中-弱透水互層深基坑降水方案優(yōu)化研究

王 強(qiáng)

(中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院分公司 天津 300300)

1 引言

近年來，因降水不當(dāng)或帷幕設(shè)計(jì)缺陷而導(dǎo)致基坑及其周邊環(huán)境破壞的案例時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。大量深基坑工程事故調(diào)查及原因分析表明，地下水處理不當(dāng)引起的事故占比高達(dá)22%[1]。因此，地下水控制對(duì)深基坑工程的安全施工及周邊環(huán)境保護(hù)意義重大[2-4]。

近年來，國內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)此做了研究[5-6]。馮曉臘等[8]通過群井抽水試驗(yàn)分析了落底式止水帷幕條件下深基坑涌漏的組成及其滲流規(guī)律。張志紅等[9]提出了設(shè)置懸掛式止水帷幕的深基坑控水設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，并在北京市某場(chǎng)地進(jìn)行應(yīng)用。李維宏[9]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了京張高鐵東花園隧道深基坑地下水與官廳水庫存在水力交換，并制定了“自動(dòng)降水監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)”[10]。Wang等[11]研究了井體濾水管與止水帷幕的深度對(duì)基坑降水及周邊地下水動(dòng)態(tài)的影響。上述研究成果提供了不同地層下基坑降水單項(xiàng)控制措施，但中-弱透水互層深基坑降水多措施綜合治理技術(shù)的研究鮮有報(bào)道，因此綜合考慮工程造價(jià)和對(duì)地下水環(huán)境保護(hù)提出系統(tǒng)性控制降水井?dāng)?shù)量、止水帷幕深度及濾水管插入含水層深度的技術(shù)具有重要意義。

本文以榆安隧道明挖段中-弱透水互層深基坑為工程背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件和抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別通過理論計(jì)算、數(shù)值仿真與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，得出數(shù)值仿真能更準(zhǔn)確反映場(chǎng)地地下水動(dòng)態(tài)的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法對(duì)降水井?dāng)?shù)量、止水帷幕深度及濾水管插入含水層深度等主要控制措施進(jìn)行研究，基于深基坑降水效果，提出了優(yōu)化建議。

2 工程概況及降水設(shè)計(jì)

2.1 工程背景

榆安1號(hào)隧道起訖里程為DK32+700～DK37+250，隧道總長(zhǎng)4 550 m，為單洞雙線。該地區(qū)地層含水層主要由中透水粉砂層和弱透水粉土層構(gòu)成，屬于典型的中-弱透水層互層，如圖1所示。區(qū)內(nèi)地下水為第四系孔隙潛水，局部具微承壓性，主要由含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給，含水層側(cè)向徑流和人工開采排泄。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

基坑側(cè)壁分布有較厚的粉砂中透水層和粉土弱透水層，采用止水帷幕+坑內(nèi)管井進(jìn)行降水。本文選取開挖深度大、地下水位降幅大的DK33+324～DK33+405段為典型研究區(qū)，對(duì)深基坑降水設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化研究。研究區(qū)內(nèi)基坑開挖深度25.3 m、長(zhǎng)81 m，開挖前地下水位高程4.05 m，坑底高程約-3.7 m，如圖2所示[12-13]。

圖2 DK33+324～DK33+405深基坑橫剖面

2.2 基坑降水設(shè)計(jì)

2.2.1 降水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按“按需排水、動(dòng)態(tài)調(diào)整”的排水原則進(jìn)行基坑降水。止水帷幕采用φ850＠600水泥攪拌樁，緊貼灌注樁外邊緣搭設(shè)。為確?；釉跊]有明水的條件下開挖土方，對(duì)地下水位高于基坑底以下0.5 m的段落采取地下水控制措施?；觾?nèi)打設(shè)降水井，降水井間距12 m，橫向間距6 m，基坑兩側(cè)對(duì)稱布置。水位觀測(cè)井均勻布設(shè)于深基坑兩長(zhǎng)邊外的土體中，距圍護(hù)墻外2～3 m處。井點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 深基坑降水井布置

2.2.2 降水井點(diǎn)設(shè)計(jì)

降水井采用直徑650 mm管井。管井采用反循環(huán)鉆孔樁成孔，樁徑0.65 m，比設(shè)計(jì)孔深超鉆0.3～0.5 m作為沉砂段。井管采用φ273 mm、壁4 mm厚的鋼質(zhì)井管。含水層范圍內(nèi)設(shè)置橋式濾水管，濾水管長(zhǎng)度大于含水層厚0.6 m?，F(xiàn)場(chǎng)抽水泵型號(hào)為Q6-43/4-1.5，功率1.5 kW，流量6 m3/h，揚(yáng)程43 m。配管內(nèi)徑40 mm，由于疏干層仍含泥砂，濾水管外包一層40目尼龍網(wǎng)。

3 基坑降水優(yōu)化分析

3.1 理論分析

對(duì)于設(shè)置懸掛式止水帷幕的基坑，地下水繞過止水帷幕進(jìn)入基坑，需考慮側(cè)向徑流補(bǔ)給；對(duì)于落底式止水帷幕的基坑，完全切斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，基坑降水效果僅與抽水井的數(shù)量、抽水速率及濾水管插入深度等因素相關(guān)。

懸臂式止水帷幕條件下的基坑涌水量可按式(1)計(jì)算[9]:

式中:Qw為基坑涌水量，m3；kz為豎直方向的滲透系數(shù)，m/d；rw為等效的圓形基坑半徑，m；h0為帷幕底中軸線位置等水頭線的水頭值，m；hd為基坑設(shè)計(jì)水位處的水頭值，m；ξ為基坑內(nèi)滲流路徑折減系數(shù)，一般取ξ＝0.8；hc為止水帷幕插入深度，m。

根據(jù)天津市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑降水工程技術(shù)規(guī)程》，落底式止水帷幕條件下基坑涌水量可按式(2)計(jì)算:

式中:Q1為基坑坑內(nèi)含水層釋水量，m3；Q2為坑底下伏的承壓含水層越流量，m3；Δh1為基坑降水設(shè)計(jì)水位與發(fā)生越流承壓含水層水頭的水頭差，m；Δhi為第i土層的水位降深值，m；A為基坑降水面積，m2；kv為越流范圍內(nèi)土層垂直等效滲透系數(shù)，m/d；μi為第i土層給水度；i為地下水位下降范圍內(nèi)的土層數(shù)；m為基坑降水設(shè)計(jì)水位與越流含水層頂板之間的土層厚度，m；t為基坑降水所用時(shí)間，d。

根據(jù)本工程按需排水、動(dòng)態(tài)調(diào)整的特點(diǎn)采用非穩(wěn)定流計(jì)算更為合理。可按式(3)計(jì)算抽水過程中的任一點(diǎn)水位降深:

式中:s為水位降深，m；H為靜止水位至潛水含水層底板的距離，m；am為含水層導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；K為滲透系數(shù)，m/d；r1，r2，…，rm為基坑內(nèi)任一點(diǎn)到各降水井的距離。

從式(1)～式(3)可知，基坑涌水量及基坑內(nèi)外地下水位降深和止水帷幕深度、濾水管深度、抽水井的空間分布等因素相關(guān)。為了真實(shí)反映研究區(qū)基坑降水過程，結(jié)合數(shù)值模擬分析進(jìn)行三維、非均質(zhì)、各向異性的地下水非穩(wěn)定流計(jì)算。對(duì)比選擇更為接近監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果的計(jì)算方法，用于降水方案優(yōu)化研究。

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 建立模型

為了克服邊界影響，研究區(qū)模型豎向計(jì)算深度取75 m，沿深基坑橫向、縱向分別取300 m、81 m，土體參數(shù)相近的概化為一層，模型根據(jù)土層分布共分為5層，參數(shù)見表1。模型四周含水層處根據(jù)穩(wěn)定流計(jì)算結(jié)果設(shè)定水頭邊界，底部設(shè)不透水邊界，井點(diǎn)位置設(shè)井流邊界[12]。

表1 模型參數(shù)選取

3.2.2 計(jì)算方法選取及模型校核

本文選取JG-1觀測(cè)井的數(shù)值模擬、理論計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。從圖4可知，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果較為接近監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；理論計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差距較大，主要是由于選用的基坑涌水量Qw為理論計(jì)算值，與實(shí)際排水量存在差異，并且未考慮三維空間各向異性的影響。因此后文采用三維模型進(jìn)行優(yōu)化研究。

圖4 JG-1井實(shí)測(cè)曲線與理論計(jì)算、數(shù)值模擬曲線對(duì)比

3.3 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

3.3.1 降水井?dāng)?shù)量對(duì)深基坑降水影響

基坑降水井的設(shè)計(jì)數(shù)量一般根據(jù)基坑涌水量與單井出水量之比確定。研究區(qū)的降水井設(shè)計(jì)數(shù)量為14口，為了分析降水井?dāng)?shù)量對(duì)中-弱透水互層條件下的基坑降水效果的影響程度，共計(jì)算6種工況(見表2)。

表2 降水井?dāng)?shù)量?jī)?yōu)化計(jì)算工況

基坑降水時(shí)間為地下水位降至坑底以下0.5 m所用時(shí)間。由圖5可知，降水時(shí)間隨降水井?dāng)?shù)量的增加而減少，曲線變化斜率逐漸減小。降水井?dāng)?shù)量在8～10口時(shí)，曲線斜率最大，每增加2口井降水時(shí)間減少35%；降水井?dāng)?shù)量在10～18口時(shí)，曲線斜率逐漸減小，每增加2口井降水時(shí)間減少20%～25%左右。結(jié)合成本進(jìn)行分析(降水井每口造價(jià)約1 000元)，降水井?dāng)?shù)量為11口(A點(diǎn))時(shí)，降水時(shí)間與成本之間的組合最優(yōu)。優(yōu)化后較原設(shè)計(jì)減少3口降水井，單井實(shí)際控制面積在180 m2左右，較原設(shè)計(jì)提高60%。

圖5 基坑降水井?dāng)?shù)量、降水時(shí)間與成本關(guān)系曲線

3.3.2 止水帷幕深度對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)影響

根據(jù)止水帷幕插入中-弱透水互層深度的不同，共設(shè)計(jì)11種工況(見表3)進(jìn)行計(jì)算[13]。由圖6可知，坑內(nèi)地下水位降深隨止水帷幕深度的增加不斷增大；止水帷幕在中、弱透水層以及弱透水層、隔水層之間過渡時(shí)，坑內(nèi)地下水位出現(xiàn)突變，水位降深分別增大1.1 m、1.6 m；止水帷幕深度在16 m(B點(diǎn))左右時(shí)，坑內(nèi)地下水位達(dá)到設(shè)計(jì)要求；當(dāng)止水帷幕深度超過17.1 m之后，繼續(xù)增加止水帷幕深度對(duì)坑內(nèi)地下水位的影響甚微。由圖7可知，坑外地下水均呈漏斗狀變化趨勢(shì)，地下水位降深隨止水帷幕深度的增加不斷減少；止水帷幕在中、弱透水層(-10.8 m)以及弱透水層、隔水層(-17.1 m)之間過渡時(shí)，坑外同一位置處地下水位降深分別減少50%、80%；止水帷幕插入隔水層后，坑外地下水位降幅極小。根據(jù)本文數(shù)值模擬結(jié)果，建議將止水帷幕深度優(yōu)化至16～17.1 m，即達(dá)到中-弱透水互層厚度的90%以上。

圖6 止水帷幕深度與坑內(nèi)水位變化關(guān)系曲線

圖7 止水帷幕深度與坑外水位變化關(guān)系曲線

表3 模型計(jì)算工況

3.3.3 濾水管插入深度對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)影響

在保證止水帷幕深度(19.1 m)和抽水速率(100 m3/d)不變的條件下，分析不同工況(見表4)下深基坑內(nèi)地下水位隨濾水管插入中-弱透水互層深度變化。由圖8可知，各工況下降水速率呈先快后平緩的變化趨勢(shì)。隨濾水管插入深度逐漸增大，坑內(nèi)降水效果越來越好。濾水管深度在10.8～13.4 m(含水層厚度0.6～0.8倍范圍)工況下，坑內(nèi)降水效果最為理想；濾水管深度超過13.4 m之后，降水時(shí)間增加，降水效率減小。故在深基坑降水設(shè)計(jì)時(shí)，濾水管深度宜控制在0.6～0.8倍中-弱透水互層厚度范圍內(nèi)，且需控制在止水帷幕墻底2 m以上。

表4 不同降水井濾管深度計(jì)算工況

圖8 不同降水井濾管深度與深基坑降水時(shí)間關(guān)系曲線

4 結(jié)論

針對(duì)中-弱透水互層地質(zhì)條件下的基坑降水問題，以榆安隧道明挖段深基坑降水工程為背景，通過有限元計(jì)算并結(jié)合理論分析，最終得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)止水帷幕在中-弱透水層以及弱透水層、隔水層之間過渡時(shí)，坑內(nèi)地下水位出現(xiàn)突變；深度插入比達(dá)到1∶0.9～1∶1時(shí)，不但能保證降水效果，而且能保護(hù)地下水資源。

(2)濾水管插入深度宜控制在0.6～0.8倍含水層厚度，且濾水管底至止水帷幕墻底2 m以上。

(3)綜合考慮降水效果與成本，優(yōu)化后降水井?dāng)?shù)量減少21%，單井控制面積在180 m2左右。