建筑基坑防滲墻滲流控制效果研究

張家發(fā) ，范士凱 ，陶宏亮，吳慶華

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢　430010；2.武漢華太巖土工程有限公司 ，武漢　430064)

建筑基坑防滲墻滲流控制效果研究

張家發(fā)1a,1b，范士凱2，陶宏亮2，吳慶華1a,1b

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 a.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢430010；2.武漢華太巖土工程有限公司 ，武漢430064)

摘要：雖然防滲墻在基坑滲流場(chǎng)控制中應(yīng)用廣泛，但是人們對(duì)于防滲墻作用效果的認(rèn)識(shí)仍有不足。以武漢市常見(jiàn)的二元結(jié)構(gòu)地基為背景，概化建立建筑基坑滲流場(chǎng)的典型模型，通過(guò)數(shù)值模擬分析揭示了防滲墻的滲流控制作用規(guī)律；以此為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實(shí)踐，開(kāi)展了防滲墻應(yīng)用的研究。研究成果顯示：落底式防滲墻對(duì)基坑滲流場(chǎng)具有顯著的控制效果，但必須更加切實(shí)防止墻體出現(xiàn)缺陷，確保落底于可靠的防滲依托層之中；懸掛式防滲墻對(duì)基坑滲流場(chǎng)的控制作用效果隨貫入度增加而得到有限的提升，應(yīng)結(jié)合成本、工期、基坑排水量控制和基坑安全要求，綜合研究確定合適的防滲墻貫入度；防滲墻與排水措施相配合才能形成有效的基坑滲流場(chǎng)控制體系，針對(duì)具體工程，需要在充分掌握地質(zhì)條件、地表水文條件、鄰近防洪工程、建筑物及其他設(shè)施等條件下，論證滲流控制方案，以達(dá)到保障基坑安全和有效控制對(duì)周邊環(huán)境不利影響的綜合效果。這些結(jié)論也可為地鐵等市政工程基坑滲流控制提供借鑒。

關(guān)鍵詞：基坑安全；防滲墻；貫入度；滲透比降；滲流控制；數(shù)值模擬

1研究背景

防滲是控制滲流場(chǎng)和處理地下水問(wèn)題的重要手段之一。垂直防滲工程廣泛用于水利水電工程的堤、壩及其基礎(chǔ)，以及圍堰及其基礎(chǔ)的滲流場(chǎng)控制，包括防滲墻和帷幕工程。建筑基坑防滲措施又被形象地稱為“隔滲”措施[1]，常見(jiàn)的是基坑周邊垂直防滲措施，有些基坑工程也采用水平封底措施，以便與垂直防滲措施形成防滲體系。為了方便起見(jiàn)，本文將基坑工程的垂直防滲措施統(tǒng)一稱作防滲墻，包括一般所稱的隔滲帷幕和地連墻等。

關(guān)于水利水電工程防滲墻滲流控制效果的研究成果已經(jīng)有了很多，尤其是關(guān)于懸掛式防滲墻作用效果的研究，其中一些重要結(jié)論對(duì)于建筑基坑具有借鑒和參考意義，如懸掛式防滲墻的滲流控制作用效果有限[2]。建筑基坑與水利水電工程基坑相似，但是又有其特殊性，例如建筑基坑不像水利水電工程基坑因?yàn)樵诤拥纼?nèi)而直接面臨洪水威脅，但建筑基坑一般規(guī)模較小，施工周期短，場(chǎng)地逼窄，常與已建工程相毗鄰，防滲墻是更為常用的滲流控制措施，這既是基坑工程安全自身的需要，同時(shí)也是控制周圍環(huán)境影響的需要。隨著我國(guó)城市化的加速發(fā)展，市政工程，尤其是地下鐵路工程正處于高速建設(shè)之中，使得一些城區(qū)基坑工程不斷涌現(xiàn)，或者成串出現(xiàn)。

在建筑基坑的防滲墻應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于防滲墻的滲流控制作用仍然有些模糊認(rèn)識(shí)，具體表現(xiàn)可能有3種。一是對(duì)懸掛式防滲墻的效果感到困惑，影響到對(duì)防滲墻結(jié)構(gòu)形式的選擇；二是對(duì)懸掛式防滲墻作用效果過(guò)于樂(lè)觀，結(jié)果是降低了對(duì)基坑排水措施的要求，并低估了其對(duì)于周圍環(huán)境的影響；三是對(duì)于落底式防滲墻潛在風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足，甚至有“效果再差都比懸掛式防滲墻好”的推斷，導(dǎo)致質(zhì)量意識(shí)的放松，對(duì)應(yīng)用條件的忽視[3]，以及對(duì)于滲流控制失效的應(yīng)急準(zhǔn)備不足。

本文以二元結(jié)構(gòu)地基為例，通過(guò)典型條件下建筑基坑及其附近滲流場(chǎng)的數(shù)值模擬，分析防滲墻的滲流控制作用規(guī)律，結(jié)合已有的研究成果和工程案例，對(duì)防滲墻應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行討論，為其合理應(yīng)用提供建議。

2典型條件下防滲墻的滲流控制作用規(guī)律

根據(jù)垂直于堤軸線斷面上顯示的結(jié)構(gòu)形式，張家發(fā)等[2]將堤防工程防滲墻歸納為懸掛式、封閉式和半封閉式3類，并且已經(jīng)被設(shè)計(jì)規(guī)范所采納。建筑基坑防滲墻中，與懸掛式對(duì)應(yīng)的非懸掛式被形象地稱為落底式，這里有一個(gè)重要的前提：需要真正將防滲墻底部置于可靠的防滲依托層之中，不管防滲依托層是基巖還是第四系弱透水層，要能夠與防滲墻一道構(gòu)建成可靠的防滲體系。本節(jié)對(duì)典型建筑基坑滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析揭示防滲墻的滲流控制作用規(guī)律。

2.1模型條件和研究方法

作為建筑地基的松散覆蓋層，其中的地下水與大氣和地表水聯(lián)系密切。由弱透水層覆蓋于強(qiáng)透水層上形成的二元結(jié)構(gòu)地基，常常會(huì)形成承壓含水層，為建筑基坑造成復(fù)雜的地下水條件，使得滲流控制成為保障基坑安全的重要措施。作為二元結(jié)構(gòu)地基的典型例子，下面簡(jiǎn)略介紹武漢市漢口地區(qū)長(zhǎng)江一級(jí)階地的地層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件[4-5]，以便概化得出具有典型意義的模型條件。

漢口地區(qū)長(zhǎng)江一級(jí)階地上部弱透水層以沖積、湖積黏性土為主，表部常覆蓋有填土層，下部以粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層過(guò)渡到強(qiáng)透水層；強(qiáng)透水層由上至下依次為粉砂、粉細(xì)砂、中粗砂夾礫石層，滲透性逐漸增強(qiáng)，直至常被落底式防滲墻設(shè)計(jì)中選作防滲依托層的基巖。長(zhǎng)江、漢江與承壓含水層之間具有直接的水力聯(lián)系，且相互之間季節(jié)性變換補(bǔ)給排泄關(guān)系。漢口地區(qū)20 m上部弱透水層厚10～20 m，強(qiáng)透水層厚20～30 m。長(zhǎng)江漢口站水位(吳淞高程)歷史最高值(1954年8月)為29.73 m，最低值(1865年2月)為10.08 m。汛期，長(zhǎng)江水位常常高出城區(qū)地面，由堤防工程保護(hù)漢口地區(qū)的安全。枯水季節(jié)，長(zhǎng)江水位不僅低于城區(qū)地面，甚至在極枯條件下可能低于承壓含水層頂板，使得臨江地帶的承壓含水層會(huì)在短期內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)壓狀態(tài)。長(zhǎng)江部分岸段新淤積土層，以及堤防工程部分堤段建設(shè)的堤基防滲墻，在一定程度上降低了江水與其附近含水層的水力聯(lián)系程度[6]。

大氣降水，尤其是漢口地區(qū)分布較多的湖泊，通過(guò)補(bǔ)給淺部弱透水層中的潛水含水層而間接地補(bǔ)給承壓水。建筑工程建設(shè)中的深基坑降水往往使得承壓含水層水位大幅度降低，從而使?jié)撍畬訉?duì)承壓含水層的補(bǔ)給作用顯著增強(qiáng)。天然條件下，遠(yuǎn)離長(zhǎng)江和漢江的承壓水位在地面以下1～2 m。而在位于漢口的長(zhǎng)江科學(xué)院九萬(wàn)方試驗(yàn)基地內(nèi)，2014年實(shí)測(cè)地下水位埋深長(zhǎng)期在10m左右。這樣大幅度的地下水位下降，以及伴隨的地面沉降和部分建筑物變形、損壞問(wèn)題，已在城市建設(shè)處于高峰期的漢口城區(qū)變得很常見(jiàn)，從而引起了普遍的關(guān)注。

參照上述漢口地區(qū)的條件，并照顧到一般性，概化得到圖1所示的典型模型。為了方便模擬和分析規(guī)律性，防洪墻以透水性較強(qiáng)的土堤代替，堤身高12 m，頂寬10 m，兩側(cè)坡比1∶2，堤身滲透系數(shù)K1為1×10-3cm/s。沿堤軸線布置堤身防滲墻，滲透系數(shù)K2為1×10-6cm/s，厚為1 m，深至堤身與堤基結(jié)合面，與地基表層弱透水層形成堤防工程防滲體系。堤防擋水10 m深，即上游水位高于地面10 m。

圖1　模型示意圖(基坑防滲墻貫入度50%)Fig.1　Sketch map of the model (penetration rate ofthe cut-off wall for the foundation pit: 50%)

地基為二元結(jié)構(gòu)，上部弱透水層厚10 m，滲透系數(shù)K3為1×10-5cm/s；下部強(qiáng)透水層厚50 m，滲透系數(shù)K4為1×10-3cm/s。堤外灘地寬40 m，河道切割至模型底部，切割的岸坡簡(jiǎn)化為直立，為一類水頭邊界。模型右側(cè)邊設(shè)在離基坑800 m遠(yuǎn)處，為一類水頭邊界，水位埋深值等于0。基坑開(kāi)挖底面設(shè)為出逸邊界，即沒(méi)有考慮超前排水措施。

類似這樣的二元結(jié)構(gòu)地基，基坑開(kāi)挖過(guò)程都有一個(gè)弱透水層厚度減小的過(guò)程。在這一過(guò)程中，基坑成為地下水的排泄去向，同時(shí)基坑底部的比降不斷增大,直至基坑完全揭露強(qiáng)透水層，模型結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性的變化，使含水層由承壓性質(zhì)改為無(wú)壓性質(zhì)。

模型設(shè)定基坑開(kāi)挖深度8 m，寬100 m，可以看作距離江河較近的基坑，對(duì)應(yīng)于弱透水層被開(kāi)挖僅剩2 m厚時(shí)的基坑，即深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的一個(gè)場(chǎng)景?；娱_(kāi)挖坡簡(jiǎn)化為直立坡?；拥酌嬖O(shè)為出逸邊界，相當(dāng)于基坑明排水條件。

基坑滲流場(chǎng)控制措施可以是防滲措施、排水措施，也可能需要的是防滲排水相結(jié)合的綜合措施。對(duì)于圖1所示的基坑，無(wú)論是否采取防滲措施，基坑超前排水都是必要的。為了揭示防滲墻的作用規(guī)律，本文暫不考慮其他措施，只針對(duì)不同貫入度防滲墻的作用進(jìn)行對(duì)比研究。

基坑兩側(cè)防滲墻厚度為1 m，滲透系數(shù)為1×10-6cm/s?；觾蓚?cè)防滲墻深度對(duì)比計(jì)算方案根據(jù)防滲墻貫入度控制。防滲墻貫入度為防滲墻進(jìn)入承壓含水層深度與承壓含水層厚度的百分比(%)。對(duì)比計(jì)算的貫入度為10%，20%～90%，95%，98%，99%和100%，同時(shí)還計(jì)算了基坑開(kāi)挖前的方案，以及基坑開(kāi)挖8 m深但兩側(cè)沒(méi)有防滲墻的方案，后者相當(dāng)于防滲墻貫入度為0%的條件。

建立飽和穩(wěn)定滲流場(chǎng)模型，采用2001年堤防工程防滲墻研究中同樣的方法[2]，即采用長(zhǎng)江科學(xué)院的飽和穩(wěn)定滲流場(chǎng)有限元軟件S3D進(jìn)行計(jì)算，基于計(jì)算成果分析研究建筑基坑防滲墻的滲流控制作用規(guī)律。

2.2數(shù)值模擬成果分析

滲流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算成果包括各方案中單元結(jié)點(diǎn)的水頭值，以及基坑流量。根據(jù)計(jì)算成果，可以畫(huà)出滲流場(chǎng)等勢(shì)線圖以反映滲流場(chǎng)的分布規(guī)律；計(jì)算沿基坑軸線(與堤軸線平行)單位長(zhǎng)度的基坑流量(m2/h)；針對(duì)圖1中標(biāo)示的一些特征點(diǎn)計(jì)算了滲透比降，由這些成果的對(duì)比分析，研究防滲墻的滲流控制作用規(guī)律。

圖1中，A點(diǎn)為堤內(nèi)腳，以該點(diǎn)地基土的垂直出逸比降作為反映堤防工程安全的特征值；B，C，D這3個(gè)點(diǎn)位于同一垂線上的不同深度處。垂線位于臨近堤防一側(cè)的基坑底角。B點(diǎn)在基坑底角處，其出逸比降作為反映基坑滲透穩(wěn)定性的特征值，同時(shí)由于基坑離堤防較近，基坑的滲透穩(wěn)定性也關(guān)系到堤防工程的安全；C點(diǎn)在基坑防滲墻底面，所以該點(diǎn)位置隨著防滲墻貫入度變化而變化；D點(diǎn)位于承壓含水層底面。B點(diǎn)垂直出逸比降為基坑底面所在地基土的滲透比降。在沒(méi)有基坑防滲墻時(shí)，B點(diǎn)水平出逸比降為基坑底面所在地基土的滲透比降，C點(diǎn)水平比降為承壓含水層頂面的滲透比降；當(dāng)有基坑防滲墻時(shí)，B點(diǎn)水平出逸比降為防滲墻的滲透比降，C點(diǎn)水平比降為防滲墻底面處承壓含水層的滲透比降。D點(diǎn)水平比降為承壓含水層底面的滲透比降。當(dāng)防滲墻貫入度為100%時(shí)C，D點(diǎn)重合，其水平比降為防滲墻的滲透比降。

2.2.1基坑開(kāi)挖前堤基滲流場(chǎng)分布

注：黑線表示基坑防滲墻建設(shè)前滲流場(chǎng)等勢(shì)線，紅線表示貫入度100%的防滲墻建設(shè)后滲流場(chǎng)等勢(shì)線，尺寸標(biāo)注單位為m圖2　基坑開(kāi)挖前堤基滲流場(chǎng)等勢(shì)線Fig.2　Simulated results of seepage field beforepit excavation

基坑開(kāi)挖前的滲流場(chǎng)是典型的二元結(jié)構(gòu)堤基滲流場(chǎng)。從堤腳處開(kāi)始的堤內(nèi)地面均為下游邊界，上下游水頭差為10 m。圖2中滲流場(chǎng)等勢(shì)線分布表明，在河道的切割及直接補(bǔ)給作用下，堤防附近承壓含水層中的流場(chǎng)分布比較均勻。對(duì)應(yīng)于堤腳處，由10 m厚弱透水層承擔(dān)的水頭損失達(dá)到了66.8%。這充分說(shuō)明了地基土層間2個(gè)量級(jí)滲透性差異對(duì)于滲流場(chǎng)分布的影響。堤腳垂直出逸比降達(dá)到0.75，按照一般沖積成因的黏性土判斷，至少是滲透穩(wěn)定性的安全裕度不足。同時(shí)計(jì)算了基坑兩側(cè)落底式防滲墻已經(jīng)建成，但是基坑尚未開(kāi)挖的工況。

由圖2可以看見(jiàn)基坑防滲墻建設(shè)前后堤基滲流場(chǎng)分布的差異。基坑防滲墻建設(shè)后，堤基滲流場(chǎng)被2道防滲墻約束而分布不均，承壓含水層水頭損失大多集中在靠近堤防一側(cè)的基坑防滲墻之中，堤腳垂直出逸比降達(dá)到0.91，堤防的滲透穩(wěn)定性有所降低。

2.2.2基坑無(wú)防滲墻的滲流場(chǎng)分布

基坑開(kāi)挖后，基坑底面為出逸邊界，同時(shí)該邊界上水位也最低，模型上下游水頭差為18 m。由圖3可見(jiàn)，在基坑兩側(cè)沒(méi)有布置防滲墻(即貫入度為0)的條件下，相對(duì)于開(kāi)挖前的堤基滲流場(chǎng)，基坑成為堤基滲流場(chǎng)的排水邊界，堤腳處的垂直出逸比降變?yōu)?.41，可見(jiàn)排水邊界的作用使得堤腳處滲透穩(wěn)定性得到了明顯改善，但是此時(shí)堤防工程的安全實(shí)際上已經(jīng)取決于基坑的安全?；拥酌嫒跬杆畬右呀?jīng)成為等勢(shì)線更加密集的區(qū)域，B點(diǎn)的垂直出逸比降達(dá)4.2，水平出逸比降達(dá)2.8，基坑的滲透穩(wěn)定性明顯不足，同時(shí)基坑底面弱透水層抗浮穩(wěn)定性嚴(yán)重不足，必將發(fā)生基坑突涌，需要采取相應(yīng)的滲流控制措施以確?；蛹暗谭拦こ贪踩?。

注：紅線、藍(lán)線、綠線對(duì)應(yīng)的防滲墻貫入度分別為0%，50%，90%；尺寸標(biāo)注單位為m。圖3　基坑滲流場(chǎng)等勢(shì)線Fig.3　Equipotential lines of seepage field around the foundation pit

2.2.3滲流場(chǎng)分布隨防滲墻貫入度變化的規(guī)律

按照第2.1節(jié)所述，計(jì)算基坑兩側(cè)設(shè)置不同貫入度防滲墻的方案，基坑開(kāi)挖已至8 m深，基坑底面水位最低，模型上下游水頭差與上述沒(méi)有防滲墻的方案同樣為18 m，可以將不同貫入度防滲墻條件下的滲流場(chǎng)等勢(shì)線圖進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)圖3，可對(duì)防滲墻貫入度為0%，50%，90% 時(shí)基坑左側(cè)的等勢(shì)線進(jìn)行對(duì)比。由圖3可見(jiàn)：3個(gè)方案之間滲流場(chǎng)分布的差異，在基坑防滲墻近處更顯著；而且，貫入度50%和90%方案之間的差異明顯大于0%和50%方案之間的差異。這印證了2個(gè)在堤防工程防滲墻研究中已經(jīng)取得的認(rèn)識(shí)：①懸掛式防滲墻的作用對(duì)墻體附近滲流場(chǎng)控制效果較明顯；②防滲墻貫入度越大，隨貫入度的增加其滲流控制效果改善的效率越顯著。

2.2.4基坑出逸比降和流量隨防滲墻貫入度變化的規(guī)律

為了更好地說(shuō)明防滲墻貫入度對(duì)于滲流場(chǎng)的影響規(guī)律，基于計(jì)算成果，得到第2.1節(jié)所述各項(xiàng)特征值與貫入度的變化曲線。

圖4畫(huà)出了B點(diǎn)基坑垂直出逸比降和單位長(zhǎng)度基坑流量隨防滲墻貫入度變化的曲線。

圖4　基坑垂直出逸比降和流量隨基坑防滲墻貫入度變化的曲線Fig.4　Vertical exit gradient at left corner(point B) of the pit and discharge into the pit per unit length vs. the penetration rate of the cut-off wall

由圖4可見(jiàn)，B點(diǎn)垂直出逸比降隨著防滲墻貫入度增加而降低；而且在防滲墻貫入度<90%時(shí)，比降近似隨貫入度的增加勻速下降；當(dāng)防滲墻貫入度達(dá)到或超過(guò)90%時(shí)，比降隨貫入度的增加加速下降；當(dāng)防滲墻貫入度接近100%時(shí)，比降顯著降低。這些規(guī)律與已有的堤防工程防滲墻研究成果很相似，也就是懸掛式防滲墻僅當(dāng)貫入度達(dá)90%以上時(shí)，其滲流控制效果提升的效率才有顯著增加[2]。

圖4中，單位長(zhǎng)度基坑流量與基坑垂直出逸比降的規(guī)律相似，也是隨著防滲墻貫入度增加而降低；當(dāng)防滲墻貫入度達(dá)到或超過(guò)90%時(shí)，流量加速隨之下降；當(dāng)防滲墻貫入度趨近100%時(shí)，流量顯著降低。

防滲墻貫入度達(dá)到100%時(shí)，防滲墻已經(jīng)由懸掛式變?yōu)槁涞资剑哟怪背鲆荼冉岛蛦挝婚L(zhǎng)度流量都達(dá)到最小值，防滲墻的滲流控制效果最顯著。不過(guò)，在本文模型條件下，在防滲墻貫入度達(dá)到100%時(shí)，B點(diǎn)垂直出逸比降仍達(dá)0.97，滲透穩(wěn)定性仍然不足，基坑仍然可能發(fā)生突涌，必須配合井排措施才可能保證基坑安全。

2.2.5防滲墻相關(guān)的其他比降隨其貫入度變化的規(guī)律

防滲墻屬于隱蔽工程，容易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。為基坑設(shè)置的防滲墻還要經(jīng)受復(fù)雜的荷載作用，有可能因此而破損，或者與相鄰?fù)馏w之間產(chǎn)生縫隙。所以，與運(yùn)行條件簡(jiǎn)單的堤基防滲墻相比，基坑防滲墻及其附近土體的滲透比降更值得關(guān)心。

圖5　B點(diǎn)水平出逸比降隨基坑防滲墻貫入度變化曲線Fig.5　Horizontal exit gradient at left corner of the pit vs. the penetration rate of the cut-off wall

圖5是B點(diǎn)基坑水平出逸比降隨基坑防滲墻貫入度變化曲線。這一水平比降，在沒(méi)有防滲墻(即防滲墻貫入度為0)時(shí)為土體的出逸比降；在有防滲墻(即防滲墻貫入度>0)時(shí)，為防滲墻體的出逸比降。圖5中曲線由兩端的突變段和中間的漸變段組成。第1個(gè)突變段對(duì)應(yīng)于防滲墻貫入度由0開(kāi)始的變化，為沒(méi)有防滲墻到有防滲墻的突變，水平滲透比降隨貫入度的增加顯著增加，實(shí)際上是由土體比降到墻體比降的突變。第2個(gè)突變段對(duì)應(yīng)于防滲墻貫入度趨近100%時(shí)的變化，為懸掛式防滲墻到落底式防滲墻的突變，水平滲透比降也隨貫入度的增加顯著增加，顯示了落底式防滲墻有更好的滲流控制效果。兩突變段之間，防滲墻滲透比降隨著其貫入度增加而上升，既意味著防滲墻的滲流控制效果的增強(qiáng)，也意味著墻體一旦存在缺陷，發(fā)生集中滲流現(xiàn)象，甚至造成周圍土體滲透破壞的可能性增加。

圖6　承壓含水層底面D點(diǎn)及其在基坑防滲墻底面C點(diǎn)水平比降隨防滲墻貫入度變化的曲線Fig.6　Horizontal penetration gradient vs. the penetration rate of the cut-off wall at point D and point C(the bottom of confined aquifer, cut-off wall, respectively)

圖6是圖1中C點(diǎn)和D點(diǎn)水平滲透比降隨基坑防滲墻貫入度變化曲線。C點(diǎn)位于臨近堤防一側(cè)基坑防滲墻底面，D點(diǎn)位于臨近堤防一側(cè)防滲墻對(duì)應(yīng)的承壓含水層底面。由圖6可見(jiàn)，這2點(diǎn)的水平滲透比降都是先隨著防滲墻貫入度的增加而緩慢上升，且上升越來(lái)越明顯；在貫入度達(dá)90%以上后上升更加顯著；當(dāng)貫入度為100%時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)兩點(diǎn)合在一處，比降值已經(jīng)由土體比降變?yōu)閴w比降。由此可見(jiàn)，隨著防滲墻貫入度的增加，其滲流控制作用增強(qiáng)的同時(shí)，墻體以下土體的滲透比降也在上升。如果所在土層為管涌類土，滲透比降升到一定程度后有可能發(fā)生管涌破壞；即使不是管涌類土，當(dāng)在墻體與土體之間出現(xiàn)縫隙時(shí)，滲透比降升到一定程度就會(huì)出現(xiàn)流土或者接觸沖刷破壞，從而危及基坑安全。

圖7　背水側(cè)堤腳垂直出逸比降隨防滲墻貫入度變化的曲線Fig.7　Vertical exit gradient at the dyke toe(point A) oppo site to river vs. the penetration rate of the cut-off wall

2.2.6堤腳出逸比降隨基坑防滲墻貫入度變化的規(guī)律

前已述及，在未設(shè)置基坑防滲墻的條件下，堤腳(A點(diǎn))的垂直出逸比降在基坑開(kāi)挖后明顯低于基坑開(kāi)挖前。圖7是背水側(cè)堤腳垂直出逸比降隨防滲墻貫入度的變化曲線，可見(jiàn)該比降隨著貫入度的增加而上升，且上升速率也隨之增大；當(dāng)貫入度為100%時(shí)，防滲墻已由懸掛式演變?yōu)槁涞资?，堤腳垂直出逸比降顯著增大，甚至大于基坑開(kāi)挖之前的值，這意味著落底式防滲墻在對(duì)基坑發(fā)揮顯著滲流控制作用的同時(shí)，可能直接降低堤基的滲透穩(wěn)定性。

3防滲墻應(yīng)用的討論

建筑基坑屬于臨時(shí)工程。張家發(fā)等[7]提出了對(duì)水利水電工程圍堰和基坑工程進(jìn)行滲流場(chǎng)調(diào)控，就是考慮了臨時(shí)工程的特點(diǎn)，以及工程施工和水文、氣候等變化條件下地下水問(wèn)題的復(fù)雜性，可供建筑基坑工程借鑒與參考。以下主要就防滲墻在建筑基坑滲流控制中的應(yīng)用進(jìn)行討論。

3.1懸掛式防滲墻的應(yīng)用

由上述分析可見(jiàn)，懸掛式防滲墻對(duì)于基坑滲流場(chǎng)的控制效果與其貫入度密切相關(guān)，貫入度越大，控制效果越好。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和以往的研究成果，對(duì)于懸掛式防滲墻的應(yīng)用討論如下。

3.1.1準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)懸掛式防滲墻在滲流控制體系中的地位

對(duì)于承壓含水層地基來(lái)說(shuō)，懸掛式防滲墻的滲流控制作用有限。在滲流控制體系中，相對(duì)于排水措施來(lái)說(shuō)，懸掛式防滲墻只能居于次要地位。明確懸掛式防滲墻的這種地位，不是說(shuō)可以忽視防滲墻的質(zhì)量與作用，而是要強(qiáng)調(diào)排水措施的重要性，避免因?yàn)榉罎B墻的設(shè)置而盲目降低對(duì)排水措施建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)的要求。

3.1.2發(fā)揮懸掛式防滲墻的綜合作用

除了對(duì)于基坑滲流場(chǎng)的控制作用外，懸掛式防滲墻一方面可以結(jié)合基坑支護(hù)措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，促進(jìn)基坑開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定；另一方面還可以對(duì)于滲透變形的擴(kuò)展起到抑制作用。有關(guān)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明[8-10]，防滲墻貫入度對(duì)模型發(fā)生滲透變形所需的滲透比降影響不大，但是可以提高模型破壞所需要的滲透比降。所以，懸掛式防滲墻的作用不僅體現(xiàn)在對(duì)于滲流場(chǎng)的控制，適當(dāng)深度的懸掛式防滲墻可以從多方面促進(jìn)工程安全。

3.1.3合理確定懸掛式防滲墻貫入度

雖然懸掛式防滲墻對(duì)于基坑滲流場(chǎng)的控制效果隨其貫入度增加而改善，但是改善的效率只有在貫入度達(dá)90%以上時(shí)才有顯著的提升。防滲墻越深，不僅成本越大，而且施工難度增加，工期更長(zhǎng)。本文第2.2節(jié)成果更說(shuō)明，基坑防滲墻越深，對(duì)于堤防工程安全越不利；墻體和墻底以下土體的滲透比降越大，一旦墻體存在缺陷，或者墻體與土體之間出現(xiàn)縫隙，發(fā)生滲透變形的風(fēng)險(xiǎn)可能反而會(huì)增加。

單純地通過(guò)增加防滲墻貫入度，以提高滲流控制效果的努力，不僅效率不高，甚至有可能產(chǎn)生負(fù)面作用。一般地，防滲墻深度大于排水井的深度，既可以起到相對(duì)較好的滲流控制效果，也有利于控制排水量。滲流控制體系設(shè)計(jì)中，應(yīng)該針對(duì)具體工程條件，結(jié)合排水措施的設(shè)計(jì)，綜合各方面的因素合理確定防滲墻的貫入度。

3.2落底式防滲墻的應(yīng)用

相對(duì)于懸掛式防滲墻來(lái)說(shuō)，落底式防滲墻具有更加顯著的滲流控制效果。然而，落底式防滲墻的應(yīng)用需要注意以下方面。

3.2.1確保防滲依托層的可靠性

落底式防滲墻的前提條件是：防滲依托層滲透系數(shù)≤防滲墻滲透系數(shù)。當(dāng)防滲依托層滲透性強(qiáng)于防滲墻時(shí)，防滲效果會(huì)相應(yīng)降低，甚至無(wú)法形成封閉式防滲結(jié)構(gòu)，實(shí)際上變成了貫入度很大的懸掛式防滲墻。第2.2節(jié)的成果已經(jīng)表明，在貫入度很大的條件下，防滲墻墻底以下地層的滲透比降很高，容易造成管涌或者接觸沖刷，結(jié)果可能比貫入度較小的防滲墻更糟。廣東省北江大堤石角段曾經(jīng)采用封閉式防滲墻方案加固，其防滲依托層為第三系粉砂巖夾礫巖，工程實(shí)施后汛期仍然發(fā)生管涌險(xiǎn)情[11]，探查原因時(shí)，通過(guò)鉆孔電視發(fā)現(xiàn)墻底以下有基巖風(fēng)化帶，并形成了沖蝕溝槽。實(shí)際上，封閉式防滲墻未能達(dá)到預(yù)期效果的工程案例還有不少，其中包括基坑工程[12]。

除了嚴(yán)格控制防滲墻施工質(zhì)量，還有2個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)于防滲墻真正”落底”以形成封閉式防滲結(jié)構(gòu)非常重要。一是依據(jù)嚴(yán)格的試驗(yàn)成果確定防滲依托層。在以基巖為防滲依托層時(shí)很容易出現(xiàn)的問(wèn)題是，勘探鉆孔遇到基巖就終孔，沒(méi)有對(duì)基巖進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)，主觀臆斷基巖的滲透性低，疏忽了基巖非均質(zhì)性，尤其是結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化帶或者巖溶的存在，降低了防滲依托層的可靠性。二是施工期間發(fā)揮先導(dǎo)孔的應(yīng)有作用。應(yīng)該通過(guò)先導(dǎo)孔發(fā)現(xiàn)地層界面起伏和基巖結(jié)構(gòu)面風(fēng)化帶等，根據(jù)這些信息復(fù)核防滲墻合理深度，使得防滲墻在全線范圍內(nèi)都與可靠的防滲依托層結(jié)合為封閉式防滲結(jié)構(gòu)。

3.2.2避免墻體缺損

第2.2節(jié)的成果表明，相對(duì)于懸掛式防滲墻，落底式防滲墻發(fā)揮著更加顯著的滲流控制作用，承擔(dān)的水頭損失大得多，滲透比降也就更大。這同時(shí)意味著，落底式防滲墻一旦出現(xiàn)缺損，被水流擊穿和發(fā)生集中滲流的可能性更大，滲透水流很可能破壞相鄰的巖土體，造成基坑安全事故，甚至造成基坑周圍的地面塌陷，危及生命和周邊建筑物及設(shè)施的安全。防滲墻的缺損有可能是施工質(zhì)量缺陷，也可能是運(yùn)行中復(fù)雜應(yīng)力作用造成的破損。因此，對(duì)于落底式防滲墻的安全性不能盲目樂(lè)觀，必須認(rèn)識(shí)到落底式防滲墻在滲流控制體系中的主導(dǎo)地位，以及一旦出現(xiàn)缺損所需要面臨的更大風(fēng)險(xiǎn)，為此，需要嚴(yán)格控制防滲墻施工質(zhì)量，嚴(yán)密監(jiān)控防滲墻的運(yùn)行狀態(tài)，建立應(yīng)對(duì)防滲墻出現(xiàn)缺損的預(yù)案。

3.2.3配套必要的排水措施

對(duì)于承壓含水層地基來(lái)說(shuō)，采用了落底式防滲墻作為主要滲流控制措施的同時(shí)，仍然需要排水措施的輔助作用，其任務(wù)包括基坑范圍內(nèi)的疏干排水，以及對(duì)未被揭露的承壓含水層進(jìn)行超前排水，以免基坑在不斷開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生突涌。與懸掛式防滲墻條件下不同的是，與落底式防滲墻配合的排水措施，初期排水量較大，隨著落底式防滲墻控制范圍內(nèi)含水層水壓力得到控制，排水量會(huì)明顯衰減。

3.2.4充分評(píng)價(jià)和處置負(fù)面影響

第2.2節(jié)的成果表明，基坑防滲墻改變了堤基滲流狀態(tài)。防滲墻離堤越近，改變程度越大。在落底式防滲墻條件下，堤腳出逸比降超過(guò)了防滲墻建設(shè)前的比降。相對(duì)于基坑開(kāi)挖期間，在基坑開(kāi)挖前和基坑已經(jīng)回填的條件下，落底式防滲墻對(duì)于堤基滲流場(chǎng)的不利影響更顯著。需要針對(duì)具體條件預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)落底式防滲墻對(duì)堤防工程安全的影響，并根據(jù)需要采取相應(yīng)的措施。

要強(qiáng)調(diào)的是，基坑回填以后，地基中的落底式防滲墻將長(zhǎng)期存在，并繼續(xù)對(duì)堤基滲流場(chǎng)產(chǎn)生影響，所以堤防安全影響評(píng)價(jià)和應(yīng)對(duì)措施論證需要考慮到堤防工程的設(shè)計(jì)洪水位條件，以及可能出現(xiàn)的超標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件，而不只是基坑運(yùn)用期間對(duì)應(yīng)的河道水位條件。

建筑工程為基坑設(shè)置的落底式防滲墻，將長(zhǎng)期影響地下水的運(yùn)動(dòng)，從而影響到與地下水有關(guān)的方方面面，除了上述堤防工程外，還包括：鄰近建筑基坑工程、地下空間開(kāi)發(fā)利用、海綿城市建設(shè)、地下水資源開(kāi)發(fā)利用、地下水回灌、地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)等。這些影響無(wú)可回避，相關(guān)研究已經(jīng)逐步引起重視。建筑工程建設(shè)中，不僅要盡可能預(yù)見(jiàn)和消除基坑防滲墻的這些負(fù)面影響，還應(yīng)該保留基坑防滲墻建設(shè)的檔案，為后續(xù)工程建設(shè)、資源利用和環(huán)境保護(hù)行為提供客觀可靠的背景信息。

4結(jié)論與建議

本文針對(duì)簡(jiǎn)化的二元結(jié)構(gòu)地基條件下建筑基坑的滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，分析了防滲墻的滲流控制作用規(guī)律，討論了懸掛式和落底式防滲墻應(yīng)用中需要重點(diǎn)注意的問(wèn)題。基于本文的研究與討論，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出如下結(jié)論與建議。

(1) 落底式防滲墻對(duì)基坑滲流場(chǎng)具有顯著的控制效果，而且可以防止基坑排水對(duì)基坑外圍地下水流場(chǎng)造成顯著的影響，但是因?yàn)槁涞资椒罎B墻承擔(dān)了滲流場(chǎng)的絕大部分水頭損失，必須切實(shí)防止墻體出現(xiàn)缺陷，并確保落底于可靠的防滲依托層之中，以免造成集中滲流和基坑安全事故。落底式防滲墻還將對(duì)鄰近堤防工程的滲流場(chǎng)分布造成長(zhǎng)期的不利影響，必須充分考慮堤防工程的運(yùn)行條件進(jìn)行安全影響評(píng)價(jià)，研究采取必要的應(yīng)對(duì)措施。落底式防滲墻將長(zhǎng)期影響地下水的運(yùn)動(dòng)，從而影響到與地下水有關(guān)的各個(gè)方面，不僅要盡可能預(yù)見(jiàn)和處置所帶來(lái)的負(fù)面影響，還應(yīng)該保留防滲墻建設(shè)檔案，為后續(xù)工程建設(shè)、資源利用和環(huán)境保護(hù)行為提供客觀可靠的背景信息。

(2) 以鋼板樁為支護(hù)結(jié)構(gòu)并替代傳統(tǒng)的防滲墻時(shí)，施工結(jié)束后拔出鋼板樁，可以避免落底式防滲墻方案對(duì)于地下水運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期影響。懸掛式防滲墻對(duì)基坑滲流場(chǎng)的控制作用效果隨貫入度增加而增加，但是總體上作用效果有限。針對(duì)具體工程，應(yīng)結(jié)合成本、工期、基坑排水量控制以及基坑支護(hù)要求，綜合研究確定合適的防滲墻貫入度。

(3) 在承壓含水層條件下，防滲墻與排水措施相配合，才能形成有效的基坑滲流場(chǎng)控制體系。懸掛式防滲墻條件下，基坑排水還將對(duì)基坑外圍地下水流場(chǎng)造成顯著影響，甚至造成不均勻地面沉降，以及周邊建筑物和設(shè)施的變形與損壞。針對(duì)具體基坑工程，應(yīng)在充分掌握地質(zhì)條件、地表水文條件、鄰近防洪工程、建筑物及其他設(shè)施等條件下，論證滲流控制方案，以達(dá)到保障基坑安全和有效控制對(duì)周邊環(huán)境不利影響的綜合效果。

(4) 類似武漢市一級(jí)階地的二元結(jié)構(gòu)地基中，上部弱透水層具有非均質(zhì)和各向異性特征，其在基坑周圍的滲流場(chǎng)分布和變化規(guī)律很復(fù)雜，地面沉降主要源自其沉降變形，需要采用非穩(wěn)定滲流模型，才能結(jié)合具體工程施工方案更好地研究地下水的變化規(guī)律，以及基坑排水對(duì)于周邊環(huán)境的影響。

(5) 本文的研究結(jié)論與討論意見(jiàn)可為地鐵等市政工程基坑滲流控制提供借鑒。地鐵工程建設(shè)中，由于地鐵站相距不遠(yuǎn)，甚至可能多條地鐵線同時(shí)建設(shè)，使得基坑相對(duì)密集，還可能需要考慮基坑群的共同作用，尤其是對(duì)于周邊環(huán)境的疊加影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]范士凱.論不同地質(zhì)條件下深基坑的變形破壞類型、主要巖土工程問(wèn)題及其支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)策[J]. 資源環(huán)境與工程，2006,(增1)：645-655.

[2]張家發(fā)，吳昌瑜，李勝常，等. 堤防加固工程中防滲墻的防滲效果及應(yīng)用條件研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2001,(5)：56-60.

[3]叢藹森.多層地基深基坑的滲流穩(wěn)定問(wèn)題探討[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，(10)：2018-2023.

[4]高健，粟玉英，孟照蔚，等. 漢口Ⅰ級(jí)階地3-5互層特性及對(duì)地鐵工程的影響[J]. 資源環(huán)境與工程, 2013，(4)：592-595.

[5]范士凱，楊育文.長(zhǎng)江一級(jí)階地基坑地下水控制方法和實(shí)踐[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2010，(7)：63-68.

[6]水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì). 長(zhǎng)江重要堤防隱蔽工程地圖集[M].北京：科學(xué)出版社， 2004.

[7]張家發(fā)，林水生，吳德緒，等. 論土石圍堰和基坑滲流場(chǎng)調(diào)控[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013,(2):20-26.

[8]張家發(fā)，吳昌瑜，朱國(guó)勝. 堤基滲透變形擴(kuò)展過(guò)程及懸掛式防滲墻控制作用的試驗(yàn)?zāi)M[J]. 水利學(xué)報(bào)，2002,(9)：108-111.

[9]張家發(fā)，朱國(guó)勝，曹敦侶. 堤基滲透變形擴(kuò)展過(guò)程和懸掛式防滲墻控制作用的數(shù)值模擬研究[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)， 2004,(6)：47-50.

[10]丁留謙, 姚秋玲, 孫東亞, 等. 雙層地基中懸掛式防滲墻滲控效果的試驗(yàn)研究[J]. 水利水電技術(shù), 2007, 38(2):23-26.

[11]張挺,曹洪,詹杰民，等.北江大堤石角堤段防滲工程效果分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，(11)：2235-2241.

[12]徐楊青，劉國(guó)鋒，盛永清.深基坑嵌巖地下連續(xù)墻隔滲效果分析與評(píng)價(jià)方法研究[J].巖土力學(xué)，2013，(10)：2905-2910.

(編輯：劉運(yùn)飛)

ZHANG Jia-fa1,2, FAN Shi-kai3, TAO Hong-liang3，WU Qing-hua1,2

(1. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River

Scientific Research Institute, Wuhan430010, China; 2.National Research Center for Dam Safety Technology,

Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China; 3.Wuhan Hwatai Geotechnical

Engineering Co., Ltd., Wuhan430064, China)

the cut-off wall of suspension type with higher penetration rate which should be set reasonably with the cost, duration, water discharge and safety being taken into account. An efficient seepage field control system must be formed by coordinating cut-off wall and drainage measures. The seepage field control system for a building foundation pit should be designed in consideration of adjacent buildings, flood control projects and other facilities in addition to geological and hydrological conditions. Then we can achieve the safety of foundation pit and control its adverse effect on environment. These conclusions are referential for the foundation pit of public works including metro engineering.

Efficiency of Seepage Control of Cut-off Wallin Building’s Foundation Pit

Abstract:Cut-off wall is widely used to control the seepage field for building’s foundation pit, but the efficiency of cut-off wall is not known very well. In the background of the common foundation of double layers in Wuhan of China, a model was set up for the seepage field around a typical building foundation pit. Through numerical simulation, the law of seepage field control for cut-off wall was revealed. Then the application of cut-off wall was discussed on the basis of the study results and engineering practices. It is pointed out that cut-off wall of closure type could control seepage field efficiently under the conditions that the cut-off wall is prevented from any defect and is extended into reliable stratum with low permeability. The seepage control efficiency can be promoted to limited extent for

Key words:safety of foundation pit; cut-off wall; penetration rate; hydraulic gradient; seepage field control; numerical simulation

收稿日期：2015-06-11；修回日期：2015-08-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51279016，41402213)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CKSF2014058/YT, CKSF2016021/YT)

作者簡(jiǎn)介：張家發(fā)(1960-)，男，安徽安慶人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事巖土工程和水工滲流研究，(電話)027-82820029(電子信箱)zhangjf@mail.crsri.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150490

中圖分類號(hào)：TU753.62

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)06-0058-07

2016,33(06):58-64，69