富水砂層懸掛式止水帷幕基坑降水滲流分析

牛磊 杲亞強(qiáng) 孔燕 崔亮

【摘 ? ?要】：為了驗(yàn)證坑內(nèi)降水導(dǎo)致基坑外地下水位下降量與止水帷幕設(shè)置深度的關(guān)系，利用ModFlow三維滲流軟件，計(jì)算出不同止水帷幕深度條件下基坑外側(cè)水頭降深值。結(jié)果顯示，隨著止水帷幕深度的增加，坑內(nèi)降水對(duì)坑外的影響減小，前期增長(zhǎng)顯著，待止水帷幕長(zhǎng)度增加到一定值后，繼續(xù)增加止水帷幕長(zhǎng)度對(duì)于減小坑外水位下降幅度貢獻(xiàn)不大，但工程造價(jià)顯著增加。

【關(guān)鍵詞】：懸掛式；止水帷幕；河漫灘地區(qū)；富水砂層；基坑降水；滲流

【中圖分類號(hào)】：TU753【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）02-52-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.013

Analysis about Seepage in Foundation Pit Dewatering of Pensile Curtain in Water-Rich Sand Area

NIU Lei1，GAO Yaqiang1，KONG Yan2，CUI Liang1

（1. Shanghai Changkai Geotechnical Engineering Co. Ltd.， Shanghai 200093，China;

2. China Railway 11th Bureau Group Urban Rail Engineering Co. Ltd.， Wuhan 430074，China）

【Abstract】：In order to verify the relation between groundwater level drop outside excavation caused by precipitation and pensile curtain setting depth， this paper uses ModFlow， a three-dimensional seepage software， to ?calculate drawdown of water head outside excavation under different pensile curtain depths.The results show that： with the increase in the depth of the curtain， the effect of precipitation on the pit is reduced， and pre-growth is significant. When the length of the water curtain is increased to a certain value， the continued increase in the length of the water curtain has little effect on reducing the decline in the water level outside the pit， but the project cost is significantly increased.

【Key words】：pensile; curtain; floodplain area; water-rich sand area; foundation pit dewatering; seepage

近年來(lái)，隨著城市軌道交通的發(fā)展，哈爾濱地鐵建設(shè)速度快、規(guī)模大，按一條新線30站的規(guī)模估算，50%的站位位于松花江河漫灘地區(qū)。哈爾濱松花江漫灘地層主要特點(diǎn)為含水層透水性較強(qiáng)，地下水與松花江存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系，松花江側(cè)向徑流補(bǔ)給和地表水下滲補(bǔ)給為主要補(bǔ)給來(lái)源。深基坑開挖降水難度和風(fēng)險(xiǎn)較大。現(xiàn)階段，哈爾濱地區(qū)基坑止水帷幕多進(jìn)入泥巖，理論上將上部承壓含水層隔斷；但是以犧牲工程造價(jià)、施工周期和地下生態(tài)環(huán)境為代價(jià)的。在確保安全的前提下，懸掛式止水帷幕的應(yīng)用能夠大大降低工程造價(jià)，縮短工期，避免了資源的浪費(fèi)及對(duì)松花江漫灘地區(qū)地下水生態(tài)環(huán)境的破壞[1]。本文依托哈爾濱軌道交通3號(hào)線體育公園站，利用ModFlow三維滲流軟件，研究不同深度止水帷幕基坑降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

1 工程概況

哈爾濱軌道交通3號(hào)線體育公園站總長(zhǎng)482.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m，深度約17.5～20.45 m。周邊建筑物距離基坑距離均在2倍基坑深度范圍以外。見表1。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及勘察情況，本工程所處地貌單元屬松花江低漫灘，涉及地下水主要有潛水和孔隙承壓水兩種。

1）潛水。主要賦存于第四系全新統(tǒng)砂層中，地層富水性好，透水性強(qiáng)，與松花江及何家溝水力聯(lián)系密切，含水層總厚度20～30 m，受松花江側(cè)向徑流補(bǔ)給與何家溝地表水下滲補(bǔ)給為主要補(bǔ)給來(lái)源，排泄方式主要為蒸發(fā)及人工開采，地下水水位年變幅2～3 m。

2）孔隙承壓水。本場(chǎng)地第一層承壓水主要賦存于2-4層砂層中，含水層頂板為2-4-1層粉質(zhì)黏土，底板為7-1層粉質(zhì)黏土，由于2-4-1層局部缺失，承壓水與上部潛水連通，承壓水水頭高與潛水面一致。第二層承壓水主要賦存于第四系下更新統(tǒng)東深井組冰水堆積層砂層中，含水層頂板為7-1層黏性土層，底板為白堊系下統(tǒng)粉砂質(zhì)泥巖，含水層厚度約9～15 m，因7-1層黏土層局部缺失，該含水層水無(wú)穩(wěn)定隔水層，局部與上部潛水層聯(lián)通，具微承壓性?？辈炱陂g承壓水水頭高程在110.0 m左右，承壓水水頭高約30 m。該含水層透水性強(qiáng)，富水量大，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流排泄為主。

結(jié)合地層情況，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)專項(xiàng)水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)，獲取了各含水層以及弱透水層的水文地質(zhì)參數(shù)。見表2。

2 止水帷幕方案

結(jié)合基坑開挖深度，受力計(jì)算地下連續(xù)墻最小深度為32 m，因此本次模擬計(jì)算最小計(jì)算深度為32 m，按照哈爾濱以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，地下連續(xù)墻需要設(shè)置47 m，墻底需要進(jìn)入下部的8-1層泥巖隔水層。

基坑開挖至基底位于第一層2-4層中粗砂層，局部進(jìn)入2-4-1層粉質(zhì)黏土層中，第二層2-4層中粗砂層為承壓含水層，其初始水位埋深5 m，基底抗突涌安全系數(shù)Fs最小值為0.09，基坑開挖至基底最大水位降深15.5 m，水頭降深非常大，降水量和降水風(fēng)險(xiǎn)極大?？紤]第二層2-4層中粗砂層底埋深24.9～33 m，地下連續(xù)墻受力計(jì)算最小深度為32 m，大部分區(qū)域已經(jīng)將第二層2-4層中粗砂層隔斷。7-2層承壓含水層抗突涌安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示Fs介于0.748～1.98，左右線共計(jì)37個(gè)鉆孔，其中Fs超過(guò)1.1的有7個(gè)孔，介于1.0～1.1之間的有15個(gè)孔，介于0.9～1.0之間的有11個(gè)孔，低于0.9的只有4個(gè)孔。Fs對(duì)應(yīng)最小值位置，基坑開挖至基底時(shí)安全水位埋深11.92 m，最大水位降深7.8 m。

結(jié)合本工程地下水風(fēng)險(xiǎn)分析，針對(duì)7-2層地下連續(xù)墻采用懸掛式，結(jié)合地層情況初步確定深度為37 m。

3 計(jì)算模型

3.1 網(wǎng)格剖分邊界條件

將整個(gè)研究區(qū)域四周的水平側(cè)向邊界按第一類邊界條件的定水頭邊界處理，垂向上部邊界取至地面，下部邊界取至8-1層泥巖頂板下4 m（埋深 49.0 m）[2]。

垂向從上向下土層總共分成 7層，地表埋深取0 m，深度49 m范圍土層分層情況見表3。

整個(gè)剖分區(qū)域呈長(zhǎng)方形，根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，遵循邊緣單元稀、基坑中心單元密的原則，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域在平面上剖分成358×420 的矩形網(wǎng)格單元。見表4。

3.2 止水帷幕

止水帷幕設(shè)置0、32、37、47 m 4個(gè)不同深度，進(jìn)行地下水滲流計(jì)算，評(píng)估基坑不同深度止水帷幕條件下坑內(nèi)降水對(duì)坑外地下水影響情況[3]。

3.3 降水井

降水井?dāng)?shù)量根據(jù)不同止水帷幕情況下基坑涌水量并結(jié)合單井涌水量進(jìn)行計(jì)算。降水井深度按照進(jìn)入基底下6 m左右設(shè)置，均為26 m。不同深度的止水帷幕，降水井的數(shù)量均為44口，單井出水量設(shè)置不同。

3.4 模擬結(jié)果

不同止水帷幕條件下降水結(jié)果見表5。

不同止水帷幕深度下，降水運(yùn)行60 d后，分別在坑內(nèi)選取點(diǎn)位，坑外選取止水帷幕外2 m的位置點(diǎn)位進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)分析。見圖1。

0 m止水帷幕和32 m止水帷幕均未隔斷含水層。0 m止水帷幕，運(yùn)行60 d后，坑內(nèi)水位降深僅有4.5 m；32 m止水帷幕，運(yùn)行60 d后，坑內(nèi)水位降深僅9 m，這兩種情況均未達(dá)到基坑開挖水位降深要求，由于坑外大量水平線的補(bǔ)給及越流補(bǔ)給，坑內(nèi)降水對(duì)坑外的影響比較大。

37 m止水帷幕和47 m止水帷幕均隔斷上部潛水含水層。止水帷幕37 m深，運(yùn)行7 d水位降深達(dá)到安全開挖要求；止水帷幕47 m深，運(yùn)行7 d水位降深達(dá)到安全開挖要求，同時(shí)通過(guò)滲流路徑圖可以看出，坑內(nèi)抽水，坑外繞流路徑比較深，坑外水位降深較小。

4 結(jié)論

隨著基坑止水帷幕深度增加，坑外水位降深減小?；又顾∧簧?7 m隔斷2-3層、2-4層，坑外水位降幅較32 m深止水帷幕時(shí)大幅度減小，降水引起的坑外土體沉降大幅度減?。换又顾∧簧?7 m時(shí)將2-3層、2-4層和下7-2層全部隔斷，基坑降水運(yùn)行后坑外水位較37 m止水帷幕條件下，略有減小。綜合以上對(duì)比綜合分析，最終建議基坑懸掛式止水帷幕深度選取37 m。

群井抽水時(shí)的止水帷幕對(duì)滲流場(chǎng)造成的影響不可忽略。當(dāng)帶有止水帷幕的圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入承壓含水層較深時(shí)，坑內(nèi)降水效果明顯好于坑外降水。對(duì)于坑內(nèi)降水，減壓井過(guò)濾器底端深度須小于止水帷幕底端深度，如果降水井過(guò)濾器底端的深度超過(guò)止水帷幕底端的深度，伸入承壓含水層下部，則抽出的大量地下水來(lái)自于止水帷幕以下的水平徑向流，不但使基坑外側(cè)承壓含水層的水位降深增大，降水引起的地面變形也增大，失去了坑內(nèi)減壓降水的意義。故一般工程中，當(dāng)止水帷幕部分插入減壓降水承壓含水層中，坑內(nèi)減壓降水必須合理設(shè)置減壓井過(guò)濾器的位置，充分利用止水帷幕的擋水（屏蔽）功效，以較小的抽水流量，使基坑范圍內(nèi)的承壓水水頭降低到設(shè)計(jì)標(biāo)高以下，盡量減小坑外的水頭降深，以減少因降水而引起的地面變形。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮曉臘，謝武軍，盧智強(qiáng)，等.懸掛式止水帷幕對(duì)基坑降水的影響[J].土工基礎(chǔ)， 2006，（4）：33-36.

[2]沈媛媛，蔣云鐘， 雷曉輝，等.地下水?dāng)?shù)值模擬中人為邊界的處理方法研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008，（6）：12-15.

[3]宋玉田，魏茂雪，齊永紅.深基坑防滲帷幕插入深度的分析[J].山東水利，2003，（8）：41-42.

[4]陳新國(guó).懸掛式止水帷幕對(duì)基坑降水影響的定量研究[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2007.

[5]湯光明，王建平，張紫艷，等.懸掛式止水帷幕止水作用的數(shù)值分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2011，38（7）：20-22+32.

[6]金曉文，曾 ?斌，劉建國(guó)，等.地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)中數(shù)值模擬的關(guān)鍵問題討論[J].水電能源科學(xué)，2014，32（5）：23-28.