抽水示蹤法探測(cè)地下連續(xù)墻滲漏的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

牛若歆，董海洲，2，*

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210024；2.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210024)

0 引言

在城市建設(shè)快速發(fā)展的進(jìn)程中，城市軌道交通基坑工程呈現(xiàn)“大”、“深”、“緊”、“近”等特點(diǎn)。受城市周邊環(huán)境和施工場(chǎng)地土層條件的復(fù)雜性以及施工質(zhì)量等因素的影響，因地下水滲流引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)滲透變形、基坑突涌以及鄰近建筑物沉降等事故頻發(fā)，嚴(yán)重危及基坑的安全施工[1-3]。周紅波等[4]總結(jié)了52例城市軌道交通車站基坑事故，分析指出“滲流破壞、支撐失穩(wěn)、坑內(nèi)滑坡”為3類最常見(jiàn)的事故，其中“滲流破壞”事故占比高達(dá)62%。地下連續(xù)墻作為廣泛采用的防滲支護(hù)結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，進(jìn)而可能引發(fā)嚴(yán)重的滲水事故。Ni等[5]通過(guò)地下水水壓變化研究分析了臺(tái)北及高雄地鐵車站發(fā)生的4起大規(guī)模漏水事件，發(fā)現(xiàn)事故主要的滲漏部位為相鄰墻幅接縫處及墻身混凝土缺陷或薄弱位置。

因此，地下連續(xù)墻滲漏檢測(cè)工作意義重大。傳統(tǒng)的地下連續(xù)墻質(zhì)量檢測(cè)方法包括鉆孔取芯法、靜載試驗(yàn)及聲波透射法等[6]。但鉆孔取芯法檢測(cè)周期長(zhǎng)，且會(huì)破壞混凝土結(jié)構(gòu)；靜載試驗(yàn)成本高，無(wú)法連續(xù)檢測(cè)；聲波透射法則需提前預(yù)埋聲測(cè)管。近年來(lái)，學(xué)者們研究提出了各式地下連續(xù)墻檢測(cè)新方法，如聲吶法[7]、微測(cè)電法[8]、超高密度電阻率法[9]、分布式光纖測(cè)溫技術(shù)[10-11]、光纖布拉格光柵傳感技術(shù)[12]、跨孔聲波測(cè)井法[13]、溫度示蹤法[14]以及彈性波法[15]等，以滿足現(xiàn)代工程高精度的要求。但上述方法均屬于物探方法，通過(guò)測(cè)量間接參數(shù)對(duì)地下連續(xù)墻滲漏位置進(jìn)行研判，無(wú)法直接判定滲漏位置，且其判斷結(jié)果在一定程度上依賴于直接或間接經(jīng)驗(yàn)，精準(zhǔn)度難以保障。

本文在抽水試驗(yàn)及示蹤法的基礎(chǔ)上，提出地下連續(xù)墻滲漏抽水示蹤聯(lián)合探測(cè)方法，采用溫度、電導(dǎo)等天然示蹤結(jié)合地下水流速人工示蹤測(cè)定技術(shù)，通過(guò)對(duì)非抽水天然狀態(tài)和抽水條件下各參數(shù)的綜合分析，確定地下連續(xù)墻滲漏缺陷的具體位置。同時(shí)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料建立基坑二維有限元模型，模擬得出不同滲漏條件下觀測(cè)孔流速的變化規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 工程概況

蘇州市軌道交通8號(hào)線工程土建施工項(xiàng)目(第2批)位于蘇州市相城區(qū)和姑蘇區(qū)，共計(jì)2站4區(qū)間，線路總長(zhǎng)3.77 km。車站為地下2層島式車站，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用深度30 m、厚度0.8 m的地下連續(xù)墻，接縫形式采用工字鋼接頭。在施工過(guò)程中，編號(hào)為WQ1-36的1幅墻體存在水下混凝土澆筑欠方現(xiàn)象，有可能造成地下水滲漏隱患，故需要查明該幅墻體的滲漏情況，以便在基坑開(kāi)挖前進(jìn)行防滲處理。

施工現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境條件較為復(fù)雜，場(chǎng)地地層由上至下為雜填土①1、黏土③1、粉質(zhì)黏土③2、黏質(zhì)粉土③3、粉砂④2、粉質(zhì)黏土⑤1、黏土⑥1、粉質(zhì)黏土⑥2、黏質(zhì)粉土⑥t、粉質(zhì)黏土⑥2、粉質(zhì)黏土⑦1、黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土⑦2及粉質(zhì)黏土⑦3。各土層工程特性見(jiàn)表1。場(chǎng)地地下水主要為潛水含水層、淺部④2層微承壓含水層以及中部⑥t層、深部⑦2層中的承壓含水層。

表1 土層工程特性表

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及分析

2.1 滲漏探測(cè)過(guò)程

本次探測(cè)采用鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)合天然示蹤及單孔稀釋法測(cè)定地下水水平流速的綜合探測(cè)方法。具體探測(cè)過(guò)程：鉆孔完成后，首先對(duì)非抽水條件下各鉆孔的整孔天然溫度、電導(dǎo)率進(jìn)行探測(cè)和天然示蹤分析，并在鉆孔中進(jìn)行人工示蹤流速測(cè)試；隨后進(jìn)行單孔抽水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)期間觀測(cè)各鉆孔的水位變化，并再次對(duì)所有觀測(cè)孔進(jìn)行1次流速探測(cè)；最后綜合對(duì)比分析觀測(cè)孔水位、天然示蹤數(shù)據(jù)以及2次流速探測(cè)結(jié)果，并以此判斷地下連續(xù)墻的滲漏情況，了解場(chǎng)地地下水滲流和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定地層滲透性分布狀況。

試驗(yàn)歷經(jīng)2021年1月及2021年3月2個(gè)階段，共布設(shè)5個(gè)鉆孔，包括4個(gè)觀測(cè)孔(孔1、孔2、孔3、孔4)和1個(gè)抽水孔，鉆孔布設(shè)情況及尺寸見(jiàn)圖1。其中，觀測(cè)孔均布設(shè)在基坑外，孔1、孔2及孔3的中心連線與地下連續(xù)墻邊線平行，孔2及孔4中心對(duì)應(yīng)該幅地下連續(xù)墻中心。

(a)鉆孔平面布置

2.2 滲漏探測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 抽水試驗(yàn)分析

抽水試驗(yàn)第1階段開(kāi)始于2021年1月26日T 9:44:55，1月29日停泵，歷時(shí)4 780 min；抽水試驗(yàn)第2階段于2021年3月13日T 10:16:01開(kāi)始，3月16日停泵，總歷時(shí)4 339 min。

抽水試驗(yàn)第1階段首日的各觀測(cè)孔水位變化情況見(jiàn)圖2(a)。從觀測(cè)結(jié)果可以看出：觀測(cè)孔和抽水孔雖分別位于地下連續(xù)墻的兩側(cè)，但在抽水試驗(yàn)期間所有觀測(cè)孔水位均受到抽水影響而下降，且其水位在抽水開(kāi)始后立即產(chǎn)生變化，說(shuō)明其對(duì)基坑內(nèi)抽水響應(yīng)迅速，亦說(shuō)明觀測(cè)孔與抽水孔之間存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系，表明可能存在地下水直接穿過(guò)地下連續(xù)墻的滲漏通道。圖中的局部水位波動(dòng)是由于示蹤探測(cè)儀器放入鉆孔造成的，如14:24及16:48附近的水位波動(dòng)。

抽水試驗(yàn)第2階段首日的各觀測(cè)孔水位變化情況見(jiàn)圖2(b)。由圖可知，同抽水試驗(yàn)第1階段相同，各觀測(cè)孔水位在抽水開(kāi)始后隨即響應(yīng)，說(shuō)明觀測(cè)孔與抽水孔之間存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系。圖中的局部水位波動(dòng)亦是由于示蹤探測(cè)儀器造成的。

(a)抽水試驗(yàn)第1階段(2021年1月26日)

2.2.2 天然示蹤分析

本文采用的天然示蹤方法包括溫度示蹤和電導(dǎo)率示蹤，通過(guò)分析溫度和電導(dǎo)率沿鉆孔深度的變化規(guī)律，并根據(jù)兩者的異常分布定性判斷是否存在地下水滲漏以及滲漏的位置和深度。

2個(gè)階段試驗(yàn)各觀測(cè)孔天然溫度分布曲線如圖3所示。所有觀測(cè)孔在2個(gè)試驗(yàn)階段的溫度-高程分布曲線變化趨勢(shì)相似，即隨著高程的變化，其溫度先逐漸上升后趨于平穩(wěn)。根據(jù)一般地層溫度變化規(guī)律可知，隨著深度的增加，鉆孔內(nèi)地下水溫度應(yīng)逐漸升高；而各觀測(cè)孔地下水溫度在-5 m高程以下逐漸趨于平穩(wěn)，且溫度較峰值低，這并不符合地層溫度分布的一般規(guī)律，表明存在較強(qiáng)的地下水側(cè)向活動(dòng)。其中，孔1在1月及3月的溫度-高程曲線在高程-6 m附近出現(xiàn)溫度異常；而孔2、孔3及孔4在2個(gè)試驗(yàn)階段的溫度分布曲線均在高程-7 m附近出現(xiàn)異常。因此推測(cè)各觀測(cè)孔溫度在這些深度附近受到了地下水滲漏的影響。

(a)孔1

與溫度示蹤的原理相似，電導(dǎo)率示蹤也是利用其曲線分布的異常來(lái)判斷地下水的滲流。圖4示出了抽水試驗(yàn)2個(gè)階段各觀測(cè)孔天然電導(dǎo)率分布曲線?？傮w上，各觀測(cè)孔在2個(gè)試驗(yàn)階段的天然電導(dǎo)率分布大致呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，即1月的整孔電導(dǎo)率分布較為平穩(wěn)，3月的整孔電導(dǎo)率隨高程的變化先保持平穩(wěn)后逐漸上升?？?淺層高程-2 m以上電導(dǎo)率較低，推測(cè)其并未受地下水滲流的影響，而是由于地表雨水流入造成的。值得注意的是，在3月人工示蹤探測(cè)投放示蹤劑之前的天然狀態(tài)下，各觀測(cè)孔底部的電導(dǎo)率均較高，推測(cè)是1月示蹤試驗(yàn)殘留的鹽分，這說(shuō)明鉆孔底部地下水滲流較弱。

(a)孔1

2.2.3 人工示蹤分析

本次鉆孔地下水滲透流速測(cè)試選用飽和氯化鈉溶液作為示蹤劑。根據(jù)測(cè)量各觀測(cè)孔中地下水的電導(dǎo)率獲得示蹤劑稀釋曲線，并計(jì)算流速。

(1)

式中：Vf為達(dá)西滲透速度；r為濾水管內(nèi)半徑；α為流場(chǎng)畸變校正系數(shù)；t為測(cè)量時(shí)間差；n0為t=0時(shí)的電導(dǎo)率；n為t時(shí)刻的電導(dǎo)率。

圖5示出了1月各觀測(cè)孔抽水前后的流速對(duì)比。由圖可知：1)孔1、孔2及孔4抽水前流速分布均呈“峰”狀，且以孔1的峰值流速最高為0.008 m/d；2)抽水后孔1、孔2及孔4的流速分布規(guī)律不變，且均出現(xiàn)不同程度的增幅，其中，孔1在高程-4～-7 m段增幅最大，孔2在-5～-10 m增幅最大，孔4在-6～-10 m增幅最為明顯，說(shuō)明高程-6 m附近存在較強(qiáng)的地下水滲流，推斷地下連續(xù)墻滲漏缺陷位于該處的可能性較大；3)孔3整孔流速分布無(wú)明顯“峰”狀特征，抽水后流速雖略有升高，但整體上流速較緩，表明孔3所處位置地下水滲流并不明顯，其距離地下連續(xù)墻滲漏缺陷位置較遠(yuǎn)。

(a)孔1

圖6示出了3月各觀測(cè)孔抽水前后的流速對(duì)比。整體上，各觀測(cè)孔在3月的流速分布與1月呈現(xiàn)大致相同的規(guī)律。其中，孔1、孔2及孔4的流速分布仍呈“峰”狀，且峰值流速較大；抽水后，孔1流速增幅以-4～-10 m段最為明顯，孔2則在-6～-10 m段增幅最大，表明此處地下水滲流較強(qiáng)；由于抽水期間孔4的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)較少，其抽水后流速較抽水前小但相差不大，故未在圖中畫(huà)出。經(jīng)觀察孔4抽水后流速同抽水前流速處于同一量級(jí)且變化較小，推斷其所處位置地下水滲流相對(duì)較弱；孔3抽水前后流速分布仍無(wú)明顯“峰”狀特征，且流速值較小，抽水后流速增幅較小，亦說(shuō)明地下水滲流較弱。

(a)孔1

綜合2個(gè)試驗(yàn)階段各觀測(cè)孔的流速探測(cè)結(jié)果可知，各觀測(cè)孔流速在抽水前后均發(fā)生了變化，以高程-4～-7 m段流速增幅最大，且孔1的流速增幅最為明顯，孔2流速增幅次之。結(jié)合溫度示蹤探測(cè)結(jié)果，推測(cè)孔1及孔2孔所處位置均受到較強(qiáng)的地下水滲流影響，判斷地下連續(xù)墻滲漏位置在孔1及孔2之間，且可能的滲漏位置位于高程-6 m附近。

3 數(shù)值模擬及分析

3.1 數(shù)值模擬軟件

Geostudio有限元軟件是常見(jiàn)的巖土數(shù)值分析軟件，主要包含8個(gè)分析模塊。根據(jù)不同模塊的功能特點(diǎn)并結(jié)合實(shí)際工程，選取SEEP/W(滲流分析)模塊對(duì)地下連續(xù)墻滲漏進(jìn)行模擬分析。

SEEP/W模塊主要用于多孔介質(zhì)滲流問(wèn)題，其基于達(dá)西定律對(duì)滲流問(wèn)題進(jìn)行分析。除飽和滲流問(wèn)題外，該模塊還可對(duì)飽和-不飽和時(shí)變問(wèn)題進(jìn)行分析。

3.2 模型建立

為進(jìn)一步驗(yàn)證示蹤方法的探測(cè)結(jié)果，根據(jù)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)資料，建立基坑二維有限元模型，對(duì)抽水試驗(yàn)第2階段條件下不同地下連續(xù)墻滲漏情況的滲流狀態(tài)進(jìn)行模擬，分析不同工況下基坑外側(cè)觀測(cè)井的流速分布情況，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，地下連續(xù)墻可能滲漏的位置在孔1與孔2之間，考慮到二維模型的局限性，本次模擬將滲漏缺陷設(shè)于地下連續(xù)墻中線位置，重點(diǎn)模擬不同滲漏高程下孔2及孔4的流速變化規(guī)律。

所建模型以地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)邊緣與地表面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為x正方向，豎直向上為y正方向，模型整體尺寸為50.8 m×52.0 m，以地下連續(xù)墻內(nèi)邊緣為標(biāo)準(zhǔn)向x正方向延伸20 m，以地下連續(xù)墻外邊緣為標(biāo)準(zhǔn)向x負(fù)方向延伸30 m，模型斷面及其有限元計(jì)算網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖7。地下連續(xù)墻厚度、深度，觀測(cè)井內(nèi)徑、深度以及布設(shè)部位依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置。

圖7 數(shù)值模型二維斷面與有限元計(jì)算網(wǎng)格

依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料確定不同地層滲透系數(shù)，具體數(shù)值見(jiàn)表1。地下連續(xù)墻滲透系數(shù)設(shè)為1.0×10-20cm/s，以高度為0.5 m的透水材料模擬滲漏缺陷，其滲透系數(shù)為10 cm/s。

整個(gè)模型僅施加水位邊界條件和降水邊界條件，通過(guò)在抽水孔抽水部位設(shè)置水位邊界條件模擬降水，在基坑內(nèi)部開(kāi)挖面設(shè)置排水邊界條件。

3.3 模擬工況設(shè)置及模擬結(jié)果分析

本次模擬通過(guò)改變滲漏缺陷位置，即透水材料的埋深，模擬地下連續(xù)墻不同部位滲漏時(shí)的地下水滲流情況。本次地下連續(xù)墻滲漏模擬共設(shè)置7種不同的地下連續(xù)墻滲漏工況，詳見(jiàn)表2。

表2 滲漏模擬工況

3.3.1 模擬結(jié)果分析

圖8為觀測(cè)孔2及觀測(cè)孔4在工況1—6情況下的流速對(duì)比圖。由圖可知，在相同滲漏工況條件下，孔2及孔4的流速分布呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律。其中，除工況2呈現(xiàn)明顯的“多峰”狀分布外，其余工況條件下觀測(cè)孔的流速分布均呈“單峰”狀，分析工況2出現(xiàn)“多峰”的原因在于：該工況滲漏位置處于黏土層，地層滲透系數(shù)較相鄰地層?。划?dāng)該位置發(fā)生滲漏時(shí)，其流速與相鄰地層流速差異不大，甚至低于相鄰地層的流速。

(a)工況1(高程1.2～0.7 m段滲漏)

隨著地下連續(xù)墻滲漏位置埋深的增加，觀測(cè)孔流速峰值所處高程呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，不同滲漏工況條件下觀測(cè)孔的流速峰值均不相同。整體上，工況5的流速峰值最大，為0.117 42 m/d；工況2為最小，為0.000 58 m/d，而其峰值流速產(chǎn)生差異的原因與地下連續(xù)墻滲漏位置所處地層滲透系數(shù)有關(guān)。

由圖8還可看出，距地下連續(xù)墻不同距離的觀測(cè)孔地下水流速分布雖呈現(xiàn)類似規(guī)律，但是隨著觀測(cè)孔距地下連續(xù)墻距離的增加，其流速峰值有所下降，即觀測(cè)孔距地下連續(xù)墻的距離也是影響其流速大小的重要因素之一。

3.3.2 模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

將不同滲漏工況條件下孔2及孔4的流速結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在工況1與工況2情況下模擬及實(shí)測(cè)流速相差較大，而在工況3至工況6情況下模擬流速與實(shí)測(cè)流速均呈現(xiàn)“峰”狀。為進(jìn)一步對(duì)比模擬及實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)模型在由實(shí)測(cè)結(jié)果所得地下連續(xù)墻可能滲漏深度位置設(shè)置滲漏缺陷(即工況7)，其中觀測(cè)孔2的實(shí)測(cè)流速與模擬流速對(duì)比見(jiàn)圖9。

(a)實(shí)測(cè)值

綜合分析模擬流速可以發(fā)現(xiàn)：工況5、6、7與實(shí)測(cè)流速的分布規(guī)律類似。為更精準(zhǔn)地對(duì)比實(shí)測(cè)流速與模擬流速的差異，分別計(jì)算了3種工況下模擬流速與實(shí)測(cè)流速的均方誤差，分別為1.63×10-3、1.86×10-3及1.18×10-3，得出工況7與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況最為符合。由圖9可知，孔2在工況7條件下的模擬流速與實(shí)測(cè)流速分布規(guī)律相近，故可推測(cè)地下連續(xù)墻滲漏缺陷位置應(yīng)在高程-6 m附近，表明模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)抽水示蹤聯(lián)合探測(cè)方法推斷結(jié)果一致，驗(yàn)證了該方法用于地下連續(xù)墻滲漏探測(cè)的適用性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論與討論

1)由抽水試驗(yàn)觀測(cè)孔水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，各觀測(cè)孔水位對(duì)抽水孔抽水響應(yīng)迅速，表明基坑內(nèi)外存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系，判斷地下連續(xù)墻墻身存在滲漏通道。

2)各觀測(cè)孔溫度在高程-5 m以下趨于平緩，不符合地層溫度分布的一般規(guī)律，推測(cè)此處地下水滲流較強(qiáng)；抽水后各觀測(cè)孔流速均有增高，其中孔1及孔2的增幅較大，推測(cè)地下連續(xù)墻滲漏缺陷位于孔1與孔2之間，且可能的滲漏位置位于高程-6 m附近。

3)若地下連續(xù)墻滲漏位置的埋深增加，模擬流速峰值逐漸下降，且以埋深10～10.5 m(高程-6.8～-7.3 m)為最大。對(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滲漏位置在埋深9～9.5 m(高程-5.8～-6.3 m)時(shí)的模擬流速與實(shí)測(cè)流速分布情況更為接近，推測(cè)地下連續(xù)墻的可能滲漏位置在-6 m高程處，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得結(jié)論相同，亦驗(yàn)證了抽水示蹤聯(lián)合探測(cè)方法的可行性。

4)模擬流速峰值與滲漏位置所處地層的滲透特性有關(guān)。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻滲漏處于土層滲透系數(shù)較大的位置時(shí)，其峰值流速與滲漏位置有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系；而當(dāng)其滲漏位置處于滲透性較弱的地層時(shí)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系則不明顯。單從模擬流速峰值難以確定滲漏位置，建議將實(shí)測(cè)流速與模擬流速變化規(guī)律進(jìn)行綜合對(duì)比分析，以便更精準(zhǔn)地判定地下連續(xù)墻的滲漏位置。