基于Visual Modflow軟件的基坑降水設計及影響分析

呂善國

（南京南大巖土工程技術有限公司，江蘇 南京 21 1800）

0 引言

隨著全國各地城市建設的發(fā)展，在各種復雜含水系統(tǒng)中開挖的基坑工程越來越多，如何處理好地下水就成為工程建設順利實施的關鍵?；咏邓こ碳仁腔A工程順利進行的先決條件，同時也會造成周邊地面的不均勻沉降，對周圍建筑物造成危害[1]。

本文以揚中市某建設項目為例，基于Visual Modflow 軟件對該項目基坑降水進行設計，并對降水可能引起基坑周邊地面沉降進行預測，并提出預防地面沉降的措施和建議。

1 工程概況

該項目位于揚中市核心地段，西至港東南路，北至揚子東路，東側及南側為河濱路。基坑形狀呈三角形，地下室為二層滿堂地下室?；娱_挖面積約11850m2，支護周長約465m，普遍開挖深度為13m?；铀闹転榈叵鹿芫W密布的市政道路，周邊緊臨多棟已建3～7 層老舊建筑物，西側通江河流三茅大港與擬建場地僅有港東南路相隔?；涌偲矫鎴D見圖1。

圖1 總平面圖

圖2 基坑支護平面布置圖

2 水文地質條件

根據(jù)勘察揭示的土層結構特征分析，本場地地下水為孔隙潛水，賦存于場地內各土層中，水量豐富。

地表①層雜填土較為松散，賦水性及透水性好，大氣降水極易滲入到下部土層中。②-1 層淤泥質粉質粘土夾粉土飽含地下水，整體透水性弱，水平向稍強，其余②-2～④層均飽含地下水，透水性較強。場地地下水主要受大氣降水補給，以逕流、蒸發(fā)形式排泄，潛水水位隨季節(jié)變化明顯，年變幅0.5～1.0m 左右。勘察期間測定的地下水穩(wěn)定水位埋深：0.6～2.0m，水位高程+1.68～+2.30m。

本場區(qū)抽水試驗報告給出的土層綜合滲透系數(shù)K=15m/d，影響半徑R=500m 以上。

表1 水文地質模型豎直地層

2 基坑降水數(shù)值模擬計算

3.1 Visual Modflow 軟件簡介

Visual Modflow 是一種三維地下水流和溶質運移模擬評價的標準可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)，它可以仿真模擬深基坑降水過程中地下水位的變化情況[2]。

3.2 基坑降水數(shù)值模型的建立

3.2.1 模型假定

為了便于滲流軟件計算，現(xiàn)對數(shù)值模型作如下假定：

1、降水井影響區(qū)域含水層等厚、均質、水平各向同性；

2、邊界含水層水頭恒定；

上式中除了參考距離d0可以人為擬定外(本次實驗設置d0=1m)，其它參數(shù)的估計需要用到已知數(shù)據(jù)，即通過已知數(shù)據(jù)來估計路徑損耗指數(shù)n和參考信號強度P0。

3、坑內降水井按定流量進行降水。

3.2.2 模型建立

現(xiàn)對場地水文地質條件進行概化，建立本工程水文地質概念模型。根據(jù)本項目巖土工程勘察報告及現(xiàn)場抽水試驗所提供的地質和水文資料，本次基坑降水數(shù)值模型以基坑位置為中心確定整個模擬范圍為2km×2km 區(qū)域，深度取為93 米，基坑區(qū)域網格進行加密，以提高計算精度（如圖3、圖4、圖5 所示）。土層根據(jù)鉆孔資料劃分為7 個模擬層，土層滲透系數(shù)取現(xiàn)場抽水試驗提供的土層綜合滲透系數(shù)。止水帷幕采用邊界防滲墻來模擬，厚度輸入0.85m，滲透系數(shù)取1×10-9m/s[3]。模型邊界按定水頭計算，定水位取地勘報告提供的最高水位高程+2.30m。

圖3 模型分層剖面圖

圖4 三維數(shù)值模型立體圖

圖5 基坑范圍網格劃分平面圖

3.2.3 模擬方案

采用Visual Modflow 軟件按三維非穩(wěn)定流模型進行降水工程模擬，綜合考慮基坑施工期間的不確定因素，模擬周期取至800d。采用防滲墻模擬基坑四周長度為30 米的止水帷幕。根據(jù)工程經驗，坑內先按200m2/口左右布置降水井，共需布置58 口，設計井深28 米，通過在模型中輸入不同的單井抽水量反復試算，直至數(shù)值模擬的坑內地下水位降至設計水位為止。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 基坑涌水量預測

因基坑周邊采用三軸深攪樁作為止水帷幕，對地下水滲流具有一定的繞流阻水作用，解析公式無法適用該類條件下的涌水量計算，本文基于Visual Modflow 軟件采用三維有限差分法數(shù)值模擬技術，充分考慮三軸深攪樁的影響，對基坑涌水量進行預測。

通過反復試算，模擬得出當單井抽水量取250m3/d 時基坑內水位降至標高-10.7m（模型取地面標高為+3.0m，坑內設計水位標高-11.0m），數(shù)值模擬坑內水位近似達到設計降深。降水模擬結果詳見圖6 和圖7。從而近似預測本基坑的總涌水量約為14500m3/d。

3.3.2 基坑周邊地下水水位降深模擬

根據(jù)數(shù)值模擬結果，坑內水位降至設計標高后，基坑周邊地下水水位標高最低為+0.32m，水位降深最大約為2m。具體詳見圖7、圖8。

圖6 降水水位等值線圖

圖7 降水水位云圖

圖8 降水水位剖面云圖

3.3.3 降水對基坑周邊地面沉降影響分析

根據(jù)數(shù)值模擬計算出的基坑周邊各點的水位降深值，采用分層總和法[4]，通過確定壓縮層厚度，計算各層自重應力、附加應力、兩者平均值和壓縮量等，計算出基坑周邊各點累計沉降量[5]。

通過計算，預測基坑四周地面沉降量在0～35mm 之間。數(shù)值模擬結果表明基坑降水對周邊地面沉降具有較大影響，實際施工過程中應采取相應的減小地面沉降的預防措施。

5 結論

本文基于Visual Modflow 三維有限差分軟件以非穩(wěn)定滲流理論為基礎，對基坑工程降水進行設計，為基坑降水設計增加了一種新的可行方法。根據(jù)數(shù)值模擬結果進一步分析了基坑降水可能對坑外地面產生的影響，并得出如下結論：

1）因現(xiàn)有的基坑降水設計大多采用大井法，基坑涌水量計算結果與實際抽水量偏差較大，本文基于Visual Modflow 軟件，利用現(xiàn)場抽水試驗得到的水文地質參數(shù)，模擬了有止水帷幕阻隔，降水井口數(shù)一定（58 口），以坑內地下水降至設計水位為條件，經多次模擬試算，得出單井抽水量約為250m3/d，預測本基坑的總涌水量約為14500 m3/d。

2）模擬計算結果與實際數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)一定程度的差異，因此，還需要根據(jù)實際情況和實際監(jiān)測結果對降水方案進行動態(tài)調整[5]。

3）數(shù)值模擬結果表明基坑降水對周邊地面沉降具有較大影響，實際施工過程中應結合土方開挖計劃做到按需降水，嚴格控制地下水的抽排量，施工過程中密切觀測坑內外水位變化情況，及時采取回灌井回灌等措施減小地面沉降。