袁橋西站深基坑承壓水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

周蘇紅，彭小莉，燕 珍，尹 崢

(1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 徐州 221000；2.徐州市水利工程建設(shè)監(jiān)理中心有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

水利工程建設(shè)是城市化進(jìn)程的重要體現(xiàn)，出于環(huán)保角度考慮，其周邊的一系列工程建設(shè)都需要盡可能地降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。通常情況下，深基坑施工之前，必須利用技術(shù)手段適當(dāng)降低淺層含水層的水位，用來控制基坑的變形程度。但如果工程所處區(qū)域的淺層土含水量較高，就需要額外采取真空預(yù)降水的方式，以提高土層的滲透性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來看，深基坑的施工周期往往相對(duì)較長(zhǎng)，由數(shù)月至一年不等，在此期間需要保證承壓水的水位持續(xù)保持在安全閾值范圍內(nèi)[1-3]。此外，對(duì)于深基坑而言，承壓水是一項(xiàng)重要的安全因素，一旦對(duì)承壓水的參數(shù)判斷有誤，極易出現(xiàn)坑底突涌現(xiàn)象，因此，對(duì)深基坑承壓水風(fēng)險(xiǎn)展開全面評(píng)價(jià)研究具有重要意義。

1 工程概況

袁橋西站位于袁橋閘上奎河西岸，是奎河上建設(shè)最早的排澇泵站之一，其土層以粉土和淤泥質(zhì)壤土為主，同時(shí)，發(fā)震規(guī)律受華北地震群規(guī)律支配。由于使用年限較長(zhǎng)，擬對(duì)泵站原拆原建。泵站設(shè)計(jì)流量為15.0m3/s，選用4臺(tái)立式軸流泵。水泵單機(jī)流量3.95m3/s，揚(yáng)程3.75m，總裝機(jī)容量為860KW。

由于袁橋西站地形復(fù)雜，交通繁忙，泵站布置受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形約束較大，采用側(cè)向進(jìn)水側(cè)向出水的布置形式，進(jìn)水池通過圓弧扶壁翼墻引導(dǎo)水流平順進(jìn)入流道，進(jìn)水池底板高程由28.00m漸變至27.40m；站身采用堤后式塊基型結(jié)構(gòu)。泵站總長(zhǎng)18.7m，寬12.50m，單座泵室凈寬3.5m，隔墩厚為0.9m，機(jī)組中心距4.4m；泵站底板高程為27.40m，開敞式進(jìn)水，水泵后設(shè)置ω隔墻，控制室地面高程34.50m；站上出水采用鋼筋砼封閉式出水池，總長(zhǎng)18.7m，出水池凈寬6.8m，出水池底板頂高程30.30m，頂高程34.0m。由于該泵站距離故黃河較近，奎河下一般非汛期水位均在30.0m以下，而黃河常水位36.2m，故地下承壓水位較高。

在上述參數(shù)信息的基礎(chǔ)上，展開對(duì)袁橋西站深基坑承壓水風(fēng)險(xiǎn)研究。

2 深基坑承壓水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1 識(shí)別水位降深變化規(guī)律

在深基坑工程中，通常會(huì)使用止水帷幕作為工具，在大多數(shù)時(shí)候，地下水滲流環(huán)境會(huì)出現(xiàn)一些階段性的變化。尤其是在抽水井投入使用后，深基坑的內(nèi)、外水位也會(huì)發(fā)生一定變化。包括導(dǎo)水系數(shù)在內(nèi)的水文地質(zhì)參數(shù)，能夠體現(xiàn)出水位降深的變化規(guī)律。在本次施工中，袁橋西站以圓形基坑滲流為主，采取無量綱的計(jì)算形式。在已知水位降深與抽水井之間的距離條件下，特征水位降深的計(jì)算公式為：

(1)

式中，G—特征水位降深，m；η—抽水時(shí)間，s；?—導(dǎo)水系數(shù)，m/s；σ—基坑半徑，m。為了能夠更直觀地體現(xiàn)水位隨著時(shí)間呈現(xiàn)出的變化，在保持抽水量不變的情況下，以止水帷幕未改變承壓含水層為前提，分別描述各個(gè)時(shí)段的水位變化。在抽水階段的早期，水位降深基本相同，并且在止水帷幕未起作用之前，深基坑內(nèi)的抽水量都是由坑內(nèi)的承壓水組成[2-4]。由于水量有限，通常情況下此狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。根據(jù)抽水井的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)，得出無量綱形式下，總水位降深的計(jì)算公式：

(2)

式中，L—總水位降深，m；φ—抽水井的深度，m。當(dāng)止水帷幕插入深基坑內(nèi)后，承壓含水層的深度與水位降深之間呈正相關(guān)的關(guān)系。此階段的抽水量不單是坑內(nèi)的承壓水，還包括一部分的基坑外部的承壓水，當(dāng)抽水量全部都變成深基坑外的井水時(shí)，標(biāo)志著水位降深的變化將進(jìn)入下一個(gè)階段。

2.2 設(shè)計(jì)深基坑小應(yīng)變硬化土本構(gòu)模型

考慮到不同的應(yīng)力路徑對(duì)深基坑土體的影響，臨河側(cè)的土體大多數(shù)都會(huì)呈現(xiàn)出中間寬、兩邊窄的特點(diǎn)。即便是開挖初期的水平位移現(xiàn)象并不是十分明顯。但隨著時(shí)間推移，會(huì)逐漸顯現(xiàn)出一些特殊的特征。從深基坑的總體變形特征來看，當(dāng)開挖深度與水位同時(shí)變大后，擋土墻的水位位移也會(huì)隨之變大，此種背景下，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求也會(huì)隨之變高[5-7]。當(dāng)土體的應(yīng)力增量出現(xiàn)硬化現(xiàn)象時(shí)，深基坑的加載模量計(jì)算公式為：

(3)

式中，T—基坑的加載模量，N/m2；γ—深基坑周圍土體的有效粘聚力，N/m2；ε—應(yīng)力相關(guān)系數(shù)，N/m2；l—支撐剛度模量，N/m2；μ—偏應(yīng)力，N/m2?？紤]到剪切應(yīng)力與剛度之間的反比例關(guān)系，對(duì)平面尺寸較大的深基坑中心區(qū)域土層進(jìn)行描述，則土體孔隙比與開挖有效應(yīng)力之間的關(guān)系為：

(4)

式中，h—土體孔隙比與開挖有效應(yīng)力之間的關(guān)系，N/m2；λ—垂直方向的有效應(yīng)力，N/m2；f—深基坑周圍的土體孔隙比；α—壓縮指數(shù)。由于在本次袁橋西站的施工過程中，承壓水的波動(dòng)均值與幅值波動(dòng)周期有相似之處，因此在設(shè)計(jì)深基坑小應(yīng)變硬化土本構(gòu)模型時(shí)，暫時(shí)忽略土體的孔壓響應(yīng)現(xiàn)象。同時(shí)，在模型中引入初始剪切模量系數(shù)，則模型的數(shù)學(xué)表達(dá)公式為：

(5)

式中，F(xiàn)—深基坑最小應(yīng)變硬化土本構(gòu)模型；β—初始剪切模量系數(shù)，N/m2；δ—深基坑周圍土體的閾值剪應(yīng)變系數(shù)。而通常情況下，水平位移區(qū)間在3.96～5.25mm之間，但是如果深基坑的兩側(cè)擋土墻擠壓變形較為明顯，則會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間，在這種條件下就需要及時(shí)采取干預(yù)手段。

2.3 計(jì)算承壓含水層安全系數(shù)

由公式(1)—(2)可知，對(duì)于深基坑的抽水而言，固結(jié)系數(shù)與承壓水的變化有一定關(guān)聯(lián)。尤其體現(xiàn)在承壓水的變化周期上，以弱透水層為標(biāo)志，承壓水的壓力變化越緩慢。也就是說在開挖過程中，滲流路徑的衰減會(huì)導(dǎo)致承壓水在流經(jīng)弱透水層后，會(huì)逐漸向深基坑內(nèi)的方向靠攏。根據(jù)承壓水層的結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)固結(jié)系數(shù)保持不變時(shí)，超靜孔壓通常能夠與線性假定結(jié)果保持一致，在拋除相位差的情況下，承壓含水層的變化會(huì)更為顯著。在深基坑內(nèi)存在完整井水時(shí)，無限承壓含水層的均質(zhì)和等厚無明顯增大，則深基坑內(nèi)含水層的滲透系數(shù)計(jì)算公式為：

(6)

式中，s—深基坑含水層的滲透系數(shù)，m/s；Ψ—實(shí)測(cè)水位降深持續(xù)時(shí)間，s；H—井內(nèi)承壓含水層的厚度，m。根據(jù)公式(5)可知，在深基坑開挖時(shí)，在土體不斷卸荷的影響下，擋土墻與土體之間的荷載變化都可能引起基坑失穩(wěn)，因此，需要用計(jì)算的方式，進(jìn)一步量化袁橋西站的深基坑安全狀態(tài)。如果土體已經(jīng)達(dá)到了極限破壞狀態(tài)，則必須采取二次加固的方式，以確保施工安全。根據(jù)深基坑土體的折減系數(shù)，得出含水層安全系數(shù)的計(jì)算公式：

(7)

式中，Q—含水層安全系數(shù)；ξ—土的擋土墻的彎矩，N·m；α—增量乘子。根據(jù)公式(7)的計(jì)算結(jié)果，在袁橋西站的周邊劃定河坡建設(shè)的面積以及設(shè)置水荷載區(qū)間。在同樣大小的外力荷載條件下，通過加密坡腳處繞點(diǎn)的方式，控制縫隙大小。

2.4 明確風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度

深基坑承壓水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)主要是通過識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素，然后對(duì)各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)加以評(píng)估，從而對(duì)各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)展開評(píng)價(jià)。結(jié)合袁橋西站的施工特征和具體步驟，能夠基本判斷出影響最終施工安全的因素主要可以概括為3個(gè)層面，分別是施工管理風(fēng)險(xiǎn)、承壓含水層風(fēng)險(xiǎn)以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)事件，以具體數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，建立風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)等級(jí)。并計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度，以得出最終的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，具體見表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)表1可知，將一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)定義為R，將二級(jí)指標(biāo)定義為W，并根據(jù)最大隸屬度原則，對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行隸屬度計(jì)算，具體為：

(8)

式中，P—隸屬度；Y—風(fēng)險(xiǎn)源造成的損失，元；M—風(fēng)險(xiǎn)源出現(xiàn)的概率，%。結(jié)合上述2級(jí)指標(biāo)的表現(xiàn)特征，能夠?qū)ι罨映袎核L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定義，并制定應(yīng)對(duì)措施。同時(shí)，根據(jù)P值的大小，對(duì)各項(xiàng)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)加以詳細(xì)量化。一些相對(duì)影響不大的風(fēng)險(xiǎn)，可以采取干預(yù)管理措施，不需要投入過多精力。而對(duì)于一些風(fēng)險(xiǎn)較高的事件，則主要是施工開始之前就進(jìn)行評(píng)估，并加以規(guī)避。

3 案例分析

由袁橋西站的深基坑具體項(xiàng)目可知，其支撐體系采用砼支撐+鋼支撐的5道混合支撐的模式，具體參數(shù)見表2。

表2 袁橋西站深基坑支撐體系

考慮到在實(shí)際工程中涉及到的施工因素，薄弱面深度是影響施工安全的一項(xiàng)重要參數(shù)。因此，在本環(huán)節(jié)主要通過出逸比降與坑底弱透水層厚度的變化規(guī)律，確定薄弱面深度的閾值，如圖1—2所示。

圖1 出逸比降

根據(jù)施工原理以及本次袁橋西站的具體參數(shù)可知，出逸比降保持在6以下為安全區(qū)間，由圖1能夠看出，當(dāng)薄弱面深度為5m時(shí)最符合要求。而圖2中能夠看出，當(dāng)薄弱面深度為5m時(shí)，坑底弱透水層厚度達(dá)到最大，能夠保證袁橋西站深基坑不出現(xiàn)突涌問題。因此，在綜合各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素后，本次施工將薄弱面深度控制在5m左右，安全系數(shù)較高。

圖2 坑底弱透水層厚度

4 結(jié)語

本次研究以袁橋西站深基坑的承壓含水層為對(duì)象，分析其在施工過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。并通過構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和計(jì)算隸屬度的方式，明確了各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的量化結(jié)果。為相關(guān)的工程建設(shè)研究，提供了新的可行性思路。未來的研究方向?qū)⒏蛹杏趯?duì)相關(guān)案例的數(shù)據(jù)收集，以豐富研究結(jié)果。