強透水地層水平帷幕作用下基坑滲流特性

孫曉賀 施成華 曹成勇 劉勝利 雷明鋒

(1中南大學土木工程學院, 長沙 410075)(2深圳大學土木與交通工程學院, 深圳 518060)(3廣州地鐵設計研究院股份有限公司, 廣州 510010)

沿海城市的地下工程建設不可避免會遇到地質條件差、地下水豐富的情況,在強透水砂卵石地層的深基坑施工中,由于砂層壓縮性小、滲透系數(shù)大、易液化、無黏聚力、自穩(wěn)能力差等特點,施工時滲漏水易帶走砂土層中的粉細顆粒,引發(fā)流砂、涌水等事故,造成周邊地層沉降甚至基坑坍塌[1-3].眾多工程案例表明,地鐵車站深基坑事故大多是由于地下水控制失效造成的[4],故地下工程中對于地下水的控制至關重要.

止水帷幕在深基坑地下水控制過程中發(fā)揮著重要作用,很多學者研究了豎向止水帷幕的作用機理,并提出了涌水量的預測方法[5-10].曹成勇等[11]基于帷幕的失穩(wěn)破壞和滲透破壞機理,提出了基坑深層水平封底隔滲帷幕計算方法,并將該方法用于實際工程中.陸建生[12]考慮深基坑無壓水條件,提出了一種水平帷幕設計方法,并用于地下水控制設計及實踐中.蔣盛鋼等[13-14]采用深層水平封底帷幕方案,實現(xiàn)了對地鐵基坑地下水降水的控制,保證了基坑施工和周邊環(huán)境的安全.曹樹輝等[15]采用理論分析與數(shù)值模擬相結合的方法,研究了不同地下連續(xù)墻深度及深層水平封底止水效果與基坑涌水量、坑外水位降深之間的關系.羅珊[16]為解決強透水地層管道下穿既有鐵路不允許降水的難題,將水平旋噴樁止水帷幕作為超前支護,并根據理論分析和工程經驗,確定其設計參數(shù).目前強透水地層坑底水平封底加固技術已較為成熟,但針對水平封底帷幕還缺乏有效的理論計算方法,對不同水平封底帷幕加固條件下基坑滲流變化規(guī)律的相關研究也較少.

本文基于Darcy滲流理論,對水平封底帷幕作用下基坑內涌水量及帷幕底部水壓的理論解進行了推導.結合室內滲流試驗,探討了滲透系數(shù)比、帷幕厚度以及帷幕與基坑底部的距離對基坑滲流的影響規(guī)律.研究結果可為強透水地層基坑中水平帷幕的設計及施工提供參考.

1 計算方法

1.1 潛水作用下基坑滲流計算模型

潛水作用下基坑水平封底帷幕滲流計算模型示意圖如圖1所示.圖中,b為基坑寬度;δ為水平帷幕的厚度;l1為水平帷幕頂面至基坑底部的距離;l2為水平帷幕的底面至地連墻底部的距離;k1、k2、k3分別為水平封底帷幕上部土體、帷幕本身及帷幕下部和基坑外側土體的滲透系數(shù);H為地連墻外側初始水頭高度;L為地連墻底端滲流路徑長度;h0為基坑底部的水頭高度,假定基坑內的水位降到基坑底部,并將其作為零勢水頭面,則h0=0;h1、h2分別為水平封底帷幕頂部和底部的水頭高度.

圖1 潛水作用下基坑滲流計算模型示意圖

1.2 潛水作用下水壓及涌水量計算方法

根據福州市某水平帷幕地鐵基坑現(xiàn)場抽水實驗結果[11],假定在抽水過程中水平帷幕作用下基坑外側的潛水水面是水平且穩(wěn)定的,滲流過程不發(fā)生坑底繞流或紊流,服從Darcy定律.由于地連墻的滲透性極弱,故假定地連墻不透水.取單位長度的基坑進行滲流分析,根據Darcy定律,涌水量為

Q=kAJ

(1)

式中,k為滲透系數(shù);A為過流斷面的橫截面積,由于是取基坑單位長度的斷面進行分析,故A=b;J為水力梯度,且

(2)

式中,dh為流體流經距離dl的水頭損失.

將式(2)代入式(1),可得某過流斷面的流量為

(3)

將基坑外側的潛水滲流路徑分為3段:① 基坑外初始水位到水平帷幕底部;② 水平帷幕底部到頂部;③ 水平帷幕頂部到基坑底部.

根據式(3),引入第1段路徑的邊界條件可得

(4)

由式(4)可得

(5)

同理,引入第2、3段路徑的邊界條件分別可得

(6)

(7)

式(5)～(7)中h0=0,聯(lián)立可得帷幕底部水頭高度及基坑涌水量分別為

(8)

(9)

1.3 承壓水作用下基坑滲流計算模型

承壓水作用下基坑水平封底帷幕滲流計算模型示意圖如圖2所示.圖中,p為地連墻底部的承壓水水壓.

圖2 承壓水作用下基坑滲流計算模型示意圖

1.4 承壓水作用下水壓及涌水量計算方法

承壓水作用下的滲流模型與潛水作用下的滲流模型有所不同.從滲流路徑來看,承壓水模型中不透水層的存在隔斷了上部潛水與下部承壓水的水力聯(lián)系,使得基坑涌水的水力補給完全來自于承壓水,因此第1段滲流路徑的長度僅為l2,沒有基坑外的滲流路徑.從滲流動力來看,在潛水模型中潛水面與基坑底部存在高差轉變?yōu)樗畨翰?從而形成滲流動力;而承壓水模型中滲流的動力則直接來自于地連墻底部的承壓水水壓.

計算方法及原理同1.2節(jié).為使承壓水作用下的計算公式與潛水公式形式上保持一致,考慮到兩者滲流路徑及滲流動力的不同,將第1段滲流路徑由L+l2改為l2,豎向帷幕底部的水壓p換算為相對應的水頭高度H,得到水平帷幕底部水壓及涌水量計算公式分別為

(10)

(11)

2 試驗驗證

由于承壓水和潛水的計算原理相同,且承壓水模型試驗無需設置基坑外的土層及滲流環(huán)境,試驗裝置簡單易于操作,試驗效率高,故采用承壓水試驗模型對計算方法進行驗證.

2.1 強透水地層基坑水平帷幕室內試驗設計

參考文獻[8,10,17-18],設計了如圖3所示的模型箱,其尺寸為1.2 m×0.4 m×0.8 m.填土上表面距箱底75 cm,降水井底部距箱底55 cm.模型箱內側沿深度方向自下而上每10 cm布一個直徑為1.5 cm的測壓孔,共設置7個,并與測壓表相連以觀察沿程水壓變化.模型箱兩側底部各設2個供水孔,每個供水孔都連接增壓水泵.通過改變水泵的供水壓力,將試驗中的初始水頭高度設置為5 cm.試驗中通過調節(jié)抽水泵功率,使模型箱70 cm處的測壓表讀數(shù)接近為0,即保持水位穩(wěn)定在70 cm處.水位穩(wěn)定后,通過讀取抽水泵的流量來記錄此基坑模型的涌水量.

圖3 試驗模型箱示意圖(單位:cm)

試驗中考慮水平封底帷幕的滲透系數(shù)比β(即水平帷幕滲透系數(shù)與緊鄰帷幕周圍土體滲透系數(shù)的比值)、水平帷幕頂面至基坑底部的距離l1以及水平帷幕的厚度δ三個參數(shù)對基坑降水的影響,共設置7組不同工況(見表1).選取滲透系數(shù)為8.13 m/d的中砂作為試驗土體材料.用黏土和砂土按照不同比例混合,模擬不同滲透系數(shù)的水平封底帷幕.不設水平帷幕時,滲透系數(shù)比為1.

表1 各工況參數(shù)表

2.2 試驗結果對比

基坑涌水量與帷幕底部水頭高度對比曲線分別見圖4和圖5.根據工況1、2、6、7，得到不同滲透系數(shù)比下的對比曲線圖;結合工況2、3、6，得到不同厚度對比曲線圖;根據工況2、4、5，得到不同帷幕與基坑底距離下的對比曲線圖.

(a) 滲透系數(shù)比

(b) 厚度

(c) 帷幕與基坑底的距離

(a) 滲透系數(shù)比

(b) 厚度

(c) 帷幕與基坑底距離

由圖4和圖5可知,各影響因素下基坑涌水量及帷幕底部水頭高度的試驗結果與計算結果曲線變化趨勢相同,相對誤差控制在20%左右,說明本文所提出的計算方法是可行的.

2.3 誤差原因分析

試驗結果與計算結果存在誤差的主要原因為:

1) 水力降落漏斗.計算時假定抽水過程中基坑底面水位是水平的,然而由于設置的抽水井數(shù)量有限,在實際試驗中會出現(xiàn)降落漏斗(見圖6).此外,因地鐵車站長寬比較大,計算中作為二維滲流問題來處理,但試驗中模型箱長寬比較小,故在模型長度方向也會存在降落漏斗,從而加劇了降落漏斗現(xiàn)象.降落漏斗的存在導致過水斷面較理論假定大,從而使試驗中得到的涌水量較理論值也較大.實際水位線較理論水位線低,使?jié)B流路徑變短,導致試驗測得的帷幕底部水壓較計算值較大.

圖6 水位線示意圖

2) 供水水壓不穩(wěn).試驗中僅采用4個帶壓力的供水管來模擬承壓水水壓,并不能在模型箱底部形成穩(wěn)定的滲流條件,可能產生的紊流會破壞底部土體結構,在滲流路徑前段形成過水通路,從而導致涌水量和帷幕底部水壓偏大.

3)帷幕與試驗箱黏接不牢.試驗中模型箱主體采用的是玻璃制品,而用黏土與砂混合而成的水平帷幕與玻璃制品不好黏接,常存在一定的縫隙,加強了帷幕上下土體的水力聯(lián)系,造成試驗測得的涌水量偏大，帷幕底部水壓偏低.

綜上所述,水力降落漏斗的存在、不穩(wěn)定的供水水壓及帷幕與試驗箱黏接不牢都會對試驗結果造成干擾,形成誤差.因此,試驗中可采取相應措施來減少誤差對結果的影響,例如通過加大模型箱的尺寸及長寬比、多設置降水井來減少降落漏斗的干擾,在模型箱底部設置一層碎石層來降低供水水孔處紊流對結果的影響,帷幕四周通過密封膠來對縫隙進行密封.

3 水平封底帷幕對基坑滲流的影響規(guī) 律分析

以某地鐵車站基坑為算例,采用理論計算方法分析基坑涌水量及帷幕底部水頭高度隨水平封底帷幕的滲透系數(shù)比、厚度及距基坑底距離的變化規(guī)律.基坑的簡化模型如圖7所示.基坑寬20 m,地連墻入土深度為35 m,基坑底部距地面10 m,地下潛水位與基坑底部高度差為l3.

3.1 滲透系數(shù)比對基坑滲流的影響

令l1=10 m,δ=5 m,計算得到不同滲透系數(shù)比下帷幕底部水頭高度及涌水量(見圖8).由圖可知,當滲透系數(shù)比增大時,帷幕底部水頭高度急速下降,單位長度涌水量急劇上升.當滲透系數(shù)比為0.01時,水頭高度為不設帷幕的3～4倍,但涌水量僅為不設帷幕的10%.當滲透系數(shù)比為0.001時,涌水量僅為不設帷幕的1.8%.實際中,在強透水地層中不設水平帷幕時,會發(fā)生坑底繞流和紊流現(xiàn)象,涌水量會比計算值更大,即設置水平帷幕時基坑涌水量較不設時更小,說明水平帷幕起到了良好的隔水效果.

圖7 某基坑簡化模型圖(單位:m)

(a) 水壓

(b) 涌水量

3.2 帷幕厚度對基坑滲流的影響

令l3=5 m,l1=10 m,計算得到不同帷幕厚度下帷幕底部水頭高度及涌水量(見圖9).由圖可知,當水平帷幕厚度增大時,帷幕底部水頭高度增大,單位長度涌水量下降,且曲線變化速度越來越慢.這表明水平帷幕厚度增加對基坑滲流存在一定的影響.對比圖8發(fā)現(xiàn),水平帷幕厚度的影響要比滲透系數(shù)比小.

(a) 水壓

(b) 涌水量

3.3 帷幕與基坑底距離對基坑滲流的影響

令l3=5 m,δ=5 m,計算得到不同帷幕與基坑底距離下帷幕底部水頭高度及涌水量變化(見圖10).由圖可知,帷幕位置的改變對水頭高度影響不大,且滲透系數(shù)比越小,影響越弱;涌水量不隨帷幕厚度而變化.因此,帷幕與基坑底距離的改變對水壓及涌水量幾乎沒有影響.

3.4 水平帷幕設計參數(shù)

上述分析表明,水平帷幕的滲透系數(shù)比對基坑滲流的影響至關重要,滲透系數(shù)比越小,止水效果越顯著.考慮到現(xiàn)場地質條件及施工環(huán)境,將水平帷幕滲透系數(shù)做到極低是困難的,而當滲透系數(shù)比為0.01時即可降低90%的涌水量,因此綜合考慮后建議強透水地層基坑水平帷幕的滲透系數(shù)比不宜高于0.01.帷幕厚度對止水具有一定的影響,當基坑施工對止水有嚴格要求時,可適當增加帷幕厚度來加強止水作用.而從造價方面來看,降低水平帷幕的厚度是有利的,但考慮到水平帷幕可能發(fā)生剪切破壞及產生質量缺陷等問題,建議厚度不應小于4 m.水平帷幕與基坑底的距離對滲流幾乎沒有影響,因此在滿足基坑抗隆起、抗突涌等條件后,可適當縮短水平帷幕到基坑底部的距離,以方便施工和降低造價.

(a) 水壓

(b) 涌水量

4 結論

1) 根據水平帷幕作用下潛水及承壓水中地下水的流動規(guī)律,建立了強透水地層水平封底帷幕作用下基坑滲流理論計算模型.基于Darcy滲流理論,推導出強透水地層水平封底帷幕作用下基坑涌水量和帷幕底部水壓的計算方法.

2) 設計并進行了強透水地層水平帷幕作用下的基坑滲流室內模型試驗,并將試驗結果與計算結果進行對比,兩者的相對誤差在20%左右.對產生誤差的原因進行了分析討論,驗證了計算方法的可靠性.

3) 采用所提計算方法分析了基坑水平封底帷幕滲透系數(shù)比、厚度和帷幕與基坑底的距離對基坑滲流的影響規(guī)律.結果表明,水平封底帷幕的滲透系數(shù)比對基坑涌水量和基底水壓的影響最為顯著,帷幕厚度影響較小,帷幕距基坑底的距離對基坑滲流幾乎沒有影響.

4) 根據不同水平帷幕設計參數(shù)下基坑涌水量和坑底水壓的計算結果,建議強透水地層基坑水平帷幕的滲透系數(shù)比不宜高于0.01,水平帷幕的厚度不宜小于4 m.