止水帷幕深度對地下水滲流規(guī)律的影響分析

汪勛文，江 繼

(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430081； 2.武漢市漢陽市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

0 引言

海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”,下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用[1]。畢曉晴[2]介紹了下沉式綠地、透水鋪裝、植草溝滲透設(shè)施及地下蓄水池等海綿城市設(shè)施；張?jiān)耓3]從法律法規(guī)制度建設(shè)、相關(guān)配套政策制定等方面總結(jié)了海綿城市建設(shè)；黃云浩[4]認(rèn)為目前海綿城市研究主要是地表處理措施，對于高層建筑超大超深基坑止水帷幕對深層地下水滲流場的影響研究較少；孔政、歐陽健等[5-6]通過現(xiàn)場抽水試驗(yàn)及SEEP/W軟件對落底式止水帷幕地下水滲流特性進(jìn)行了一定的研究；周鵬華[7]通過中心島法施工研究了基坑采用不同止水帷幕時(shí)基坑內(nèi)外水位和孔隙水壓力變化規(guī)律；何紹衡[8]通過ABAQUS軟件模擬了基坑分級(jí)降水開挖對坑外地下水及地表沉降的影響。

本文從工程背景出發(fā)，依托實(shí)際工程建設(shè)場地的水文地質(zhì)條件，通過施工現(xiàn)場抽水試驗(yàn)坑內(nèi)外抽水井水位降深數(shù)據(jù)，利用FLAC3D軟件構(gòu)建數(shù)值模型，研究有無止水帷幕，止水帷幕是否落底以及不同深度止水帷幕對地下水滲流變化規(guī)律的影響，為實(shí)際工程止水帷幕設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，為海綿城市建設(shè)提供新思路。

1 工程概況

武漢長江航運(yùn)中心大廈項(xiàng)目坐落在武漢市江漢區(qū)，北臨民生路，東臨沿江大道，西臨黃陂街?；娱L約210 m，寬170 m，開挖面積31 121 m2，普遍開挖深度在19 m～22.4 m之間，局部深度接近25.5 m。研究區(qū)地貌單元屬長江一級(jí)階地，沿埋藏深度呈典型的二元結(jié)構(gòu)，即上部以雜填土、黏性土為主，逐步過渡到下部的粉細(xì)砂及底部卵礫石層，是具有“固、液、氣”三相性的多孔介質(zhì)[9]。水文地質(zhì)垂直地層劃分見表1，綜合考慮各項(xiàng)因素，本基坑被判定為一級(jí)深基坑工程。基坑及降水井平面布置示意圖見圖1。

2 FLAC3D分析模型的建立

實(shí)際施工過程落底式止水帷幕和抽水井的干擾，使施工現(xiàn)場地下水不能維持穩(wěn)定流狀態(tài)，而是三維滲流狀態(tài)。故可以進(jìn)行簡化計(jì)算，利用連續(xù)方程和其定解條件，對三維非穩(wěn)定滲流的規(guī)律進(jìn)行分析，即求多孔介質(zhì)中的水流動(dòng)問題。

因此，對地下水問題進(jìn)行簡化，可以簡化為研究地下水在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)問題，并利用連續(xù)方程和定解及其定解條件，對三維非穩(wěn)定滲流的規(guī)律進(jìn)行分析。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料、相關(guān)規(guī)范資料和當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn)可得其各層土體及計(jì)算參數(shù)如表1所示，本項(xiàng)目地連墻的滲透系數(shù)為10-6cm/s。

基坑所處土層的滲透系數(shù)是通過基坑土層勘測到的滲透系數(shù)K,單位為cm/s，通過下式進(jìn)行換算得到：

k=K×1.02×10-6。

其中，k為FLAC3D計(jì)算中的滲透系數(shù)，m2/(Pa·s)；K為土層的滲透系數(shù)，cm/s。由此得到了FLAC3D各層土的滲透系數(shù)K,如表1所示。

表1 水文地質(zhì)垂直地層劃分及模型參數(shù)

因此，基坑計(jì)算模型滲流場的初始邊界條件可以被確定下來。在坑內(nèi)設(shè)置透水邊界作為降水井的濾管部分，抽水時(shí)設(shè)置控制水頭作為降水井水頭。由于基坑施工范圍較大，水流量較大，設(shè)置基坑兩側(cè)遠(yuǎn)離降水井處為界，假定地下水位不變，即為水頭界，根據(jù)基坑降水影響半徑的規(guī)律；假定地質(zhì)為均質(zhì)且各向同性，根據(jù)含水層水平向與豎向的滲透性質(zhì)。

地下水滲流的補(bǔ)水邊界選擇模型左、右邊界和地表，不透水邊界選擇止水帷幕，根據(jù)表1中的各項(xiàng)參數(shù)，給每一地層賦值，得到對應(yīng)的概化模型，如圖2所示。

本模擬過程以觀測承壓含水層的變化為主，故根據(jù)實(shí)際勘察數(shù)據(jù)賦值承壓含水層初始水位，且根據(jù)實(shí)際勘察范圍地質(zhì)情況簡化后，進(jìn)行小范圍模擬來進(jìn)行研究。

同時(shí)，為兼顧模擬速度和精度，劃分網(wǎng)格時(shí)，相對于一般區(qū)域，加密重點(diǎn)研究部位。計(jì)算區(qū)域水平范圍及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

基坑降水模擬中，邊界條件有止水帷幕、抽水井定流邊界、模型范圍定水頭邊界等。在基坑降水模擬中，模型按照項(xiàng)目的具體設(shè)定，范圍為基坑左邊界，并依據(jù)武漢地區(qū)數(shù)據(jù)資料及施工經(jīng)驗(yàn)，將止水帷幕深度設(shè)為入基巖層2 m，厚度1 m，滲流系數(shù)設(shè)定為5×10-5，地連墻深度37 m，抽井深度40 m。本數(shù)值模型擬合修正是利用多井抽水試驗(yàn)觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行的。抽水試驗(yàn)?zāi)M是在工程抽水試驗(yàn)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，基于初始數(shù)值模型的模擬。

通過對止水帷幕系數(shù)和含水層滲透系數(shù)在合理范圍內(nèi)調(diào)整，對長江航運(yùn)中心項(xiàng)目基坑降水模型進(jìn)行校正，降水模型擬合校正圖如圖4所示，SWZ1為基坑中部新增水位觀測井。

對比發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)存在一定差異，這是由于數(shù)值計(jì)算忽略一些實(shí)際施工中遇到的問題，由于變形趨勢差別不大，驗(yàn)證本模型與相關(guān)參數(shù)的均合理。

3 止水帷幕埋深的影響分析

3.1 落底式止水帷幕降水模擬

根據(jù)長江航運(yùn)中心基坑降水井布置方案，進(jìn)行方案一降水模擬(見圖5)。方案一主要考慮止水帷幕嵌入中風(fēng)化泥巖0.5 m(止水帷幕埋深約為56 m)，其他條件不變。

采用非穩(wěn)定流進(jìn)行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d時(shí)模擬區(qū)域穩(wěn)定后的基坑孔隙水壓力空間等值線(如圖6所示)。

由圖6能夠發(fā)現(xiàn)，采用方案一時(shí)，隨著抽水天數(shù)的增加，基坑內(nèi)孔隙水壓力不斷下降，直至達(dá)到降水井埋深。

在抽水模擬前期，當(dāng)止水帷幕嵌入泥巖時(shí)，基坑外側(cè)含水層在水平向表現(xiàn)為水平滲流，而且沒有明顯的向下越流和繞流現(xiàn)象。在抽水模擬后期，止水帷幕嵌入泥巖深處時(shí)出現(xiàn)較為顯著的向下越流和繞流現(xiàn)象?？梢园l(fā)現(xiàn)止水帷幕并不能完全切斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，但采用止水帷幕改變了地下水滲流方向且止水效果相當(dāng)顯著。

3.2 懸掛式止水帷幕(52 m)降水模擬

根據(jù)長江航運(yùn)中心基坑降水井布置方案，進(jìn)行方案二降水模擬。方案二主要考慮止水帷幕落在承壓含水層③-2細(xì)砂上(止水帷幕埋深52 m)并未嵌入泥巖，其他條件不變。

采用非穩(wěn)定流進(jìn)行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d時(shí)模擬區(qū)域穩(wěn)定后的基坑孔隙水壓力空間等值線(見圖7)。

由圖7能夠發(fā)現(xiàn)，采用方案二時(shí)，隨著抽水天數(shù)的增加，基坑內(nèi)孔隙水壓力不斷下降，直至達(dá)到降水井埋深。

在整個(gè)降水井抽水過程中，由于弱承壓含水層即相對隔水層中粉質(zhì)黏土層的隔水性較差，承壓含水層細(xì)砂層具有水力聯(lián)系，使得坑外地下水經(jīng)地連墻和止水帷幕底部透水層發(fā)生繞流，在地連墻和止水帷幕底部周圍分別產(chǎn)生了土體“滲流集中”的現(xiàn)象。基坑底部的水被抽走，形成一個(gè)排水面，使孔壓降低的土層向下擴(kuò)張，最終在止水帷幕底部處，坑外地下水通過繞流涌入附近的降水井。同時(shí)在整個(gè)降水過程中存在水平方向和豎直方向的滲流，且水平方向的滲流作為主要滲流方式。

3.3 懸掛式止水帷幕(36 m)降水模擬

根據(jù)長江航運(yùn)中心基坑降水井布置方案，進(jìn)行方案三降水模擬。方案三主要考慮止水帷幕落在承壓含水層③-2細(xì)砂上(止水帷幕埋深約為36 m)并未嵌入泥巖，其他條件不變。

采用非穩(wěn)定流進(jìn)行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d時(shí)模擬區(qū)域穩(wěn)定后的基坑孔隙水壓力空間等值線(見圖8)。

當(dāng)采用方案三止水帷幕與地下連續(xù)墻埋深相同時(shí)，對比方案二，能夠發(fā)現(xiàn)，隨著止水帷幕插入深度的減小基坑底部孔隙水壓力逐漸增大。

3.4 無止水帷幕降水模擬

根據(jù)長江航運(yùn)中心基坑降水井布置方案，進(jìn)行方案四降水模擬。方案四主要考慮無止水帷幕時(shí)，地下水滲流情況分析模擬，其他條件不變。

采用非穩(wěn)定流進(jìn)行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d時(shí)模擬區(qū)域穩(wěn)定后的基坑孔隙水壓力空間等值線(見圖9)。

由圖9能夠發(fā)現(xiàn)，在方案四無帷幕的情況下，地下連續(xù)墻發(fā)揮部分止水作用，基坑外側(cè)含水層在水平向表現(xiàn)為水平滲流，而且并沒有明顯的向下越流和繞流現(xiàn)象?；觾?nèi)側(cè)地下連續(xù)墻能減緩地下水滲流的速率和地下水滲流路徑，對地下水的滲流有著較大的影響。地下水向基坑滲流方向沒有止水帷幕時(shí)，其路徑由水平逐步轉(zhuǎn)成豎直，最終在抽水井處匯集?；觾?nèi)側(cè)豎直方向的滲流作為主要滲流方式。

3.5 方案對比分析

以基坑為中心向外輻射的區(qū)域，在基坑降水到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，會(huì)形成一個(gè)潛水自由面，基坑降水的涌水量大小受到該潛水自由面影響的區(qū)域和下降深度的直接影響，同時(shí)，地連墻及止水帷幕的存在也會(huì)對其產(chǎn)生一定影響，其形狀類似于漏斗。

通過數(shù)值模型模擬基坑降水過程中潛水自由面的變化情況，模擬降水情況與實(shí)際基本相符，水位在開始抽水的15 d里下降速度更快，然后逐漸平緩下來，到了30 d后，基本上平穩(wěn)下來(見圖10)。

隨著止水帷幕深度的加深，從圖10中可以看出，基坑中孔隙水壓力具有一定的變化。

當(dāng)?shù)叵滤_(dá)到穩(wěn)定流狀態(tài)時(shí)，從基坑底部孔隙水壓力變化曲線可知，當(dāng)止水帷幕深度為56 m時(shí)(此時(shí)止水帷幕已落底)，基坑底部孔隙水壓力最大值為0.54 MPa，當(dāng)止水帷幕深度為52 m時(shí)(此時(shí)止水帷幕未落底)，基坑底部孔隙水壓力最大值為0.88 MPa，當(dāng)止水帷幕深度為36 m時(shí)(此時(shí)止水帷幕未落底)，基坑底部孔隙水壓力最大值為0.94 MPa。無止水帷幕時(shí)，基坑底部孔隙水壓力最大值為1 MPa。

3.6 止水帷幕阻礙作用對海綿城市的影響分析

止水結(jié)構(gòu)阻滯對海綿城市的影響有以下幾個(gè)方面：擠占地表水的滲水空間，減少地表水的滲水速率，最后使與止水結(jié)構(gòu)臨近處的海綿城市設(shè)備效率降低，這是由于阻滯作用，導(dǎo)致地下水的滲水速率降低，局部地下水水位升高過快引起的。

地下結(jié)構(gòu)對天然流場的阻隔或截?cái)鄷?huì)使得地下結(jié)構(gòu)兩側(cè)地下水的水位局部上升或下降，造成兩側(cè)水力梯度增大[10]，阻礙地下水的流通，降低附近海綿城市設(shè)施的效率。同時(shí)，較大幅度的水位變化會(huì)造成建筑物內(nèi)突水和增加附近建筑因浮托力而破壞的風(fēng)險(xiǎn)[11]，為城市的建設(shè)帶來隱患。

4 結(jié)論

武漢地處長江中游江漢平原，為長江沖積平原地貌，分為長江Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)階地，這類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是下部具有深厚的砂土及卵礫石層，滲透性大，地下水豐富，具有承壓性，且與長江有一定的水力聯(lián)系[12]。針對這種典型的地質(zhì)構(gòu)造，結(jié)合數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)影響規(guī)律如下：

1)設(shè)置止水帷幕會(huì)改變地下水滲流方向。無止水帷幕時(shí)，基坑外側(cè)含水層在水平向表現(xiàn)為水平滲流，基坑內(nèi)側(cè)表現(xiàn)為豎直滲流，有止水帷幕的情況下，在止水帷幕處地下水產(chǎn)生繞流的現(xiàn)象，并且讓含水層的滲流方向從水平流變成越流。

2)當(dāng)采用落底式時(shí)，止水帷幕里側(cè)和外側(cè)孔隙水壓力分布有顯著差別，孔隙水壓力等值線呈現(xiàn)較大波動(dòng)；在砂卵石地層時(shí)，隨著止水帷幕插入深度的增加基坑底部孔隙水壓力逐漸降低。

3)相同條件下，落底式止水帷幕相對于非落底式止水帷幕，對地下水的流動(dòng)影響較大，從而降低附近海綿城市設(shè)施效率，故需根據(jù)工程實(shí)際水文地質(zhì)情況合理選擇止水帷幕形式及深度。