某鄰近堤防深基坑工程防滲帷幕布置研究

王雪紅，劉曉青，張 慧，王 欣,姚 璐

(1.南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.揚(yáng)州市勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225131)

深基坑工程是一項涉及范圍廣且具有時空效應(yīng)的綜合性工程[1]，也是研究較為熱門的課題。由于開挖深度大，影響范圍也相對較大。近年來在城市建設(shè)不斷發(fā)展過程中，由于地理條件、城市規(guī)劃、交通條件、工程投資等多方面的影響，一些存在深基坑開挖的工程，其建設(shè)地點可能位于堤防附近，這勢必會對鄰近堤防產(chǎn)生一定的影響。臨近堤防深基坑施工過程中面對較大的補(bǔ)水邊界，在考慮基坑自身穩(wěn)定的同時還要保證臨近堤防的安全，對滲流要求較為嚴(yán)格。關(guān)于深基坑自身的穩(wěn)定，很多學(xué)者已經(jīng)做了充分的研究，但目前由于二維有限元具有模型簡單、計算速度快的優(yōu)點，對于臨近堤防深基坑滲流計算問題，大多仍采用二維分析方法[2-3]，雖然計算結(jié)果具有一定參考價值，但難以反映周邊整體滲流情況，特別是側(cè)向滲流情況。要想對工程中帷幕整體布置進(jìn)行研究和優(yōu)化布置，仍需建立三維模型。關(guān)于帷幕的布置，一些學(xué)者結(jié)合工程實際通過建立相應(yīng)的模型計算得出較優(yōu)的布置方案。崔煒等[4]采用三維有限元法對某庫區(qū)進(jìn)行滲流狀態(tài)模擬分析，得出壩肩帷幕灌漿長度與水庫滲漏量呈反比的關(guān)系；趙宇豪等[5]分析了止水帷幕插入比對坑外環(huán)境的影響，得出止水帷幕插入比與基坑降水對周邊環(huán)境的影響范圍成負(fù)相關(guān)的關(guān)系；施華堂等[6]通過三維滲流計算分析，縮短了帷幕布置線路。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，臨近堤防基坑防滲墻側(cè)向?qū)挾炔贾脤εR近堤防和基坑滲流影響的研究較少，為了得出其寬度對臨近堤防和基坑滲流影響規(guī)律，對工程中帷幕整體布置進(jìn)行優(yōu)化，本文結(jié)合工程實際建立三維有限元模型，通過分析添加帷幕前后以及不同側(cè)向帷幕寬度下開挖過程中基坑四周滲流情況，試算確定防滲帷幕尤其是側(cè)向防滲帷幕的布置；通過三維滲透坡降云圖直觀反映易發(fā)生滲透破壞位置，并提醒進(jìn)行重點監(jiān)測及施工；分析開挖過程中對鄰近防洪堤滲流影響規(guī)律，保證防洪安全。

1 工程概況

1.1 基坑及周邊環(huán)境概況

某建筑工程位于京杭大運(yùn)河揚(yáng)州段東側(cè)河畔，距離堤腳線75 m左右，位于堤防管理范圍外、安全保護(hù)區(qū)內(nèi)[7]，周邊目前無其他建筑物。工程段堤防等級為2級，堤頂高程9.0 m，堤頂寬度6.0 m，迎水側(cè)坡比緩于1∶3，背水側(cè)坡比1∶3。50年一遇防洪設(shè)計水位8.0 m，內(nèi)河常水位5.0 m，周邊地面高程6.5 m左右。基坑開挖形狀建模時采用簡化規(guī)則模型，開挖長度275 m，寬度205 m左右、深度12 m，為深基坑工程[8]。基坑采用分級開挖放坡的型式，放坡馬道寬1.5 m，一級開挖深度4.0 m，坡比1.0∶1.2；二、三級開挖深度均為4.0 m，坡比1.0∶1.5，坡面采用掛網(wǎng)噴細(xì)石混凝土支護(hù)?？觾?nèi)均勻布設(shè)降水井，坑外側(cè)布設(shè)應(yīng)急降水井，近堤防側(cè)布置6口回灌井，放坡馬道處設(shè)置輕型降水井點輔助降水，按基坑開挖需求降水，基坑外水位變化小于0.5 m/d。工程段基坑開挖處堤防橫斷面見圖1。

圖1 工程段基坑開挖處堤防橫斷面(m)

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

場地地貌類型屬三角洲平原的微凸高沙平原，在勘探深度范圍內(nèi)所揭示的地層均為第四紀(jì)松散堆、沉積物，按成因類型和土質(zhì)特征，模型范圍內(nèi)共分5層，土體參數(shù)表見表1。工程范圍內(nèi)地下水類型為松散巖類孔隙性潛水及松散巖類孔隙性承壓水。①層素填土受人類活動及自然因素的影響較大，存在裂隙、空隙、孔洞等，具有一定的透、含水性；②1、②2、②3粉土層具弱透水性，①、②1、②2、②3層共同構(gòu)成場地的潛水含水層。下伏③層粉質(zhì)黏土，為潛水含水層的相對隔水底板，以下為承壓水層，埋藏較深，不易發(fā)生基坑突涌。

基坑開挖范圍內(nèi)分布有粉土粉砂層且靠近河道有較大的補(bǔ)水邊界，地下水量豐富，因此滲流安全是工程安全的重要考慮內(nèi)容。

2 有限元計算原理及模型建立

2.1 計算原理

有限元法是一種求解連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題的數(shù)值方法，以剖分差值和變分原理為基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于各類偏微分方程的求解中。計算時首先將連續(xù)體離散成有限個通過節(jié)點連接互不重疊的單元，進(jìn)行單元分析，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將控制微分方程離散求解。滲流計算時假定符合達(dá)西定律[9]，模型在邊界條件下，采用廣義拉普拉斯方程求解穩(wěn)定滲流場，見式(1)，采用有限元法把求解偏微分方程的定解問題轉(zhuǎn)換成變分問題。

(1)

式中kx、ky、kz——x、y、z方向的滲透系數(shù)，假定各向同性；h——點(x，y，z)處的水頭函數(shù)。

2.2 有限元模型的建立

為減少模型邊界尺寸對計算結(jié)果的影響，模型深度至少取2倍的帷幕深度[10]，上下游方向至少取1倍壩高[11]，結(jié)合計算精度和計算工作量，本次模型基礎(chǔ)深度取2.1倍的帷幕深度(按落底式算)，堤防迎水側(cè)寬度取約3.5倍堤高，模型地基總長度取825 m，總寬度取658 m。為便于不同開挖階段的計算，根據(jù)地層數(shù)據(jù)和基坑開挖階段分層建立模型。同時為減少模型建立工作量，擬在近堤防側(cè)基坑口外3 m處預(yù)設(shè)一排防滲帷幕單元，帷幕擬采用水泥攪拌樁或高壓旋噴樁，樁徑0.85 m，樁間距1.2 m。建模時防滲帷幕簡化為連續(xù)墻以利于網(wǎng)格的劃分及計算，采用等效剛度法計算等效厚度為0.67 m。

六面體網(wǎng)格劃分時雖比四面體網(wǎng)格耗費(fèi)時間，但網(wǎng)格質(zhì)量高、計算快、精度高。本次網(wǎng)格劃分時盡量采用六面體，實在不能劃分的采用四面體。同時對堤防、基坑土體和帷幕等主要分析對象局部加密，模型網(wǎng)格劃分示意見圖2。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意

2.3 邊界條件

邊界條件考慮約束、重力和水位條件。約束：上部為自由端，四周采用法向約束，底部采用固定約束。重力方向為Z軸負(fù)方向。水位：由于工期較長，考慮較不利情況，施工過程中可能遭遇洪水，迎水側(cè)水位取50年一遇防洪設(shè)計水位8.0 m；背水側(cè)地面無水，基坑處為基坑開挖降水水位，取為基坑底下0.5 m，開挖階段1取2.0 m、開挖階段2取-2.0 m、開挖階段3取-6.0 m。

2.4 土體本構(gòu)模型

土體力學(xué)特性十分復(fù)雜，是非線性、非彈性體，具有剪脹、剪縮等多重特性，理想的彈塑性模型和常規(guī)的摩爾庫倫模型不能滿足深基坑的計算要求，而硬化土模型考慮了土的剪切和壓縮硬化[12-13]，能夠反映深基坑復(fù)雜的應(yīng)力路徑[14]，MIDAS GTS 提供了這樣一種計算模型，即：修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型。接觸面設(shè)置：假定高壓旋噴樁與土體間不發(fā)生相對位移，樁與土體通過界面單元傳遞法向力和切向力，界面強(qiáng)度折減系數(shù)取為0.65。

表1 模型材料參數(shù)

3 模型計算及分析

一般認(rèn)為基坑沉降影響范圍為2～3倍的開挖深度，本次基坑距離堤角75 m，超過基坑開挖深度的3倍，在經(jīng)驗沉降影響范圍外且周邊無其他建筑物，因此本文重點分析滲流問題。計算時利用激活或鈍化單元來模擬基坑分步開挖過程，通過改變單元屬性和設(shè)置界面單元來模擬防滲帷幕。

3.1 初始和開挖不加帷幕狀態(tài)

為了便于對比分析帷幕對滲流影響，首先對模型進(jìn)行基坑開挖前初始狀態(tài)、基坑開挖不加帷幕狀態(tài)計算分析?；娱_挖前洪水期堤后逸出滲透坡降0.121，小于允許滲透坡降，堤防滲流穩(wěn)定，隨著開挖降水深度的增加滲流逸出坡降增大。整個開挖過程中堤防的滲流坡降均小于相應(yīng)土層允許滲透坡降，基坑近堤防側(cè)內(nèi)角點位置滲透坡降最大且隨著開挖深度的增加而增加，基坑開挖完成時最大達(dá)0.518，見圖3，大于允許滲透坡降。大于允許滲透坡降部位分布在近堤防一側(cè)基坑角點附近，見圖3a，極易發(fā)生滲透破壞，基坑失穩(wěn)勢必也會對堤防穩(wěn)定造成一定程度的影響，因此，需要施加防滲帷幕來保證滲流安全。以上各階段計算滲流逸出坡降見表2。

由于落底式帷幕對基坑滲流場具有顯著的控制效果[3，13]，基坑下7.5 m存在較厚的相對不透水層③粉黏土層，可作為防滲依托層，綜合考慮后選取落底式帷幕。通常將墻底伸入黏性土層內(nèi)1.5～2 m或更大[18-20]，本次防滲樁樁長取21 m。水泥攪拌樁標(biāo)貫擊數(shù)大于15擊的土層難以施工，本次選取可施打深度大、施工速度快、成樁防滲效果好的高壓旋噴樁。從生態(tài)性角度來說，帷幕長期置于地下必定對周邊地下水的運(yùn)動產(chǎn)生一定的不利影響，加上投資方面考慮，在滿足功能性需求的情況下帷幕設(shè)置范圍越少越好，因此，側(cè)向防滲帷幕長度根據(jù)試算結(jié)果來確定。根據(jù)基坑近堤防特點及基坑滲透破壞位置，主要考慮以下帷幕施加方案：方案一，近堤防側(cè)施加平行堤防中間帷幕(做比較用)；方案二，施加平行堤防中間帷幕和側(cè)向防滲寬度8.5 m；方案三，施加平行堤防中間帷幕和側(cè)向防滲寬度17 m；方案四，施加平行堤防中間帷幕和側(cè)向防滲寬度25.5 m。各方案及不同施工階段下滲透坡降見表2。

3.2 帷幕設(shè)置對堤防的影響

進(jìn)行應(yīng)力滲流耦合分析后，由表2可以看出：隨著基坑開挖深度的增加，堤防本身的最大滲透坡降增加，添加帷幕后堤防的最大滲透坡降有所減少，但是側(cè)向帷幕的寬度對堤防的最大滲透坡降影響不大。計算還發(fā)現(xiàn)添加帷幕后基坑開挖對堤防變形造成的影響較小(計算僅提供趨勢參考，具體變形值需結(jié)合實際觀測)，基坑開挖對堤防沉降影響最大處由基坑中心對應(yīng)堤防處分散至基坑兩側(cè)所對應(yīng)堤防處，且數(shù)值減小，見圖4。

a)不加帷幕開挖階段3滲流

表2 各方案滲透坡降表

a)未添加帷幕基坑開挖后

3.3 帷幕設(shè)置對基坑的影響

從計算結(jié)果可看出施加帷幕后可有效地降低基坑逸出坡降，僅施加平行堤防中間帷幕，基坑逸出坡降及超允許范圍有減小，但仍未能滿足要求，需添加側(cè)向帷幕。側(cè)向帷幕的施加對基坑角點效應(yīng)有削弱的趨勢，隨著側(cè)向防滲帷幕寬度增大，基坑最大逸出坡降減小。經(jīng)試算基坑側(cè)向帷幕寬17 m時較8.5 m時防滲效果較為顯著，再增加對最大逸出坡降影響不大，側(cè)向帷幕寬17 m時開挖階段3滲流坡降云圖見圖5a。因此，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的角度，側(cè)向防滲帷幕設(shè)置17 m寬可以滿足滲流要求，保障堤防安全，亦可節(jié)省投資。添加帷幕后模型最大帷幕滲透坡降位置位于近堤防側(cè)帷幕底，見圖5b。側(cè)向帷幕寬度增加使得最大帷幕滲透坡降稍有增大，最大值的位置仍在中間帷幕底部的中心；側(cè)向帷幕斷頭處滲透坡降也較其附近大，但均在允許范圍內(nèi)。

a)整體

4 結(jié)論及建議

根據(jù)有限元模擬分析結(jié)合工程實踐經(jīng)驗得出以下結(jié)論。①基坑開挖后，基坑近堤防側(cè)角點位置滲透坡降最大，最易失穩(wěn)，與實際情況相符；添加帷幕后模型最大帷幕滲透坡降位置位于近堤防側(cè)帷幕中間底，側(cè)向帷幕斷頭處滲透坡降也較大，因此要保證帷幕和土體的良好接觸及帷幕底土層的穩(wěn)定性。②設(shè)置防滲帷幕雖可以有效地降低堤后滲透壓力，避免基坑產(chǎn)生滲透破壞，減少對堤防變形的影響，但帷幕對滲流場的影響較大，承擔(dān)主要的水頭損失，且屬于隱蔽工程，帷幕一旦失效影響巨大，施工和驗收時應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格質(zhì)量把控，加強(qiáng)基坑及堤防的安全監(jiān)測，建立防滲墻失效的應(yīng)急預(yù)案。③在單邊補(bǔ)水邊界較大的情況，止水帷幕的側(cè)向長度有一定的優(yōu)化設(shè)計空間，可在滿足規(guī)范要求的前提下節(jié)約施工成本，減少對地下水環(huán)境的影響，但是其應(yīng)用也具有一定的局限性，仍需結(jié)合具體工程具體分析。