抽水試驗(yàn)及數(shù)值模擬在基坑工程中的應(yīng)用

張 興

（北京中巖大地科技股份有限公司，北京 100041）

0 引言

基坑施工過程中，為避免產(chǎn)生流砂、管涌、坑底突涌，防止坑壁土體的坍塌，保證施工安全和減少基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，當(dāng)基坑開挖深度內(nèi)存在飽和軟土層和含水層及下部承壓水對基坑底板產(chǎn)生影響時，就需選擇合適的降低地下水水位或水頭的方法對基坑進(jìn)行降水。

隨著我國大中城市的發(fā)展，與地下空間開發(fā)利用緊密相關(guān)的基坑降水越來越受到重視。基坑降水導(dǎo)致其周邊水位波動，減小了土粒間的浮托力；同時水頭壓力改變，土層中產(chǎn)生水頭梯度，增加了滲透壓力，導(dǎo)致有效應(yīng)力增加，從而引起地層壓密而產(chǎn)生的地面沉降[1?3]。

在淺部疏干土層中地下水和局部的、大幅度的、暫時性的降低下部承壓水水頭的過程中，控制由于降水引起的周圍地面沉降和建（構(gòu)）筑物的變形，更需得到重視。由于大量抽汲地下水，國內(nèi)許多地區(qū)已先后出現(xiàn)嚴(yán)重的地面沉降。如何合理地開發(fā)、利用地下水并控制地面沉降，是亟待解決的重要課題之一[4?10]。

降水工程設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行多方案對比分析后選擇最優(yōu)降水方案，降水工程設(shè)計(jì)應(yīng)重視工程環(huán)境問題，防止產(chǎn)生不良工程環(huán)境影響[11]。數(shù)值模擬能夠?qū)Φ叵滤刂品桨高M(jìn)行合理的預(yù)測分析，針對基坑降水工程危害采取有效措施加以防范[12?14]。

1 工程概況

1.1 場地概況

本項(xiàng)目位于江西省宜春市袁河一級階地內(nèi)，南側(cè)高、北西側(cè)低，地面高程92.22～99.71 m，最大高差約7.5 m；場地西側(cè)及南側(cè)為居民區(qū)，樓層4～7層，距離基坑邊線8～20 m；北側(cè)及東側(cè)緊鄰市政道路，距離基坑邊線8～12 m。擬建項(xiàng)目的基坑支護(hù)工程呈L形，場地±0.00的高程為91.0 m，基坑設(shè)計(jì)深度9.0～16.8 m，周長約820 m，占地約2.91×104m2。

根據(jù)地勘報告，在鉆探深度范圍內(nèi)，該場地土層為第四系雜填土、素填土（Q4ml）、含礫粉質(zhì)黏土、粗砂、礫砂（Q4al-pl），粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、礫砂、碎石土、溶洞充填物（Q4pl），下臥二疊系石灰?guī)r（P12），覆蓋層與下臥巖層為不整合接觸。各巖土層巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 工程水文地質(zhì)條件

上層滯水含于①1雜填土及①2素填土層中，初見水位埋深0～2.6 m，連通性較差，滲透性能在平面上也不均勻，無連續(xù)的水位，水位及水量受季節(jié)性變化影響大，主要為大氣降水補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄。

具承壓性的孔隙性潛水及巖溶裂隙水，含于③粗砂層及以下土層中，穩(wěn)定水位埋深4.2～7.5 m。主要分布在早期河床沖刷沉積層中層狀分布，水量較大。補(bǔ)給方式主要受秀江（距離基坑北側(cè)約200 m）河水側(cè)向徑流排泄及補(bǔ)給及場地周邊蘊(yùn)含水層補(bǔ)給影響。

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)概況

支護(hù)結(jié)構(gòu)總體采用了鉆孔灌注樁+錨桿+上部放坡支護(hù)形式，局部剖面大放坡?；又饕ёo(hù)形式為樁錨體系，護(hù)坡樁樁徑1.0 m，樁間距1.3 m，樁長16.0～28.0 m，入中等風(fēng)化巖層1.0～6.5 m，錨桿1～2道。地下水控制采用樁間旋噴+坑外減壓井+坑內(nèi)疏干井，旋噴樁樁徑1.0 m，樁間距1.3 m，坑外設(shè)減壓井間距30 m，坑內(nèi)設(shè)疏干井間距35.0 m，井深16～17 m（入巖不小于0.5 m）。

1.4 基坑施工概況

基坑工程于2013年12月開始施工，2014年8月基坑開始降水，2014年11月在施工至?9.0 m處時坑內(nèi)涌水量劇增，坑內(nèi)疏干井由最初的19口增至27口，日抽水量達(dá)10000 m3以上，直接導(dǎo)致周邊近百米范圍內(nèi)建筑物及道路均出現(xiàn)不同程度的沉降及裂縫，樁頂位移持續(xù)發(fā)展，最大值已到達(dá)116 mm（位于基坑西側(cè)），遠(yuǎn)超基坑設(shè)計(jì)預(yù)警值30 mm，基坑安全性越來越低。為保證周邊環(huán)境安全，2015年1月基坑進(jìn)行回填處理，西區(qū)回填至絕對標(biāo)高87.0 m，中區(qū)回填至81.5 m，東區(qū)回填至83.0 m，東側(cè)靠近護(hù)坡樁處回填至86.0 m以壓穩(wěn)坡腳，回填后周邊建筑物及道路沉降趨于穩(wěn)定，裂縫不再發(fā)展。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，基坑涌水量之所以如此巨大，從客觀上看，30 m深度范圍內(nèi)找不到連續(xù)隔水層；基底以碎石、礫質(zhì)粉黏、礫砂等透水性較好土層為主；基坑緊鄰古河道，內(nèi)外水力相連、水源補(bǔ)給非常充分。從主觀上看：實(shí)際施工止水帷幕樁時，因地層變化劇烈，引起止水帷幕樁位、樁間距、垂直度產(chǎn)生較大偏差，導(dǎo)致帷幕樁與護(hù)坡樁咬合不良，存在大量滲水、出水的情況，帷幕體系基本失效。

地下水控制為該基坑支護(hù)的關(guān)鍵問題，為準(zhǔn)備基坑二次開挖，將通過現(xiàn)場抽水試驗(yàn)以及數(shù)值模擬重新確定基坑地下水控制方案。根據(jù)現(xiàn)場情況，基坑出水量應(yīng)控制在5000 m3/d。

2 抽水試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)井布置

依據(jù)場地調(diào)查結(jié)果，于施工區(qū)域內(nèi)布置9口試驗(yàn)井，井深在11～19 m，井底標(biāo)高在69.5～71 m，水井成孔直徑1.2 m，井管全長采用426橋式濾水管，外裹兩層80目尼龍網(wǎng)，用編制竹皮包裹，全部采用通長包裹，一次安裝，整體吊裝安裝工藝，井管外填充粒徑5～10 mm碎石，空壓機(jī)和水泵配合洗井。各試驗(yàn)井的位置如圖1所示。

圖1 各試驗(yàn)井的布置圖

2.2 試驗(yàn)方案

抽水試驗(yàn)分東、西兩個區(qū)域，每個區(qū)域分兩步進(jìn)行試驗(yàn)，第一步進(jìn)行單井抽水試驗(yàn)，兩個井同時進(jìn)行單井試驗(yàn)的最小間距不小于50 m，每眼單井試驗(yàn)抽水檢測的時間間隔分為：5 min、10 min、15 min、15 min、30 min、30 min、60 min、60 min，水位穩(wěn)定時間不小于2 h，按照規(guī)定時間不能穩(wěn)定水位的，繼續(xù)每60 min檢測一次，直到穩(wěn)定水位在2 h以上，同時，在各時間間隔內(nèi)采用水表讀取出水量，記錄并填寫記錄表。當(dāng)各區(qū)域單井檢測完成后，進(jìn)行區(qū)域井檢測，東區(qū)4口井，為W6?W9，西區(qū)5口W1?W5，西區(qū)根據(jù)單井檢測結(jié)果，采取抽取W7井，同時觀察W6、W8、W9水位變化，東區(qū)采取抽取W1、W4，觀察W2、W3、W5的水位變化，區(qū)域抽水檢測數(shù)據(jù)采集時間間隔為0.5 h、0.5 h、1 h、1 h、1 h、1 h、2 h、2 h、2 h、2 h、3 h、3 h，再按10 min、30 min、30 min、30 min、30 min的時間間隔觀測各井的水位恢復(fù)情況直至水位恢復(fù)至初始值，結(jié)束抽水試驗(yàn)。各試驗(yàn)井附近的土層剖面及其結(jié)構(gòu)大樣如圖2所示。

圖2 各試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)及地層示意圖（單位：m、mm）

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及承壓水情況如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：除W1、W2關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，其他各試驗(yàn)井之間關(guān)聯(lián)性較差；W1、W2和W6水井區(qū)域?yàn)槌袎核畢^(qū)域；W7、W8為承壓水和溶洞層間水混合區(qū)域；W3、W4、W5為溶洞水區(qū)域；W9為灰?guī)r水區(qū)域。

表2 試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及承壓水情況表

抽水試驗(yàn)反映了場地土層的復(fù)雜情況，不同區(qū)域土層差異很大，地下水補(bǔ)給方式極為復(fù)雜。在場地內(nèi)抽水時，地下水補(bǔ)給方式既有水平向徑流補(bǔ)給又有豎直向的承壓水補(bǔ)給，且含水層透水性強(qiáng)，地下水徑流量較大。

3 有限元數(shù)值分析

3.1 模型的建立

采用Midas GTS程序建立基坑滲流模型，模型尺寸600 m×600 m，高50 m。模型如圖3所示。

圖3 基坑滲流模型圖

3.2 模型參數(shù)的選取

滲流系數(shù)為滲流模型的關(guān)鍵參數(shù)。數(shù)值模型通過不斷調(diào)整土層滲透系數(shù)，將模擬得到的試驗(yàn)井穩(wěn)定水位處的流量與抽水試驗(yàn)的結(jié)果相比較，選取二者接近時的滲流系數(shù)作為模型參數(shù)。最終的數(shù)值模擬結(jié)果與抽水試驗(yàn)出水量對比如表3所示，各土層滲流系數(shù)取值與地勘建議值對比如表4所示。

表3 出水量結(jié)果對比

表4 各土層滲透系數(shù)取值對比

3.3 模擬基坑滲流過程

為尋求合理的地下水控制方案，將分別模擬計(jì)算無帷幕、止水帷幕、分區(qū)止水帷幕+局部封底三種方案的坑底出水量。分區(qū)止水帷幕以及局部封底區(qū)域根據(jù)擬建建筑物情況以及抽水試驗(yàn)結(jié)果確定，分區(qū)如圖4所示，其中W1、W2所在的二區(qū)以及W6、W7、W8所在的七區(qū)做旋噴封底處理，封底厚度為5 m。

圖4 場地分區(qū)圖

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 無帷幕方案

無帷幕方案的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示，坑底出水量為0.278 m3/s，即24000 m3/d。根據(jù)已有數(shù)據(jù)，抽水量10000 m3/d，已嚴(yán)重危及周邊環(huán)境，無帷幕方案顯然不可行。

圖5 無帷幕方案坑底出水量及總水頭云圖

4.2 止水帷幕方案

于回填作業(yè)面重新補(bǔ)打止水帷幕，典型支護(hù)剖面如圖6所示。不同帷幕長度的計(jì)算結(jié)果如表5所示，止水帷幕長度為25 m的數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，止水帷幕長度不應(yīng)少于50 m。

圖6 補(bǔ)強(qiáng)后典型支護(hù)剖面示意圖

表5 出水量數(shù)值模擬結(jié)果

圖7 止水帷幕方案坑底出水量及總水頭云圖

4.3 分區(qū)止水帷幕+局部封底方案

分區(qū)止水帷幕+局部封底方案，止水帷幕長度為25 m，其支護(hù)剖面是在圖6的基礎(chǔ)上于坑底增加5 m高壓旋噴封底。數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示，坑底出水量為0.048 m3/s，即4150 m3/d。各分區(qū)坑底出水量如圖9所示。該方案坑底出水量大大減少，同時可以根據(jù)擬建建筑物工期計(jì)劃，分時分區(qū)進(jìn)行基坑開挖，能夠進(jìn)一步控制抽水量，減輕抽水對周邊環(huán)境的影響程度。

圖8 分區(qū)止水帷幕+局部封底方案坑底出水量及總水頭云圖

圖9 各分區(qū)坑底出水量圖

4.4 模擬結(jié)果分析

通過對三種方案的模擬結(jié)果，可以得知，止水帷幕方案，帷幕長度超過50 m，施工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性都不易實(shí)現(xiàn)，故分區(qū)止水帷幕+局部封底方案最為合理，既能減輕抽水對周邊環(huán)境的影響程度，也避免了大面積封底造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。同時為保證基坑安全，基坑內(nèi)設(shè)置減壓井，控制承壓水水頭，防止基坑側(cè)壁水壓力及封底區(qū)浮力過大，減壓井間距15 m，局部封底區(qū)域減壓井井底標(biāo)高位于坑底以下14 m，未封底區(qū)域減壓井井底標(biāo)高位于坑底以下8 m，減壓井結(jié)構(gòu)僅成孔直徑縮小為800 mm，其它與試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)相同?？紤]場地的復(fù)雜地層條件，止水帷幕采用咬合樁。故本工程的地下水控制方案為4.3節(jié)給出的方案：咬合樁分區(qū)止水帷幕+局部封底+坑內(nèi)控制性減壓降水井。根據(jù)后期的實(shí)施效果，基坑周邊的沉降穩(wěn)定，裂縫不再發(fā)展。

5 結(jié)論

（1）水文地質(zhì)參數(shù)是基坑降水設(shè)計(jì)中不可缺少的因子，它直接影響到基坑降水設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確、合理與可靠程度，現(xiàn)場抽水試驗(yàn)實(shí)測的水文地質(zhì)參數(shù)是制定地下水控制方案的有力依據(jù)。

（2）通過Midas GTS軟件的滲流模型模擬基坑降水過程，能夠?qū)Φ叵滤刂品桨高M(jìn)行合理的預(yù)測分析，針對基坑降水工程危害采取有效措施加以防范，用于指導(dǎo)基坑支護(hù)施工。

（3）對于復(fù)雜的地質(zhì)水文條件，基坑工程應(yīng)采用綜合性的地下水控制方案，因地制宜，分區(qū)治理，做到安全適用、保護(hù)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)合理，同時施工過程中要精心準(zhǔn)備、嚴(yán)格監(jiān)控。