基于GMS軟件的基坑降水?dāng)?shù)值模擬*

歐孝奪 全守岳 李 勝 江 杰 黃頌揚(yáng)

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，530004,南寧；2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 530004,南寧；3.廣西桂泰耕源投資有限公司，530000,南寧//第一作者,教授)

南寧盆地地勢平坦，土地遼闊，承壓含水層較厚，承壓水主要賦存于砂卵礫石層；地下水位高、滲透性強(qiáng)、含水量豐富的特點(diǎn)構(gòu)成了南寧典型的二元結(jié)構(gòu)[1]。由于實(shí)際水文地質(zhì)條件和周邊邊界條件相對(duì)復(fù)雜，具有顯著的三維特征，地下滲流場難以準(zhǔn)確判斷。在基坑降水設(shè)計(jì)時(shí)，為了得到地下滲流場的信息,常對(duì)實(shí)際水文條件做很多簡化，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場施工存在很大出入，難以滿足基坑降水的要求[2]。

本文根據(jù)現(xiàn)場降水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用有限差分軟件GMS建立適合南寧盆地基坑降水設(shè)計(jì)的三維數(shù)值模型，以解決在南寧特殊水文地質(zhì)條件下具有復(fù)雜邊界條件的基坑降水設(shè)計(jì)問題。

1 工程背景

本項(xiàng)研究以南寧軌道交通1號(hào)線廣西大學(xué)站工程為背景。車站周邊主要建筑物及附屬結(jié)構(gòu)工程分布如圖1所示。

圖1 車站出入口及周邊主要建筑物分布圖

廣西大學(xué)站施工方法為明挖法，主體基坑支護(hù)方式為地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)；車站出入口等附屬工程基坑采用埋深約9.0 m的鉆孔灌注樁支護(hù)，且樁間鋼筋網(wǎng)片噴射200 mm厚混凝土。

1.1 場地地層分布

地層從上往下分為6層，第①層為人工填土；第②層為紅黏土，可塑；第③層為粉土，分布區(qū)域土層較薄，極易發(fā)生管涌、流沙；第④層為中壓縮性土，根據(jù)滲透系數(shù)和顆粒大小分為4個(gè)亞層；第⑤層為強(qiáng)透水承壓含水層，滲透系數(shù)較大；第⑥層土滲透系數(shù)小，但承載力高。地層具體參數(shù)如表1所示。

表1 場地地層分布

1.2 水文地質(zhì)特征

場地地下水分為上層潛水和承壓水兩種類型。上層潛水主要分布在人工填土第①層中，主要由大氣降雨和地表水補(bǔ)給，厚度在0.8～4.0 m不等。承壓水層主要分布在第⑤層圓礫層中，承壓水頭高約3.0～6.0 m，承壓水位埋深在4.4～8.4 m，地下水位在結(jié)構(gòu)底板上2.0～4.6 m范圍內(nèi)。

2 降水試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

本次降水試驗(yàn)場地選在位于廣西大學(xué)站中部的Ⅲ號(hào)出入口基坑。此基坑主體部分采用地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，連續(xù)墻深入到含水層以下，形成人工隔水邊界;出入口基坑部分采用埋深約9.0 m的鉆孔灌注樁形式，由于部分鉆孔樁并未深入或穿透含水層，故基坑內(nèi)外地下水持續(xù)相通，無法形成有效的隔水邊界，地下水呈三維流態(tài)。本次試驗(yàn)擬定采用在坑外布設(shè)一定數(shù)量的降水井進(jìn)行降水的方案，降水井設(shè)計(jì)埋深20 m。同時(shí)，為防止降水導(dǎo)致周邊地表沉降嚴(yán)重引起房屋開裂，在建筑周圍布置回灌井，降水井與回灌井同時(shí)工作。降水過程與基坑開挖同時(shí)開始，主體結(jié)構(gòu)竣工后基坑回填則降水結(jié)束。這一過程歷時(shí)90 d以上。降水過程中，粉細(xì)砂在水力作用下會(huì)被帶走，從而造成地面塌陷，給施工帶來安全隱患。因此,在圓礫層中設(shè)置高8 m的過濾器以消除此隱患。車站出入口基坑降水井示意圖如圖2所示。

圖2 車站出入口基坑降水井示意圖

采用干擾降水方法，在車站出入口基坑附近做試驗(yàn)?；又胁贾?個(gè)降水井(J1～J4)和6個(gè)觀測井(G1～G6)。各井位置如圖3所示。試驗(yàn)期間，J1～J4同時(shí)降水，并實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄各井的水位變化情況。水位觀測工具為毫安式水位測量計(jì)，精確度為1 mm；流量觀測工具為三角堰箱，精確度為0.01 m3。同時(shí)，為實(shí)時(shí)監(jiān)測周邊建(構(gòu))筑物和地表的沉降，在降水井附近布置監(jiān)測點(diǎn)(如圖4)。

圖3 基坑降水試驗(yàn)的井平面布置示意圖

2.2 降水試驗(yàn)結(jié)果

選取部分監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制各井水位曲線(如圖5和圖6)。由圖5可知：降水井J1～J4水位降深在0～4 000 min時(shí)段持續(xù)下降，4 000 min后逐漸穩(wěn)定，在12 000～16 000 min時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)最大降深;J1和J2的最大降深分別為5.7 m、5.5 m，J3和J4的最大降深分別為4.5 m、4.0 m。J3、J4相對(duì)J1、J2更遠(yuǎn)離地下連續(xù)墻，可見,地下連續(xù)墻對(duì)基坑涌水量產(chǎn)生影響，影響規(guī)律為距地下連續(xù)墻越遠(yuǎn),涌水量越大，水位降深越小。根據(jù)實(shí)測降深數(shù)據(jù)及孔徑計(jì)算可得：離地下連續(xù)墻較近處的降水井J1、J2涌水量相近，為720 m3/d;離地下連續(xù)墻較遠(yuǎn)處的J3、J4降水井涌水量為960 m3/d。

圖4 周邊建筑及地表沉降監(jiān)測布置平面示意圖

圖5 基坑降水試驗(yàn)降水井水位變化曲線

圖6 基坑降水試驗(yàn)觀測井水位變化曲線

由圖6可知：觀測井G1～G6水位降深在初始時(shí)段持續(xù)下降，4 000 min后曲線坡度變緩，水位降深逐漸穩(wěn)定;觀測井G2達(dá)到最大水位降深，降深為4.2 m，滿足基坑內(nèi)水位降深的要求;G1、G2、G3比G4、G5、G6距降水井較近，水位降深較大。同時(shí)，在G1、G2、G3中，G1、G2相對(duì)G3距地下連續(xù)墻較近，受地下連續(xù)墻影響較大，故水位降深相對(duì)較大。

選取部分建筑沉降觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制各觀測點(diǎn)沉降變化曲線如圖7所示。可知，沉降監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降絕對(duì)值和最大值均不超過2 mm，遠(yuǎn)小于控制值30 mm，說明降水過程對(duì)周邊環(huán)境的影響很小。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制地表沉降變化曲線,如圖8所示。由于地表沉降監(jiān)測點(diǎn)距離降水井較近，其累計(jì)沉降絕對(duì)值明顯大于建筑沉降監(jiān)測點(diǎn)，但最大值不超過12 mm，小于控制值30 mm，說明降水過程對(duì)地表沉降的影響不大，滿足要求。

圖7 建筑沉降變化曲線

圖8 地表沉降變化曲線

3 三維數(shù)值模型的建立及應(yīng)用

采用有限差分軟件GMS建立適合南寧基坑降水設(shè)計(jì)的三維數(shù)值模型，并在南寧特殊地層下進(jìn)行基坑降水預(yù)測，以期指導(dǎo)工程實(shí)踐。

3.1 建立水文地質(zhì)概念模型

本次抽水試驗(yàn)和基坑降水模型的平面計(jì)算范圍參考表2的影響半徑作近似取值。

本工程土層粒徑較大，參照表2取R=2 000 m。因此，在GMS軟件建模計(jì)算時(shí)，水平方向計(jì)算范圍設(shè)定為降水井群形心外2 000 m范圍內(nèi)。在豎直方向上，根據(jù)車站Ⅲ號(hào)出入口基坑地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在地面以下45 m的范圍內(nèi)簡化各土層,如圖9所示。

根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗(yàn)方案中地下連續(xù)墻和降水井的布設(shè)情況，整個(gè)模型離散為4層、141行、118列，共66 552個(gè)單元。其三維模型計(jì)算網(wǎng)格剖分如圖10所示。

圖9 水文地質(zhì)簡化模型

圖10 模型剖分網(wǎng)格立體圖

3.2 建立數(shù)學(xué)模型

為保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確，需建立與南寧盆地水文地質(zhì)概況相適應(yīng)的模型。具體控制方程如下：

邊界條件為：

H(x,y,z)Γ1=φ(x,y,z)

式中：

H——滲流場的水頭；

φ——第一類邊界上的已知水頭函數(shù)；

Kx、Ky、Kz——3個(gè)主滲透方向的滲透系數(shù)；

q——流入研究區(qū)的單寬流量；

Ss——含水層貯水率；

Γ1、Γ2——分別為第一、二類邊界條件。

3.3 水文地質(zhì)參數(shù)反演

將抽水試驗(yàn)中抽水井涌水量代入數(shù)學(xué)模型中，對(duì)比觀測井實(shí)際水位與計(jì)算水位，不斷調(diào)整并反演相關(guān)參數(shù)，兩者擬合較好后，得到水文地質(zhì)參數(shù)。對(duì)觀測井試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖11和表3所示。由軟件參數(shù)反演計(jì)算可得強(qiáng)透水層滲透系數(shù)為89.0 m/d，各觀測井計(jì)算水位與實(shí)測水位的誤差絕對(duì)值基本為0.2 m，擬合結(jié)果較理想。

圖11 模型參數(shù)擬合曲線截圖

為了進(jìn)一步證實(shí)模型的可靠性，利用降水試驗(yàn)觀測井后期的水位動(dòng)態(tài)觀測資料對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。取觀測井G1、G4的擬合結(jié)果(見圖12和圖13)。由圖可知,模擬結(jié)果與實(shí)測值吻合良好，故該數(shù)學(xué)模型可用于解決南寧現(xiàn)有復(fù)雜基坑降水設(shè)計(jì)問題。

圖12 G1觀測井水位擬合對(duì)比曲線

圖13 G4觀測井水位擬合對(duì)比曲線

3.4 三維數(shù)值模擬降水預(yù)測分析

不同的基坑邊界條件可能對(duì)基坑滲流場的結(jié)果影響很大。本文利用建立的三維數(shù)學(xué)模型分別對(duì)4種不同工況(如表4)下的基坑降水滲流場進(jìn)行預(yù)測，研究不同工況下滲流場的分布。

表4 計(jì)算工況

因?yàn)椴煌r下降水井分布位置不同，故對(duì)Ⅲ號(hào)出入口基坑數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。但為了確保模型預(yù)測結(jié)果的可靠性，需要保證對(duì)應(yīng)的抽水井與原有對(duì)應(yīng)的抽水量一致。不同工況下基坑滲流場分布結(jié)果如圖14所示。

由圖14可知：在工況1沒有地下連續(xù)墻作用下，基坑地下水位滲流場以降水群井為中心呈規(guī)則漏斗狀分布，基坑范圍內(nèi)地下水位降深較??；工況2～4中，降水井布置在基坑外側(cè)，且距離主體基坑位置越近，地下水位滲流場的形狀越不規(guī)則，在降水井一側(cè)的滲流場呈半漏斗狀分布，基坑內(nèi)部水位較均勻，變化不大。其中：工況2出入口位于主體基坑中部，與地下連續(xù)墻距離較近，外側(cè)滲流場受地下連續(xù)墻影響較大，基坑內(nèi)側(cè)降水較均勻；工況3 出入口位于基坑端部，距出入口較遠(yuǎn)一端水位降深較大，出入口一端受地下連續(xù)墻影響較小，水位降深較??；工況4出入口位于基坑中部，但地下連續(xù)墻相對(duì)較短，基坑范圍內(nèi)地下水位較低。

對(duì)各工況下地下水位滲流場模擬結(jié)果信息進(jìn)行收集，將模擬水位與設(shè)計(jì)水位進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合出入口基坑設(shè)計(jì)水位降深高程為66.3～66.8 m的要求，得到各工況下地下水位滲流場的信息對(duì)比,如圖15～18所示。

a) 工況1

b) 工況2

c) 工況3

d) 工況4

圖15 工況1下基坑模擬降深與設(shè)計(jì)降深對(duì)比

由圖15可知，在沒有地下連續(xù)墻作用下，基坑范圍內(nèi)模擬降深水位線超出設(shè)計(jì)降深水位線1.0 m左右，無法滿足水位降至坑底以下0.5～1.0 m的要求。

圖16 工況2下模擬降深與設(shè)計(jì)降深對(duì)比

圖17 工況3下模擬降深與設(shè)計(jì)降深對(duì)比

圖18 工況4下模擬降深與設(shè)計(jì)降深對(duì)比

由圖16可知，當(dāng)出入口位于主體基坑中部時(shí)，地下連續(xù)墻對(duì)水位降深影響較大，模擬水位線降到設(shè)計(jì)水位線以下0.5 m，可以滿足基坑降水設(shè)計(jì)要求。

由圖17可知，出入口位于主體基坑端部時(shí)，基坑范圍內(nèi)模擬降深水位線與設(shè)計(jì)降深水位線基本保持一致，能滿足降水設(shè)計(jì)要求。但相對(duì)工況2而言，水位降深偏小，說明出入口位于基坑中部比端部對(duì)降水影響要大。

由圖18可知，當(dāng)出入口位于110.0 m長的有地下連續(xù)墻的車站中部時(shí)，基坑范圍內(nèi)模擬降深水位線高于設(shè)計(jì)降深水位線，不能滿足要求。對(duì)比工況4與工況2、工況3可知，地下連續(xù)墻越短，對(duì)基坑降水量的影響越小。

對(duì)比工況1與工況2～4可知，無地下連續(xù)墻的情況下涌水量較大，從而導(dǎo)致基坑范圍內(nèi)地下水位降深較小。對(duì)比工況2和工況3可知，在同樣長度地下連續(xù)墻作用下，相對(duì)于工況2,由于工況3出入口位于基坑端部，此處地下連續(xù)墻無法充分發(fā)揮其隔水作用，基坑降水受地下連續(xù)墻影響較小，地下水位較高。對(duì)比工況2和工況4可知，地下連續(xù)墻越長，隔水效果越好，基坑范圍內(nèi)地下水位降深越大。

綜上可知，有無地下連續(xù)墻，以及車站主體基坑的地下連續(xù)墻長度和出入口位置的不同,對(duì)出入口基坑地下水滲流場分布形態(tài)影響很大。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，該模型各觀測井計(jì)算值與實(shí)測值的誤差絕對(duì)值基本保持在0.2 m，兩者擬合較好。

(2) 群井干擾降水試驗(yàn)中：無地下連續(xù)墻時(shí)地下水滲流場呈漏斗狀分布；存在既有地下連續(xù)墻時(shí)，地下連續(xù)墻的隔水效果會(huì)對(duì)降水井地下水補(bǔ)給產(chǎn)生影響，使得靠近地下連續(xù)墻部分基坑涌水量較小，水位降深較大，離地下連續(xù)墻較遠(yuǎn)處涌水量較大，水位降深較小。

(3) 根據(jù)自主建立的南寧盆地基坑降水?dāng)?shù)值模型對(duì)4種不同工況條件下的降水預(yù)測研究發(fā)現(xiàn)，降水效果受有無地下連續(xù)墻、車站長度、出入口位置的影響，且有無地下連續(xù)墻對(duì)降水效果影響較大，設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮。對(duì)于連續(xù)墻較短車站,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理設(shè)置降水，以免降水深度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。