摘 要:為解決二元結(jié)構(gòu)強(qiáng)透水地層基坑降水可能引發(fā)的滲透變形和地面沉降問題,以西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程渠首倒虹吸段開挖基坑降水工程為研究對(duì)象,開展現(xiàn)場(chǎng)微水振蕩試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn),根據(jù)勘察資料和試驗(yàn)結(jié)果獲取研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)。提出以明渠排水為主、明渠排水與防滲帷幕相結(jié)合的兩種降水方案并進(jìn)行基于GMS 的Drain 數(shù)據(jù)包數(shù)值模擬,驗(yàn)算不同方案下基坑滲透變形情況,同時(shí)對(duì)西北側(cè)鄰近的西霞院水利樞紐堤壩沉降安全進(jìn)行分析。結(jié)果表明:兩種降水方案均不會(huì)引發(fā)滲透變形和地面沉降破壞,其中明渠排水與防滲帷幕相結(jié)合的方案更適用于滲透性強(qiáng)、與河流水力聯(lián)系密切的二元結(jié)構(gòu)地層基坑降水。
關(guān)鍵詞:強(qiáng)透水地層;基坑降水;微水振蕩試驗(yàn);滲透變形;沉降
中圖分類號(hào):TV62;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2023.04.25
引用格式:王長(zhǎng)生,王浩楠,李良琦,等.強(qiáng)透水地層基坑降水對(duì)滲透變形和沉降安全的影響分析[J].人民黃河,2023,45(4):143-149,160.
深基坑降水施工是各類大型工程興建過程中的重要工作,在水文地質(zhì)條件特殊的二元結(jié)構(gòu)強(qiáng)透水地層,地下水水位較高、含水層滲透性強(qiáng),降水施工困難,易發(fā)生流土、突涌和地面沉降等現(xiàn)象[1] 。深基坑降水施工措施不當(dāng)是導(dǎo)致強(qiáng)透水地層發(fā)生事故的主要原因[2-3] 。南京市河西地區(qū)地鐵工程基坑開挖時(shí),未進(jìn)行抗管涌安全系數(shù)的驗(yàn)算,僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工,使基坑突發(fā)管涌,進(jìn)一步造成臨近路面下沉、交通中斷[4] ;福州市地鐵某車站基坑開挖位置處于地下水水位高、滲透性強(qiáng)的砂層,降水井布置不合理,對(duì)地下水進(jìn)行強(qiáng)排時(shí)涌砂堵塞井內(nèi)抽水泵,導(dǎo)致涌水迅速擴(kuò)散[5] ;在長(zhǎng)江階地區(qū)域內(nèi)對(duì)某基坑降水施工時(shí)忽略了特殊的地下水徑流條件,周圍水力聯(lián)系密切的地層發(fā)生不均勻沉降,導(dǎo)致高層建筑物多處斷裂[6] 。針對(duì)高富水、強(qiáng)透水地層的基坑降水問題,時(shí)鐘[7] 建議采用水泥-水玻璃復(fù)合注漿加固地基在基坑內(nèi)設(shè)置淺井,采用基坑外回灌模式降排滯水,減小降水對(duì)地面沉降的影響;朱大鵬等[8] 提出采取井點(diǎn)降水與集水溝明排方式,在基坑開挖過程中分多次排水,減小因降水產(chǎn)生的沉降對(duì)周圍地上建筑物的影響??梢?,采用合理的降排水方案不僅會(huì)縮短施工周期,還能保證施工安全。
對(duì)于基坑降水方案設(shè)計(jì),傳統(tǒng)的解析法難以滿足條件復(fù)雜的研究區(qū)基坑降水預(yù)測(cè)的需要,而數(shù)值模擬方法因其有可視化、預(yù)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。宋彥輝等[9] 運(yùn)用Modflow 軟件對(duì)羊曲水電站左壩肩單薄山梁進(jìn)行了數(shù)值模擬,根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)下游地層水力坡降值進(jìn)行了驗(yàn)算,明確下游岸坡不存在滲透變形問題;吳紹明等[10] 運(yùn)用數(shù)值模擬法對(duì)白云機(jī)場(chǎng)第二高速某基坑降水工程進(jìn)行優(yōu)化,不僅控制了基坑底部的滲透變形,還避免了基坑周圍地表沉降的發(fā)生;周念清等[11] 運(yùn)用GMS 軟件模擬了上海地鐵工程地鐵站基坑降水施工,設(shè)置排水井進(jìn)行連續(xù)抽水,達(dá)到了疏干含水層的目的,并預(yù)測(cè)了研究區(qū)的最大沉降量。
目前,基坑降水主要采取明渠排水、降水井結(jié)合防滲帷幕等方法。明渠排水是最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方案,但在以往研究中較少采用數(shù)值模擬方法模擬明渠排水,特別是在二元結(jié)構(gòu)強(qiáng)透水地層中更少。西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程渠首倒虹吸段下伏大粒徑卵石層,存在降水井成井困難、單井涌水量過大問題。本文針對(duì)研究區(qū)特殊的地質(zhì)條件,結(jié)合勘察資料和現(xiàn)場(chǎng)微水振蕩試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果,使用PEST.工具對(duì)模型進(jìn)行反演,得到合理的模擬參數(shù),使用Drain 數(shù)據(jù)包模擬明渠排水結(jié)合防滲帷幕的降水方案,并對(duì)降水施工中基坑邊坡的水力比降和西霞院水利樞紐堤壩沉降安全進(jìn)行研究,以期為類似地質(zhì)條件的基坑降水?dāng)?shù)值模擬提供新思路。
1 強(qiáng)透水地層基坑降水滲流-沉降數(shù)學(xué)模型建立
1.1 地下水水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型
研究區(qū)地下水類型為潛水,其控制方程為
2 研究區(qū)水文地質(zhì)數(shù)值模型構(gòu)建
2.1 研究區(qū)概況
西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程位于河南省黃河北岸,為國(guó)家172 項(xiàng)重大水利建設(shè)項(xiàng)目之一。其中渠首倒虹吸段(樁號(hào)0+000—1+275)位于黃河濕地保護(hù)區(qū)內(nèi),采用分段式開挖方式開挖渠道。本研究對(duì)象是位于樁號(hào)0+506—1+018 的基坑,基坑平面呈矩形,長(zhǎng)約512 m,基底寬約20 m,水平段底板高程111.2 m。研究區(qū)位置示意見圖1,在研究區(qū)試驗(yàn)孔SY-1 至SY-5中開展了微水振蕩試驗(yàn),試驗(yàn)過程中重點(diǎn)關(guān)注基坑開挖涌水量、基坑周圍地層滲透變形情況和西霞院水利樞紐堤壩沉降量。
2.2 水文地質(zhì)條件
研究區(qū)地形開闊平坦,地面高程為122.19~124.55 m。研究區(qū)地層為具有二元結(jié)構(gòu)的第四系全新統(tǒng)沖積層,上層砂壤土層厚2.5~3.4 m,砂壤土層下伏砂礫石層,礫石粒徑為3~10 cm;地層下部為卵石層(卵石粒徑大于20 cm),卵石層強(qiáng)度高,因此將建基面設(shè)置在卵石層;地層底部為紫紅色粉砂質(zhì)黏土巖與泥巖互層。研究區(qū)地下水為第四系松散層孔隙潛水,受地面降雨及東南側(cè)黃河水補(bǔ)給,研究區(qū)地下水主要賦存于砂礫土層和卵石層中,地下水水位為121.37~121.99 m。砂壤土層具有中等透水性,砂礫石層具有強(qiáng)透水性,卵石層具有極強(qiáng)透水性,底層黏土巖透水性差。
2.3 水文地質(zhì)參數(shù)的確定
水文地質(zhì)參數(shù)的選取是進(jìn)行數(shù)值模擬和后續(xù)計(jì)算的重要基礎(chǔ)。為確定研究區(qū)各含水層的水文地質(zhì)參數(shù),除參考勘察資料外,還分別開展了現(xiàn)場(chǎng)微水振蕩試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)。微水振蕩試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算常用的理論模型有Kipp 模型、CBP 模型、Hvorslev 模型和Bouwer-Rice 模型等[14] ,其中Kipp 模型采用無量綱因子和參變量將單井內(nèi)水流振蕩微分方程轉(zhuǎn)換為無量綱形式并求解得出一組標(biāo)準(zhǔn)曲線,相較于其他模型,Kipp 模型標(biāo)準(zhǔn)曲線更具區(qū)別性,相應(yīng)的計(jì)算方法也更加成熟,因此采用Kipp 模型對(duì)研究區(qū)5 個(gè)水位觀測(cè)孔中開展的微水振蕩試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。得出試驗(yàn)過程中水位觀測(cè)孔水位變化量與時(shí)間的關(guān)系,將實(shí)測(cè)曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合,擬合曲線見圖2(以SY-1 試驗(yàn)孔擬合情況為例,ζ 為阻尼系數(shù),α 為儲(chǔ)水系數(shù))??梢钥闯觯⑺袷幵囼?yàn)實(shí)測(cè)曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線能很好地?cái)M合,表明微水振蕩試驗(yàn)取得了良好效果,從中選取合適的匹配點(diǎn)進(jìn)行滲透參數(shù)計(jì)算,結(jié)果見表1。
對(duì)研究區(qū)各地層剖面取土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),采用密度試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)和常水頭滲透試驗(yàn)對(duì)所取土樣進(jìn)行分析,土樣顆粒級(jí)配曲線和砂礫土粒組頻率曲線分別見圖3、圖4,所得參數(shù)見表2。
對(duì)無黏性土滲透變形類型的判別方法如下:不均勻系數(shù)>5 且級(jí)配不連續(xù)的土,滲透變形類型由細(xì)顆粒含量(P)來確定,當(dāng)P<25%時(shí)為管涌;不均勻系數(shù)>5且級(jí)配連續(xù)的土,采用孔隙直徑法與細(xì)料含量法進(jìn)行綜合研判;不均勻系數(shù)≤5 時(shí)為流土。
2.4 地層劃分與邊界確定
研究區(qū)地下水潛水埋深為1.8 ~2.0 m,初始水位取研究區(qū)平均地下水水位121.68 m。為滿足數(shù)值模擬計(jì)算要求,結(jié)合勘察資料、現(xiàn)場(chǎng)微水振蕩試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,依據(jù)地層滲透系數(shù)以及建基面高程將研究區(qū)地層劃分為砂壤土層(高程119.92~122.87 m)、砂礫土層(高程111.2 ~ 119.92 m)、卵石層(高程99.61 ~111.2 m)以及黏土巖層(揭露厚度為0.4 m,未揭穿),各層頂?shù)装甯叱倘∮煽辈熨Y料獲取的高程均值。砂壤土層和砂礫土層結(jié)構(gòu)疏松且位于地下水水位以下,穩(wěn)定性差,易發(fā)生滲透變形,不利于邊坡穩(wěn)定,因此分別在砂壤土層底部(高程為119.92 m)和建基面(高程為111.2 m)處采用設(shè)置馬道和放坡開挖的方式進(jìn)行施工。本次開挖降水分為兩次,為滿足施工要求,第一次開挖降水至119.42 m,第二次開挖降水至110.7 m,研究區(qū)基坑橫剖面見圖5。
基坑?xùn)|南側(cè)緊鄰黃河,在模擬工期內(nèi)根據(jù)實(shí)測(cè)黃河水位分別在黃河上、下游河段設(shè)置相應(yīng)的定水頭邊界;基坑西北側(cè)為西霞院水利樞紐堤壩,堤壩已做防滲處理,與地下水水力聯(lián)系弱,將其視為隔水邊界;底層黏土巖層透水性差,可視作隔水邊界;其余邊界依據(jù)基坑降水影響半徑公式進(jìn)行確定,水頭設(shè)為研究區(qū)初始水頭,公式為
式中:R 為基坑降水影響半徑,m;k 為地層等效滲透系數(shù),cm/ s;s 為水位降深,m;M 為含水層厚度,m;H1為基坑位置地面標(biāo)高,m;H2為坑底標(biāo)高,m;HD為水位埋深,m。2.5 網(wǎng)格剖分為確保后期降水方案的基坑降水影響半徑不會(huì)波及邊界,依據(jù)計(jì)算結(jié)果適當(dāng)延長(zhǎng)影響半徑。將模型各層剖分成8 322 個(gè)單元格,見圖6。模擬區(qū)地層高程起伏小,視水平分層處理,垂向上分為3 層,3 層厚度共23.26 m,基坑位置設(shè)置在3D 網(wǎng)格左側(cè),見圖7。
2.6 數(shù)值模型校正
為保證模擬的初始流場(chǎng)符合研究區(qū)的實(shí)際情況,對(duì)模型輸入初始數(shù)值后在基坑周圍按實(shí)際位置設(shè)置觀測(cè)井,調(diào)用GMS 內(nèi)置PEST.模塊對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)反演。結(jié)合勘察資料、現(xiàn)場(chǎng)微水振蕩試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)的滲透系數(shù)取值情況,同時(shí)依據(jù)反演結(jié)果,在給定參數(shù)范圍內(nèi)不斷調(diào)整各參數(shù)大小直至模型收斂,優(yōu)化后的參數(shù)取值見表3,水位的模擬值與觀測(cè)值對(duì)比見圖8。圖8 顯示了觀測(cè)井的水位觀測(cè)值與模擬值能很好地吻合,說明了優(yōu)化調(diào)參的有效性。
3 基坑降水方案設(shè)計(jì)
基坑所在地層為典型的二元結(jié)構(gòu),下伏與黃河水力聯(lián)系密切的礫、卵石層,在河岸旁設(shè)置防滲帷幕可減少河流對(duì)地下水的補(bǔ)給。卵石層局部漂石直徑為0.6~0.8 m,基坑開挖至卵石層后,基底成井工藝復(fù)雜,以往類似的引水渠基坑開挖工程設(shè)置降水井時(shí),降水井施工困難,排水工期長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)性差。同時(shí),砂壤土與砂礫土結(jié)構(gòu)疏松,卵石層結(jié)構(gòu)空隙大,降水過程中受滲流影響內(nèi)部細(xì)砂可能會(huì)被帶出,不利于邊坡穩(wěn)定。因此,采用明渠排水方案,放坡開挖,加大基坑開口寬度、減小坡比。
3.1 方案一:基于Drain 數(shù)據(jù)包的明渠排水方案
運(yùn)用Drain 數(shù)據(jù)包并結(jié)合逐層開挖、逐層排水的工況對(duì)方案一進(jìn)行模擬。Drain 數(shù)據(jù)包的作用是按照一定的導(dǎo)水速率將高于排水渠高程的地下水帶離含水系統(tǒng),使低于排水渠高程的地下水不會(huì)受到影響。排水渠高程均設(shè)置在層底以下1 m 處,以保證坡面和底板的地下水進(jìn)入排水溝。
3.2 方案二:基于Drain 數(shù)據(jù)包的明渠排水+防滲帷幕方案
方案二模擬河岸邊設(shè)置的防滲帷幕對(duì)基坑降水產(chǎn)生的影響,帷幕位置見圖9。通過減小帷幕所在單元格的滲透系數(shù)來模擬帷幕作為弱透水介質(zhì)的性質(zhì),帷幕滲透系數(shù)設(shè)為1×10-7 cm/ s。
3.3 不同方案對(duì)比分析
為比較不同方案的降水效果,先依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際排水能力設(shè)置不同排水量的降水方案(見圖10、圖11),再對(duì)達(dá)到干場(chǎng)施工要求時(shí)所需排水流量工況的不同方案降水效果進(jìn)行比較,以評(píng)價(jià)出最優(yōu)方案。降水施工中總降水時(shí)間為90 d,模擬各排水層降水時(shí)以45 d作為一個(gè)降水周期。在一個(gè)降水周期內(nèi),兩次開挖過程中方案二分別較方案一減排4.05×106、7.875×106 m3的水量,表明防滲帷幕的設(shè)置有效減少了黃河水向研究區(qū)的補(bǔ)給,從而減少了排水施工的成本。
根據(jù)各次降水開挖達(dá)到干場(chǎng)施工要求時(shí)的排水流量(方案一中第一次降水開挖排水流量為3.3×105 m3 /d,第二次降水開挖排水流量為5.5×105 m3 / d;方案二中第一次降水開挖排水流量為2.4×105 m3 / d,第二次降水開挖排水流量為3.75×105 m3 / d),得到不同降水方案下研究區(qū)水位分布情況,見圖12~圖15。
由圖12 和圖13 可知,以基坑為降水中心,各開挖層水位雖均大幅度下降,但基坑中心局部位置水位仍高出目標(biāo)水位10 cm 左右。同時(shí),從黃河邊界向內(nèi)陸方向水位由高到低分布,這是由于研究區(qū)地質(zhì)條件特殊,下層卵石層滲透性極強(qiáng),與黃河水力聯(lián)系密切,地下水受黃河水不斷補(bǔ)給,給基坑內(nèi)的排水工作帶來困難。若采取加大排水流量的強(qiáng)排措施,會(huì)增加施工成本,還可能因基坑內(nèi)外較大的水頭差帶來工程災(zāi)害。為保證降水有效性,有必要減弱研究區(qū)地下水與黃河的水力聯(lián)系。
由圖14、圖15 可知,布設(shè)防滲帷幕后明顯減少了黃河水向研究區(qū)地下水的補(bǔ)給,設(shè)置更小的排水流量可以使基坑內(nèi)各點(diǎn)水位降至所在層底以下,完全符合干場(chǎng)施工要求。
4 安全風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)
4.1 基坑邊坡滲透變形分析
研究區(qū)特殊的地質(zhì)條件導(dǎo)致基坑開挖后涌水量大,內(nèi)外水頭相差懸殊,極易出現(xiàn)滲透問題,影響施工安全,因此需對(duì)排降水過程中基坑邊坡滲透變形進(jìn)行分析。依次對(duì)不同降水方案實(shí)施后的基坑中心橫剖面[圖12(b)中標(biāo)注的a—b 剖面]水位進(jìn)行分析,見圖16、圖17。
由圖16 和圖17 可知,雖然在兩種方案下各層的基坑中心水位均大幅下降,但基坑周圍邊坡水位曲線斜率較大,表明邊坡附近存在較大的水力梯度,極易誘發(fā)基坑邊坡滲透變形,因此需對(duì)基坑邊坡的安全性進(jìn)行分析。結(jié)合勘察資料和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算兩種方案下各地層的最大水力比降值,結(jié)果見表4。
由表4 可知,采取不同方案進(jìn)行降水施工后的各地層水力比降值均小于允許值,說明以合適的排水流量進(jìn)行施工時(shí),方案一和方案二不會(huì)產(chǎn)生基坑邊坡滲透變形。
4.2 沉降安全分析
研究區(qū)位于黃河濕地保護(hù)區(qū)內(nèi),基坑中心點(diǎn)距堤壩直線距離約370 m,堤壩已做防滲處理。在基坑排水施工過程中,會(huì)對(duì)堤壩所處位置的地下水位產(chǎn)生影響,從而導(dǎo)致地面沉降。為保證堤壩穩(wěn)定安全,運(yùn)用SUB 模塊對(duì)兩種方案下研究區(qū)沉降情況進(jìn)行模擬分析。依據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)值和反演結(jié)果,各地層參數(shù)取值見表5,方案一與方案二下研究區(qū)總沉降量云圖見圖18。在降水施工期間,砂壤土層和砂礫土層主要發(fā)生沉降,卵石層沉降量極小,這是由于卵石層壓縮模量較大以及卵石具有骨架作用,這種特點(diǎn)導(dǎo)致了卵石層極難被壓縮變形、支撐作用好,這也是渠底設(shè)置在該層的原因之一。
依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/ T 5395—2007)[15] 對(duì)堤壩沉降量的規(guī)定:竣工后的總沉降量(包括壩基及壩體)一般不宜大于壩高的1%。西霞院水利樞紐堤壩壩高20.2 m,允許沉降量應(yīng)小于202 mm。因研究區(qū)降水施工引起的西霞院水利樞紐堤壩壩軸線總沉降量見表6。
由表6 可知,對(duì)于兩種降水方案引起的壩軸線的平均沉降量小于5 mm,總沉降量最大值和平均值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)定的沉降值,說明兩種降水方案下壩軸線各處均不會(huì)因基坑降水發(fā)生沉降,在降水施工期間堤壩處于安全狀態(tài)。
西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程渠首倒虹吸段分段式開挖基坑緊鄰黃河與西霞院水利樞紐堤壩,地層條件特殊,卵石層滲透系數(shù)極大,綜合研究區(qū)地質(zhì)條件、施工工期以及數(shù)值模擬結(jié)果,應(yīng)當(dāng)先設(shè)置防滲帷幕減弱研究區(qū)與黃河之間的水力聯(lián)系,再采取放坡開挖與明渠排水相結(jié)合的措施(方案二)對(duì)渠首倒虹吸段(樁號(hào)0+506—1+018)基坑進(jìn)行施工。
5 結(jié) 論
(1)本文以西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程渠首倒虹吸段分段式開挖基坑為研究對(duì)象,在充分了解研究區(qū)條件后,對(duì)研究區(qū)試驗(yàn)孔開展了微水振蕩試驗(yàn),并采集土樣進(jìn)行了室內(nèi)土工試驗(yàn),獲取了研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù),以此為基礎(chǔ)對(duì)具有二元結(jié)構(gòu)強(qiáng)透水地層的研究區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬。
(2)使用PEST.工具對(duì)模型進(jìn)行反演,得到合理的模擬參數(shù)。運(yùn)用Drain 數(shù)據(jù)包模擬明渠排水,得到不同降水方案下研究區(qū)水位分布情況,并結(jié)合基坑剖面水位曲線驗(yàn)算基坑內(nèi)外的水力比降值。在合理的排水量下兩種方案都不會(huì)造成基坑邊坡滲透變形。
(3)運(yùn)用SUB 模塊對(duì)兩種降水方案引起的西霞院水利樞紐堤壩地面沉降情況進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),兩種降水方案均不會(huì)對(duì)地面沉降產(chǎn)生嚴(yán)重影響,壩軸線總沉降量在安全范圍之內(nèi)。
(4)比較兩種降水方案的模擬結(jié)果,方案二更適用于滲透性極強(qiáng)、與河流水力聯(lián)系密切的二元結(jié)構(gòu)地層基坑降水。在河流與基坑間設(shè)置防滲帷幕能有效減弱地下水與河流的水力聯(lián)系,在一個(gè)降水周期內(nèi),兩次開挖過程中方案二分別較方案一減排4. 05 × 106、7.875×106 m3的水量,方案二能更好地提高基坑排水效率。同時(shí)方案二結(jié)合放坡開挖、明渠排水等措施,既在一定程度上保證了施工安全,又保證了工程的時(shí)效性與經(jīng)濟(jì)性,為類似的降水工程提供了參考。
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