范圍大小并沒有明顯變化。

圖6 缺陷中心線流速值分布(深度影響)

圖7 距缺陷中心線不同距離處流速值分布(深度影響)

結合圖7可以發(fā)現(xiàn)，與帷幕完整時對比，當缺陷所處深度為9 m時，距離缺陷中心8.5 m的缺陷所處深度的流速變化異常仍非常明顯，當缺陷所處深度為25 m時，距離缺陷中心6.0 m的流速變化已趨于平緩。這說明，隨著缺陷所處深度的增加，其橫向影響范圍逐漸減小，原因在于隨著深度的增加，流速值越來越大，缺陷引起的流速值的增加與相應位置正常情況下的流速相比越來越不明顯。因此，應根據(jù)實際工程中止水帷幕深度的增加，適當加密橫向數(shù)據(jù)采集點。

4.3 土體滲透性的影響

取缺陷中心埋深為9 m，缺陷長度為2 m，土體的滲透系數(shù)取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m/d 5種工況，考慮缺陷未完全貫通，缺陷體處的滲透系數(shù)取值為周邊土體的一半，對比分析土層滲透性對滲流場分布的影響。

由圖8可以看出，流速值隨著滲透系數(shù)的增大而明顯增加，但增加幅度逐漸降低，說明隨著滲透系數(shù)的增大，其對流速值的影響逐漸降低。結合圖9可以看出，隨著土體滲透系數(shù)的增加，缺陷的橫向和豎向影響范圍并沒有明顯變化，但滲透系數(shù)較小時，流速值整體較小，對流速測量的精度要求更高，故測點分布密度應結合實際地層參數(shù)確定。

圖8 缺陷中心線流速值分布(滲透性影響)

圖9 距缺陷中心線不同距離處流速值分布(滲透性影響)

5 實踐應用

5.1 測量原理

若被測水體存在滲流，則必然在測點附近產(chǎn)生滲流場，而水體的流動必然會產(chǎn)生聲波，聲波在水體中傳播的方向若與水體流動方向相同，其傳播速度加快；若相反，則會減慢。聲納法滲流檢測技術，正是利用聲波在水中的優(yōu)異傳播特性，實現(xiàn)對水體流速場的測量，通過在檢測孔不同深度處采集滲流所產(chǎn)生的聲波信號，并對接收到的信號進行處理，可判斷滲流場分布是否存在異常，進而判斷出是否存在缺陷及其位置。根據(jù)《水工混凝土缺陷檢測技術規(guī)程》(SL713-2015)中的要求，聲納流速矢量測量儀測量流速精度應達到8.64×10-3m/d(1×10-5cm/s)，可精確檢測到透水性高于弱透水地層的流速變化，目前市場上工程應用的聲納矢量測量儀均能滿足規(guī)范要求。

5.2 工程實踐

基于上述滲流場理論研究成果并結合聲納法檢測原理，在南京河西新鴻基CBD項目的基坑工程中進行了抽水試驗，并利用聲納法滲流檢測技術對地下連續(xù)墻的質量進行檢測，采用的DB-5型聲納測量儀精度為8.64×10-3m/d，判別出了地下連續(xù)墻結構存在缺陷的位置并進行修補，有效保證了基坑開挖的順利進行。

5.2.1 工程概況

本工程位于南京地鐵1、2號線元通站東南側，場地為長江漫灘地貌單元，基坑長250 m，寬105 m，開挖深度為20.3～22.8 m。東北側和西側平行基坑方向有運行中的地鐵1、2號線隧道，基坑北側距1號線隧道僅13.6 m，距車站風亭僅5.8 m，西側距離2號線元通站最近出入口約為11.5 m。

基坑支護結構采用1 m厚地下連續(xù)墻加4道鋼筋砼內(nèi)支撐體系。為確?；娱_挖承壓水穩(wěn)定并減小坑外水位變化對既有地鐵結構的影響，地下連續(xù)墻插入不透水風化巖3.5 m，隔斷承壓水層，形成封閉隔水體系。

根據(jù)地勘資料，基坑開挖范圍及坑底到基巖面之間存在較厚的粉細砂層，因此工程對止水帷幕的隔水效果要求非常高。為保證帷幕(地下連續(xù)墻)的質量，避免基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，采用聲納法滲流檢測技術對工程止水帷幕質量進行檢測。

圖10 滲流檢測孔布置

考慮到地連墻帷幕缺陷多是出現(xiàn)在墻幅接縫處，故觀測孔結合地連墻分幅，在臨近地鐵側沿基坑邊對應地連墻接縫處設置，并根據(jù)施工日志的記錄選擇存在質量隱患的位置重點檢測。觀測孔布置如圖10所示。檢測孔統(tǒng)一布置在帷幕外側1.2 m的位置。

5.2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)各測孔所得數(shù)據(jù)，分析得出不同測孔的豎向流速分布曲線，發(fā)現(xiàn)有個別測孔流速分布有異常，如圖11所示黃色塊部位。

圖11 止水帷幕滲漏檢測數(shù)據(jù)三維分布及剖面

第4節(jié)研究結果表明，當止水帷幕存在缺陷時，其所在深度附近一定范圍內(nèi)的流速值異常變化都會比較明顯，因此試驗數(shù)據(jù)中流速異常變化范圍較小時可以忽略。圖11中數(shù)據(jù)表明，有6個測孔在15～25 m深度范圍出現(xiàn)了較大的滲漏流速值，分別為S2、S4、S6、S12、S21、S24，尤其是S12孔和S24孔兩個測孔的流速值最大，它們的滲透流速最大值分別達到了15 m/d和4.6 m/d，推測是由于此處缺陷規(guī)模較大且缺陷所處地層滲透性較強。在35～55 m深度范圍也有4個測孔的數(shù)據(jù)明顯較大，分別為S2、S25、S26、S27，尤其是S25測孔的流速值最大，滲流流速最大值均超過1 m/d。根據(jù)對比可以初步判定這些測孔附近的止水帷幕在相應深度范圍內(nèi)存在滲漏(見圖12)。

根據(jù)4.1節(jié)關于缺陷尺寸對滲流場的影響規(guī)律的討論可以判斷，測孔S12和S24附近的止水帷幕缺陷尺寸最大。對S24孔數(shù)據(jù)進行處理得到三維成像(見圖13)，發(fā)現(xiàn)該測孔在深度17.25 m附近流速明顯大于其他區(qū)域，可判斷此測點附近止水帷幕存在滲漏，根據(jù)流向數(shù)據(jù)可判斷滲漏點與測孔在平面上的方向關系，進而可綜合判定帷幕缺陷的具體位置。根據(jù)此方法對其他測孔數(shù)據(jù)進行處理，可綜合判斷出不同區(qū)域滲漏點的具體位置。

本次檢測之后，根據(jù)檢測結果，對滲漏量較大的S2、S12、S21、S24、S25和S26附近的地下連續(xù)墻接縫處采用了高壓旋噴樁預加固，加固深度范圍為5.0～60.9 m。在基坑開挖過程中對存在滲漏的位置進行驗證，如圖14所示，S24孔附近地下連續(xù)墻在地下17.25 m附近接縫處確實存在施工缺陷，因在開挖之前采取了預加固措施，故基坑開挖期間并未出現(xiàn)明顯滲漏，開挖得以順利進行，驗證了上述理論分析及聲納法檢測技術的可行性與準確性。目前該工程已順利通過竣工驗收，南京河西長江漫灘后續(xù)的幾個深基坑工程也采用了此技術進行基坑止水帷幕滲流檢測，均取得良好效果。

6 結論

1) 缺陷的存在導致附近滲流場出現(xiàn)明顯變化，進一步發(fā)展會引起周邊土體的破壞。缺陷長度較大時，缺陷長度的增加對帷幕外側一定距離處缺陷深度附近的流速值影響減小，根據(jù)檢測流速值無法判定缺陷的規(guī)模，可根據(jù)流速異常變化的范圍確定缺陷長度。為保證檢測精度，測點距離缺陷隱患位置距離不宜大于6 m。

圖12 各測孔流速沿深度分布曲線

圖13 S24檢測數(shù)據(jù)三維成像圖

圖14 滲漏缺陷處開挖驗證

2) 隨著缺陷所處深度增加，缺陷對滲流場的豎向影響范圍沒有明顯變化，但橫向影響范圍有所減小，因此缺陷所處深度不同時仍可根據(jù)其豎向影響范圍確定缺陷尺寸，但應根據(jù)所要檢測的帷幕深度選擇適當?shù)臏y孔間距。

3) 土體滲透系數(shù)增大時，滲流場的橫向和豎向影響范圍沒有明顯變化，但土體滲透系數(shù)較小時，因流速值較小，所以對流速測量的精度要求較高，故測點分布密度應根據(jù)實際地層參數(shù)確定。

4) 根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，結合數(shù)值分析得出各種因素對滲流場分布的影響規(guī)律，推測出工程滲漏風險點并預先采取加固措施，保證了工程順利完工，驗證了研究結論的正確性，可為類似軌道交通深基坑工程利用聲納法滲流檢測技術判別帷幕缺陷位置及規(guī)模，提供指導和借鑒意義。

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(編輯：郝京紅)

Research and Practice on Identifying Defects of Waterproof Curtain for Excavation Engineering Based on Changes of Seepage Field

Pang Zhenyong Cui Wanghong

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing, 100037)

The existence of defects in the sealing curtain has been a major risk in a pit project. If the location of defects of a water curtain can be identified before a pit is excavated, measures of plugging and reinforcement can be taken in advance to avoid the risk of pit excavation. The local seepage will inevitably cause the change of the seepage field. The relationship between the length and depth of the defect and the distribution of the seepage field of the curtain is studied by the finite element software ABAQUS. The variation of horizontal and vertical influence scope of defects on the seepage field under different conditions are explored. It is proved that it is feasible to determine whether the defects exists, where they are located and how large they are. It is proposed that the distribution of seepage field in soil can be detected by sonar method, and the size and position of defects can be detected according to the distribution of the seepage field. Through the engineering practice, it verifies the conclusion of the research and the accuracy of the sonar method, and provides guidance and references to detecting defects of waterproof curtain for deep excavation engineering in urban rail transit projects.Key words: urban rail transit; sonar technology; leakage detection; ABAQUS; seepage field

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.020

2016-08-04

2016-10-23

龐振勇，男，碩士，高級工程師，從事軌道交通結構設計研究工作，41676902@qq.com

U231

A

1672-6073(2016)06-0099-07