基于抽水試驗(yàn)的基坑滲漏有限元分析

羅志華

（1.上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200093；2.上海巖土與地下空間綜合測(cè)試工程技術(shù)研究中心，上海 200093；3.上海市巖土工程專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200093）

0 引言

隨著城市地下空間開發(fā)深度不斷增加，深基坑工程也不斷涌現(xiàn)?；邮┕み^程中，受施工技術(shù)水平、人員管理等因素影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的滲漏，并進(jìn)一步導(dǎo)致圍護(hù)水平變形增大、周邊建筑管線沉降開裂等問題［1，2］，直接影響工程進(jìn)度和施工安全，因此，基坑開挖前對(duì)基坑滲漏情況進(jìn)行檢測(cè)具有重要意義。目前基坑圍護(hù)滲漏檢測(cè)方法大致可以分為鉆孔檢測(cè)方法、無損物探檢測(cè)方法［3-7］和抽水檢測(cè)法。抽水檢測(cè)法是基坑圍護(hù)及止水帷幕施工完畢后及開挖之前，利用抽水試驗(yàn)坑內(nèi)外水位變化結(jié)果來檢驗(yàn)基坑圍護(hù)及止水帷幕的止水效果。假設(shè)基坑圍護(hù)沒有質(zhì)量缺陷，基坑內(nèi)降水將不會(huì)造成坑外地下水位的大幅下降；反之，若基坑圍護(hù)及止水帷幕發(fā)生滲漏，則該處坑外的地下水位必然發(fā)生比較大的變幅。利用這個(gè)原理可以在基坑開挖前對(duì)基坑圍護(hù)及止水帷幕施工缺陷進(jìn)行初步的判定，結(jié)合其他無損物探檢測(cè)方法，可以更準(zhǔn)確地判斷基坑滲漏位置和滲漏情況。隨著基坑開挖及降水運(yùn)行過程的進(jìn)行，對(duì)于隨基坑開挖和坑內(nèi)外水頭壓力差變大而逐步發(fā)展形成的地下連續(xù)墻滲漏也能在坑外地下水位的變化上反映出來。本文通過已發(fā)生滲漏的基坑抽水試驗(yàn)工程案例，分析研究基坑存在滲漏時(shí)，通過抽水試驗(yàn)的水位變化情況；同時(shí)結(jié)合滲漏基坑工程案例中抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)滲漏基坑進(jìn)行有限元分析。

1 工程概況

上海某地鐵車站周邊為成熟地塊，包括居住區(qū)、商業(yè)用地、道路管線、管溝、已建地鐵車站及盾構(gòu)隧道等，最近距離僅 5.6 m，基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境影響較大，環(huán)境保護(hù)要求高。該場(chǎng)地涉及土層主要為第四系飽和黏性土、粉性土和砂土，涉及承壓水層為第 ⑦ 層粉砂層以及第 ⑨ 層粉砂層，滲透系數(shù)約 1h10-4～1h10-2（cm·s-1），第 ⑦ 層頂埋深約 28.5 m，⑦⑨ 層相互連通，水量豐富，承壓含水層初始水頭埋深約 5.6 m。由于該項(xiàng)目 ⑦⑨ 層連通，存在巨厚承壓含水層，開挖施工過程中若基坑圍護(hù)發(fā)生滲漏，將直接威脅基坑及周邊環(huán)境安全。

該地鐵車站南端頭井基坑挖深 26.4 m，采用1 200 mm 厚地下連續(xù)墻圍護(hù)（中隔墻為 1 000 mm 厚），圍護(hù)深度 48 m，同時(shí)該端頭井地連墻外側(cè)距離 1.2 m處設(shè)置了 TRD 止水帷幕，深度 60 m，厚度 800 mm?；拥剡B墻圍護(hù)以及 TRD 止水帷幕未隔斷 ⑦⑨ 層承壓水，為懸掛式止水，地層分布以及基坑圍護(hù)剖面如圖 1 所示。

圖1 工程地質(zhì)剖面及基坑圍護(hù)示意圖

基坑降水井平面布置圖如圖 2 所示，坑內(nèi) 3 口降水井，坑外 7 口觀測(cè)井（其中 H-5 觀測(cè)井失效），井深均為 48 m（與地墻同深），濾管位于第 ⑦ 層，長(zhǎng)度 15 m。

圖2 基坑承壓水層降水井布置平面圖

2 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

基坑開挖前進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)開啟基坑內(nèi) WA2 和 WA3 井，抽水歷時(shí) 24 h，其中，WA2 井平均出水量約 7.87 m3/h；WA3 井平均出水量約 5.27 m3/h，抽水試驗(yàn)期間及停止后水位變化曲線如圖 3、圖 4 所示，抽水結(jié)束后觀測(cè)井實(shí)測(cè)降深如表 1 所示。

表1 第一次 WA2 和 WA3 抽水試驗(yàn)后觀測(cè)井實(shí)測(cè)降深

圖3 抽水試驗(yàn)期間觀測(cè)井水位埋深變化曲線

圖4 抽水停止后觀測(cè)井水位埋深變化曲線

從抽水試驗(yàn)階段觀測(cè)井降深數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，坑外 H2 觀測(cè)井水位明顯異常，其次為 H1，因此可初步估計(jì)止水帷幕滲漏發(fā)生在觀測(cè)井 H2 附近，該處為拐角地墻的接縫處，滲漏風(fēng)險(xiǎn)較大。

為進(jìn)一步判斷基坑圍護(hù)及止水帷幕滲漏情況，進(jìn)行了第二次抽水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)開啟基坑內(nèi) WA1 井，并對(duì)坑外 H1、H2、H3 井進(jìn)行觀測(cè)，抽水 5 h 后，各觀測(cè)井水位實(shí)測(cè)降深如表 2 所示。結(jié)合第一、二次抽水試驗(yàn)結(jié)果基本可以判斷基坑圍護(hù)及止水帷幕在 H2 觀測(cè)井附近存在滲漏，因此在 H2 附近進(jìn)行了 RJP 注漿加固止水。RJP 完成后，為判斷加固止水效果，進(jìn)行了第三次抽水試驗(yàn)驗(yàn)證，仍開啟坑內(nèi) WA1 井，對(duì)坑外 H1、H2、H3 井進(jìn)行觀測(cè)，抽水 5 h 后，各觀測(cè)井水位實(shí)測(cè)降深如表 3 所示。從第三次抽水試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可以看出，經(jīng)過加固后坑外水位下降明顯減小，說明坑外 H2 附近確實(shí)存在滲漏，且經(jīng)過 RJP 加固后，起到了明顯的止水效果。

表2 第二次 WA1 抽水試驗(yàn)后坑外觀測(cè)井實(shí)測(cè)降深

表3 第三次 WA1 抽水試驗(yàn)后坑外觀測(cè)井實(shí)測(cè)降深

3 有限元滲漏模擬分析

3.1 模型建立

為更深入地研究地連墻圍護(hù)滲漏對(duì)抽水水位的影響，采用 Midas GTS 巖土工程數(shù)值分析軟件，結(jié)合實(shí)際工程概況并考慮整體車站基坑，建立三維有限元模型，如圖 5 所示。土體本構(gòu)采用修正-摩爾庫(kù)倫模型；基坑圍護(hù)及止水帷幕均采用三維實(shí)體單元模擬，地連墻厚度 1 200 mm（鄰近標(biāo)準(zhǔn)段基坑為 1 000 mm厚），TRD 止水帷幕厚度 800 mm，材料參數(shù)設(shè)置如表 4 所示，圍護(hù)及止水帷幕均設(shè)置為不透水。由于滲流與土體應(yīng)力變形為耦合關(guān)系，為充分評(píng)估抽水試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算時(shí)采用滲流應(yīng)力完全耦合控制方程。抽水試驗(yàn)?zāi)M采用節(jié)點(diǎn)流量方法，在相應(yīng)降水井的濾管深度位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)流量邊界條件。

表4 圍護(hù)及止水帷幕參數(shù)信息

圖5 三維有限元模型

為模擬圍護(hù)及止水帷幕滲漏對(duì)抽水水位降深的影響，根據(jù)抽水試驗(yàn)初步判斷的滲漏位置，將該位置對(duì)應(yīng)第⑦層深度的圍護(hù)及止水帷幕單元設(shè)置為可透水，稱之為滲漏單元，滲漏單元尺寸為 2 mh3.5 m，如圖 6 所示。

圖6 基坑圍護(hù)及止水帷幕滲漏單元設(shè)置

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

1）滲漏單元滲透性對(duì)水位降深的影響。設(shè)置 WA2 和 WA3 降水井位置的節(jié)點(diǎn)流量，模擬抽水過程，同時(shí)調(diào)整滲漏單元的滲透系數(shù)，得到不同的水位降深結(jié)果，圖 7 是 H2 位置處降深-滲漏單元滲透系數(shù)與原狀土滲透系數(shù)之比的變化關(guān)系曲線。從圖 7 中可以看出，隨著滲漏單元滲透系數(shù)增加，坑內(nèi)抽水對(duì)坑外水位影響逐漸增大并趨緩。圖 8 則是滲漏單元滲透系數(shù)為原狀土 0.6 倍時(shí)總水頭（水位埋深）云圖，從圖 8 中可見，總水頭分布與第一次抽水試驗(yàn)各觀測(cè)井實(shí)測(cè)降深較接近，因此抽水試驗(yàn)各工況模擬時(shí)設(shè)置滲漏單元滲透系數(shù)為原狀土的 0.6 倍。

圖7 滲漏單元滲透系數(shù)大小與 H2 水位降深關(guān)系曲線

圖8 滲漏單元滲透系數(shù)為原狀土 0.6 倍時(shí)總水頭云圖

2）抽水試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。根據(jù)實(shí)際抽水試驗(yàn)工況，分別進(jìn)行抽水試驗(yàn)?zāi)M，水位降深模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表 5～7 所示。從模擬結(jié)果對(duì)比可以看出，模擬降深與實(shí)測(cè)降深基本匹配，說明數(shù)值模型中滲漏單元尺寸以及滲透參數(shù)設(shè)置是合理的。通過有限元反演方法來模擬基坑滲漏，可以用于輔助判斷基坑滲漏情況，如基坑滲漏位置及滲漏大小。

表5 WA2 和 WA3 抽水時(shí)模擬降深結(jié)果與實(shí)測(cè)降深對(duì)比

表6 第二次 WA1 抽水時(shí)模擬降深結(jié)果與實(shí)測(cè)降深對(duì)比

表7 第三次 WA1 抽水時(shí)模擬降深結(jié)果與實(shí)測(cè)降深對(duì)比

4 結(jié)語

以某地鐵車站端頭井基坑抽水試驗(yàn)為工程背景，對(duì)抽水試驗(yàn)過程中坑內(nèi)外水位變化結(jié)果進(jìn)行了分析和數(shù)值模擬，得到基坑圍護(hù)、止水帷幕滲漏對(duì)抽水水位變化的影響規(guī)律。主要結(jié)論包括以下三方面內(nèi)容。

1）基坑懸掛式止水帷幕滲漏導(dǎo)致坑內(nèi)抽水時(shí)鄰近滲漏處的坑外水位明顯下降，可通過水位變化初步判別基坑滲漏情況，并進(jìn)一步采用抽水試驗(yàn)驗(yàn)證。

2）采用有限元數(shù)值分析方法，通過設(shè)置滲漏單元可以模擬水位異常變化情況，與實(shí)測(cè)水位降深較為匹配。

3）數(shù)值模擬滲漏單元滲透性越大，鄰近滲漏處的坑外水位降深越大，通過與實(shí)際抽水試驗(yàn)水位變化對(duì)比，可進(jìn)一步輔助判斷基坑滲漏情況。Q