懸掛式止水帷幕室內模型試驗研究

張欽喜, 閆金波, 王成名, 張志紅

(北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124)

在基坑施工過程中，基坑深度在天然地下水位以下時，需要對地下水進行處理，從而保持基坑干燥狀態(tài)，創(chuàng)造有利于主體結構施工的環(huán)境.目前，地下水的處理方式主要分為止水與降水兩種.止水法即在隔水層相對較淺的情況下，將止水帷幕插入隔水層中，從而完全隔斷坑內外的水力聯(lián)系.但是，當?shù)叵潞畬虞^厚時，止水帷幕止水將大大增加工程的造價與工期，同時隨著止水帷幕深度的增加，施工難度也逐漸加大，止水帷幕的質量難以得到保證.降水法即在基坑周圍設置若干降水井，通過抽水使基坑及其周圍區(qū)域的自然水位降至坑底以下，以達到地下水處理的目的.但是大量地抽排地下水不僅會造成水資源的嚴重浪費，同時還將導致基坑周圍地面的差異沉降.因此，在一些工況下，采用“止降結合”不失為一種有效的方式.通過懸掛式止水帷幕隔水與坑內降水井疏干相結合，既可以降低工程造價，還可以減少水資源的浪費以及基坑周邊的沉降.

懸掛式止水帷幕作為一種綠色經(jīng)濟的控水方案，近年來在工程建設中逐步得到推廣和應用，基礎研究工作也逐漸加強.在室內試驗方面，文獻[1-6]通過室內模型試驗分析不同埋深和不同擋水截面寬度的地下構筑物對地下水滲流的影響，探討了各工況下地下水位隨時間變化的規(guī)律和穩(wěn)定狀態(tài)時的水位分布規(guī)律；在數(shù)值模擬方面，文獻[7-9]使用地下水滲流軟件，模擬了西安地鐵1號線通化門車站深基坑降水工程，對有無懸掛式止水帷幕兩種工況下的水位降深進行對比，定量地分析懸掛式止水帷幕對基坑降水的影響；在理論分析方面:文獻[9-11]根據(jù)地下水動力學原理，提出了懸掛式止水帷幕條件下的涌水量計算公式，分析地下水在懸掛式止水帷幕影響下的滲流特征，同時用系統(tǒng)的數(shù)值試驗對公式進行了精度驗證.

限于實際工程中采用懸掛式止水帷幕的工程案例較少，且相關理論研究不足，缺乏帷幕插入深度合理設計的科學依據(jù).本文通過開展室內地下水滲流模型試驗，研究了不同帷幕插入深度對基坑內涌水量、基坑外水位降深、降水影響半徑、地面沉降量及水頭損失的影響,探討了在不同評價指標下，帷幕插入深度的合理選取方法.

1 室內模型試驗

1.1 試驗裝置

自行設計研制了室內地下水滲流模型箱，試驗系統(tǒng)主要由土箱、上水箱、水循環(huán)系統(tǒng)、水壓監(jiān)測系統(tǒng)、沉降監(jiān)測系統(tǒng)、進水過渡板、帷幕擋板、流量計量系統(tǒng)組成.如圖1所示.

試驗模型箱體由19 mm厚鋼化玻璃制成，其尺寸(長、寬、高)為3 m×0.7 m×1.5 m.對土箱四周進行整體加固，共設有三道抱箍、四座鋼柱、兩條拉梁以及底部一圈鋼支撐，以防鋼化玻璃在水土合力作用下發(fā)生位移變形，進而導致土箱漏水，影響試驗結果.左側上水箱模擬基坑降水影響半徑外的定水頭邊界，右側開挖部分土體模擬基坑內側，基坑尺寸(長、寬、高)為0.7 m×0.5 m×0.5 m.如圖2所示.

水壓監(jiān)測系統(tǒng)由19個液位計和10個孔隙水壓力計組成.液位計排布在土箱外側，間隔10 cm，通過水箱寶塔接頭穿過預留在鋼化玻璃上的孔洞與土箱內的觀測孔相連.孔隙水壓力計埋置在砂土中，位于基坑外帷幕旁，布設間隔20 cm.如圖3所示.

沉降監(jiān)測系統(tǒng)由11根位移測微計組成，位移測微計放置于砂土表面，沿著縱向布置，間隔20 cm.如圖4所示.

1.2 試驗土樣

采用砂土作為本試驗土樣.選擇適宜的試驗土樣應當滿足以下條件:①保證滲流遵循達西定律；②能夠在較短時間內達到滲流穩(wěn)定.鑒于此，試驗土樣選用粒徑范圍在0.21～0.85 mm之間的砂粒.通過篩分法測定的土樣顆粒級配曲線如圖5所示.

根據(jù)土工試驗規(guī)程，對砂土的物理力學指標天然密度、最大干密度、最小干密度、含水量、滲透系數(shù)、壓縮模量進行測算.各項參數(shù)結果如表1所示.

表1 砂土各項參數(shù)

1.3 試驗方案

基坑地下水滲流過程如圖6所示，右側上水箱為土箱提供水源，左側在基坑開挖面以下有溢水口排水，觀測井在土箱中均勻排布，與箱外的液位計連接，試驗過程中維持上下水頭穩(wěn)定，上水頭固定在1.3 m，下水頭固定在1 m(水頭為相對于土箱底部的水位).持續(xù)向上水箱中注水，多余的水從上水箱的溢水口溢出，使上水箱的水位維持在初始水位，打開下游溢水口的閥門，使下游基坑處保持有水流出.滲流過程中，每隔10 min讀取一次下游溢水口出水流量，當相鄰兩次讀數(shù)不再變化時，即可認為滲流達到穩(wěn)定狀態(tài)，讀取此時水位監(jiān)測系統(tǒng)中各點的水位值.改變帷幕插入深度，可進行下一組試驗.設置帷幕的插入深度分別為70,80,90,100,110 cm，開展地下水滲流試驗，同時考慮無帷幕設計的基坑地下水滲流情況，試驗共設計6種工況.

2 試驗結果與分析

2.1 帷幕插入深度對坑外水位降深的影響

根據(jù)試驗中水位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，得到不同帷幕插入深度下坑外水位的變化規(guī)律，如圖7所示.

從圖7可以看出，坑外的水位隨著帷幕插入深度的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢.帷幕插入深度每增加10 cm(70～110 cm)，坑外水位的減小量分別為0.8，0.4，3.9，1.2 cm.當插入深度在70～90 cm之間(即1.4D～1.8D，D為基坑開挖深度)時，對坑外水位降深的減少效果較??；當插入深度在90～100 cm之間(1.8D～2D)時，對坑外水位降深的減少效果顯著；當插入深度在100～110 cm之間(2D～2.2D)時，對坑外水位降深的減少效果再次減弱.因此從控制坑水位降深這一因素考慮，合理的帷幕插入深度宜在90～100 cm之間(1.8D～2D).

2.2 帷幕插入深度對基坑涌水量的影響

根據(jù)試驗中流量計量系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)，得到不同帷幕插入深度下坑內涌水量的變化規(guī)律，如圖8所示.

從圖8可以看出，坑內涌水量隨著帷幕插入深度的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢.帷幕插入深度每增加10 cm(70～110 cm)，坑內涌水量的減少量分別為0.13，0.18，0.57，0.09 m3/d.當插入深度在70～90 cm之間(1.4D～1.8D)時，對坑內涌水量的減少效果較?。划敳迦肷疃仍?0～100 cm之間(1.8D～2D)時，對坑內涌水量的減少效果顯著；當插入深度在100～110 cm之間(2D～2.2D)時，對坑內涌水量的減少效果再次減弱.因此從控制坑內涌水量這一因素考慮，合理的帷幕插入深度宜在90～100 cm之間(1.8D～2D).

2.3 帷幕插入深度對降水影響半徑的影響

根據(jù)圖7可以看出，降水所造成的影響隨著帷幕插入深度的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢.但是由于地下水運動具有連續(xù)性，而且受室內模型尺寸的限制，所以較難觀測到明顯的降水漏斗曲線的邊界，故設定當坑外水位降深與含水層厚度的比值小于99%時，水位降深可忽略不計，由此可得出在室內模型試驗中各工況的影響半徑結果，如圖9所示.

從圖9可以看出，降水影響半徑隨著帷幕插入深度的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢.帷幕插入深度每增加10 cm(70～110 cm)，降水影響半徑的減少量分別為7.0，14.4，7.9，5.0 cm.當插入深度在70～80 cm之間(1.4D～1.6D)時，對降水影響半徑的減小效果較??；當插入深度在80～90 cm之間(1.6D～1.8D)時，對降水影響半徑的減小效果顯著；當插入深度在90～110 cm之間(1.8D～2.2D)時，對降水影響半徑的減小效果逐漸減弱.因此從控制降水影響半徑這一因素判斷，合理的帷幕插入深度宜在80～90 cm之間(1.6D～1.8D).

2.4 帷幕插入深度對坑內外水頭損失的影響

根據(jù)試驗中水位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，得到不同帷幕插入深度下坑內外水頭損失的變化規(guī)律，如表2所示.

表2 試驗各工況坑內外水頭損失

從表2可以看出，在帷幕插入深度70～110 cm范圍內，坑外水頭損失占總水頭損失的44%～47%，比值隨著帷幕插入深度的增加先減小后增大，坑內水頭損失占總水頭損失的52%～55%，比值隨著帷幕插入深度的增加先增大后減小，帷幕底部小范圍內的水頭損失占總水頭損失的0.2%～1.1%，比值隨著帷幕插入深度的增加逐漸增大.坑內外水頭損失比值接近1∶1，且坑內水頭損失略大于坑外水頭損失.當坑外水頭損失達到最小時，即帷幕插入深度在90～100 cm(1.8D～2D)時，基坑降水對坑外造成的水頭影響最小，因此從坑內外水頭損失占比這一因素考慮，合理的帷幕插入深度宜在90～100 cm之間(1.8D～2D).

2.5 帷幕插入深度對坑外地表沉降的影響

根據(jù)沉降監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，得到不同帷幕插入深度下坑外地表沉降的變化規(guī)律，如圖10所示.

從圖10可以看出，坑外地表沉降量隨著帷幕插入深度的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢，且距離帷幕越遠，沉降越小.帷幕插入深度每增加10cm(70～110 cm)，坑外最大沉降減小量分別為2.9 ，0.4，13.33，4.3 μm，當插入深度在70～90 cm之間(1.4D～1.8D)時，對坑外最大沉降的減少效果較小；當插入深度在90～100 cm之間(1.8D～2D)時，對坑外最大沉降的減少效果顯著；當插入深度在100～110 cm之間(2D～2.2D)時，對坑外最大沉降的減少效果再次減弱.因此從控制坑外最大沉降這一因素考慮，合理的帷幕插入深度宜在90～100 cm之間(1.8D～2D).

綜合考慮基坑涌水量、降水影響半徑、坑外水位降深及地表沉降幾個重要參數(shù)，建議最適宜的帷幕插入深度為90 cm(1.8D).

3 結 論

1) 基坑涌水量、坑外水位降深及地表沉降隨著帷幕插入深度的增加而減小，且在帷幕插入深度增加的過程中，涌水量和坑外水位降深的變化量先增大后減小.

2) 降水影響半徑隨著帷幕插入深度的增加而減小，且在帷幕插入深度增加的過程中，降水影響半徑的變化量先增大后減小.

3) 基于試驗結果，對于深厚潛水含水層，建議懸掛式止水帷幕插入深度可設計為基坑開挖深度的1.8倍.

4) 坑外水頭損失占比隨著帷幕插入深度的增加先減小后增大，坑內水頭損失占比隨著帷幕插入深度的增加先增大后減小，坑內與坑外水頭損失的比值接近1∶1.