大厚度強透水地基河床干施工止水方案分析

魏 蕓，袁 琳

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引 言

佳木斯某河床因特殊目的需要滿足干施工條件，場地有厚度大于50 m的礫砂類強透水層，實現(xiàn)干施工的止水排水方案面臨很大的挑戰(zhàn)。設(shè)計擬采用圍堰+止水體+管井降水的方案，這里圍堰本身的設(shè)計不予討論，重點對止水體+管井降水的設(shè)計思路加以論述。止水方案重點需要確定止水體插入深度，該插入深度直接影響圍堰斷面的滲透穩(wěn)定和圍堰總涌水量，之后通過總涌水量確定管井布置方案。

1 有限元滲流量計算準確性分析

滲流分析共采用三種方法，其中前兩種為傳統(tǒng)公式算法，涉及經(jīng)驗系數(shù)，最后一種是有限元算法。由于經(jīng)驗系數(shù)及公式本身有一定的局限性，本報告中僅限于驗證有限元模型的正確性，最終圍堰滲流量以軟件計算結(jié)果統(tǒng)計。

1）《水利水電工程施工手冊》第5卷虛擬厚度法

工程所在位置典型鉆孔的抽水試驗結(jié)果如表1。

表1 典型抽水試驗成果

由以上地勘報告可知，④礫砂、⑤圓礫、⑥礫砂、⑦圓礫、⑧礫砂、⑨圓礫、⑩礫砂層滲透系數(shù)接近，且總厚度占透水層厚度的95 %左右，選取任何一層作為控制滲流的主要層次均可，這里選?、釄A礫層作為控制滲流的主要層次。

實際厚度 51.5 m，換算厚度Ti=45.6 m，將ki=0.166 cm/s及Ti代入單層結(jié)構(gòu)公式求解：

2）按照《干船塢設(shè)計規(guī)范》（JTJ 252-87）附錄九計算

由于這種計算方法不適用于堤身透水且無止水體情況，假設(shè)止水體插入透水層50 %且堤身不透水，計算如下：

式中：

q為滲流量（m3/s·m）；

T為基底透水層厚度；

Hs為圍堰內(nèi)外水頭差；

L’為滲透輪廓的等效總長度（m）；

k為地基滲透系數(shù)，取透水層滲透系數(shù)平均值0.0016 m/s；

∑ls為滲透輪廓的水平段長度（m）；

∑lc為滲透輪廓的垂直段長度（m）；

∑lx為滲透輪廓傾斜段等效長度之和（m）；

l1為滲透輪廓傾斜段的水平投影長度（m）；

l2為滲透輪廓傾斜段的垂直投影長度（m）；

m’為計算滲流量時的垂直滲徑等效系數(shù)，單板樁情況采用1.3～1.5，取1.3。

代入以上數(shù)值，計算得：q=0.0044 m3/(s·m)。

3）seep/w分析

首先，為驗證軟件計算精度，對上述兩種方法的計算工況進行復(fù)核，如圖1。

圖1 有限元計算結(jié)果驗證模型示意

由計算可知：不設(shè)止水體時，圍堰的單寬滲流量為0.007 m3/s，虛擬厚度法計算結(jié)果0.0075 m3/s，誤差6.7 %；止水體打至透水層的50 %時，軟件計算為 0.00489 m3/s，應(yīng)用《干船塢設(shè)計規(guī)范》中的公式計算單寬滲流量為 0.0044 m3/s，誤差為11.14 %。

2 滲流量有限元分析

根據(jù)上邊的分析結(jié)果，有限元計算滲流量方法可行。下面用此方法分析止水體插入深度不同時的滲流量。

1）模型邊界的確定

為研究斷面寬度選取對涌水量的影響，計算了以下幾種工況。

工況一：水頭75 m，止水體底高程50 m；

工況二：水頭78 m，止水體底高程50 m；

工況三：水頭78 m，止水體底高程37 m。

本工程止水體擬采用高壓噴射灌漿體，其滲透系數(shù)確定根據(jù)《水利水電工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5200-2004）表5.0.3高噴墻墻體性能指標中止水體滲透系數(shù)范圍可取1×10-6～9×10-5cm/s，此處分析取1×10-6cm/s。

將不同位置的涌水量作統(tǒng)計見圖2。

圖2 涌水量分布

由以上分析可以得出如下結(jié)論：

①堤身出逸點以外約8 m范圍（即堤腳位置）涌水量占斷面涌水量的80 %以上，堤身范圍涌水量約占13 %，其余范圍（堤腳外推60 m）涌水量不足10 %；

②該規(guī)律不受止水體打設(shè)深度及內(nèi)外側(cè)水位差影響。

基于以上結(jié)論，當兩排圍堰內(nèi)側(cè)堤腳直線距離小于60 m時必須考慮滲流場的對沖疊加效應(yīng)。數(shù)值分析建模需采用全斷面。

2）滲流的全斷面分析

圍堰內(nèi)側(cè)堤腳所圍區(qū)域是一個長為 225.5 m，寬為51.15 m的長方形，因此圍堰所圍區(qū)域按長度和寬度兩個方向做全斷面滲流分析。根據(jù)實際情況，外側(cè)水頭取79.6 m，內(nèi)側(cè)按干開挖考慮，水頭取原泥面71.5 m，長度方向橫斷面對h=50 %，60 %，70 %，80 %，90 %，95 %，100 %時的七種工況進行了計算，用h表征止水體插入深度與總透水深度之比，計算結(jié)果匯總見表2。

表2 計算結(jié)果匯總

可見，止水體滲透系數(shù)由1e-6增大到9e-5（增長了 90倍）時，相對于止水體插入透水層的相對厚度為50 %，60 %，70 %，80 %，90 %，95 %，100 %時，總涌水量分別增加1.0 %，1.4 %，2.0 %，4.5 %，5.0 %，6.8 %和84.4倍。可見當止水體不打穿透水層時，總涌水量對止水體的滲透系數(shù)敏感性較低，當打至不透水層時，涌水量的增加量（90倍）與止水體的滲透系數(shù)增加倍數(shù)（84.4倍）基本相當。

3 最大允許水力比降確定

止水體的深度首先要依據(jù)滲透變形的類型及其所允許的最大水力比降確定。對提取長度方向斷面h=50 %，60 %，70 %，80 %，90 %，95 %，100 %，堤腳處i=0.25，0.2，0.15，0.14，0.10，0.02的七種工況的滲流進行了計算，得到其水力比降等值線，局部示意見圖3（此處僅呈現(xiàn)部分圖）。

圖3 長度方向斷面不同工況下的水力比降等值線分布局部示意（部分）

按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）附錄 G，本工程場地土屬巨厚層的碎石類土，易發(fā)生管涌。在無試驗資料的基礎(chǔ)上依據(jù)表G.0.7確定允許水力比降為0.1～0.25。在滲流出口有反濾層時可取大值0.25（經(jīng)計算，當止水體插入深度占透水層厚度的 42 %時堤腳處最大水力比降為 0.3）。

4 止水帷幕+管井降水方案設(shè)計

為確實保證圍堰內(nèi)側(cè)干施工條件，需要在圍堰內(nèi)側(cè)布置降水井，涌水量通過降水井抽出。因此設(shè)計采用止水帷幕+管井降水相結(jié)合的方案，降水井的設(shè)計決定了單井出水量，通過總涌水量和單井出水量確定降水井數(shù)量。

依據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）管井的單井出水能力：

式中：

q為單井出水能力（m3/d）；

rs為過濾器半徑（m）；

l為過濾器進水部分的長度（m）；

k為含水層滲透系數(shù)（m/d）。

根據(jù)該規(guī)范，降水井數(shù)量n=1.1Q/q。

由上面的分析可知，本設(shè)計采用止水體插入相對深度為50 %和60 %均可滿足滲透穩(wěn)定性要求，因此，可針對這兩種插入深度在考慮工程造價之后綜合確定管井數(shù)量。

5 結(jié) 論

通過該項目的實施及研究可得到如下結(jié)論：

1）當止水體不穿透整個透水層時，涌水量受止水體插入深度控制，止水體本身的滲透性影響不大；

2）止水體打穿整個透水層時，涌水量與止水體的滲透系數(shù)之間基本成正比；

3）止水體的插入深度在滿足滲透穩(wěn)定的前提下，需綜合考慮經(jīng)濟性因素確定；

4）本項目勘察報告中注水試驗和抽水試驗所得滲透系數(shù)的平均值分別為10 m/d和130 m/d，根據(jù)實際施工現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)反推實際的滲透系數(shù)比抽水試驗的結(jié)果小，但遠遠大于注水試驗的結(jié)果。因此，直接采用注水試驗所得滲透系數(shù)計算涌水量肯定是不合適的，但利用抽水試驗的滲透系數(shù)計算的涌水量又偏大，相關(guān)經(jīng)驗有待在以后的工程中進一步積累。