沿江粉細(xì)砂地層深基坑汛期高水位滲流分析

高 鵬 （安徽建工檢測科技集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，基坑工程越來越多。隨著建設(shè)規(guī)模的日益增大，基坑深度也日益增加。根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究表明，基坑工程事故中有70%是受地下水及地表水直接或間接造成的[1]。對(duì)于跨江大橋、過江隧道在建設(shè)過程中，水位對(duì)基坑全生命周期的安全穩(wěn)定有著十分重要的影響，且沿江地區(qū)粉細(xì)砂地層分布廣泛，在汛期易造成管涌、流土等滲流破壞，威脅到基坑的安全穩(wěn)定。因此，針對(duì)汛期高水位，開展?jié)B流分析對(duì)其安全度汛起著十分重要的作用。

目前，學(xué)者針對(duì)基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析、富水地層滲流分析等做了大量研究。楊斌等[2]通過開展室內(nèi)模型試驗(yàn)以及離心模型試驗(yàn)等方法，研究了基坑支撐結(jié)構(gòu)面上的土壓力分布規(guī)律以及土壓力隨著支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生位移的不同的變化規(guī)律。智慧淵等[3]開展了基坑支撐結(jié)構(gòu)地連墻的滲流分析以及涌沙涌水等事故的原因和后果分析，針對(duì)涌水事故提出了針對(duì)性的防治措施。姜皓[4]針對(duì)富水砂層地區(qū)的深基坑工程，針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻接縫處滲流破壞問題提出了可以止水處理的技術(shù)措施。黃戡等[5]基于流-固耦合理論，建立了基坑的三維數(shù)值網(wǎng)格模型，分析了基坑施工開挖過程中滲流作用力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定性的影響以及對(duì)相鄰建筑物結(jié)構(gòu)安全的影響。

本文以某過江隧道基坑工程為例，針對(duì)汛期高水位情況下基于有限元方法進(jìn)行滲流分析，研究汛期長江高水水位情況下基坑及周圍土體的壓力水頭、孔隙水壓力以及總水頭分布情況。通過以上分析結(jié)果確定基坑逸出點(diǎn)以及逸出點(diǎn)的水力比降，對(duì)比地層臨界水力比降，判斷是否會(huì)發(fā)生管涌。

1 工程簡介

1.1 工程概況

該過江隧道基坑工程采用了明挖順作法，分5 層開挖，整體總長共45.5m，開挖寬度在35.77～43.40m，最大深度為27.20m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用了地下連續(xù)墻，基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)采用了鋼筋混凝土支撐、鋼管支撐、鋼筋混凝土頂圈梁以及三軸攪拌樁的混合式內(nèi)支撐形式。

1.2 地層概況

該過江隧道基坑工程整體覆蓋層厚度在49～55m 范圍，以流塑狀淤泥質(zhì)土以及粉細(xì)砂為主，底部為新鮮基巖。

根據(jù)勘探揭示的巖土層自上而下分述如下。①回填土，厚度0.7～-6.7m，平均2.51m。②淤泥，厚度0.5～9.6m，平均3.94m。③粉質(zhì)黏土層自上而下分為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度1.00～30.70m，平均9.84m；粉質(zhì)黏土，厚度1.70～13.60m，平均5.71m；粉土，厚度0.70～12.70m，平均厚度5.53m。④粉砂，厚度1～22m，平均厚度23.24m。⑤細(xì)砂，厚度為0.70～38.40m，平均厚度26.91m。⑥強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，厚度為0.50～10.60m，平均厚度為2.66m。⑦中風(fēng)化粉砂巖，揭露厚度0.60～35.30m。

1.3 水文地質(zhì)條件

該深基坑工程場區(qū)范圍內(nèi)地下水分為松散巖類孔隙潛水以及基巖裂隙水兩種。且工程位于長江沿岸，沿江地區(qū)地下水水位、水量受長江水補(bǔ)給的邊界條件影響較大，從長江水位與地下水位變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系看，兩者存在明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系。人工填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土為弱透水土層，粉砂、細(xì)砂底層均為中等透水土層，粉土、全風(fēng)化凝灰角礫巖、全風(fēng)化粉砂巖。石英砂巖、中風(fēng)化粉砂巖、石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化角礫巖為弱透水土層。左線基坑涌水量預(yù)估為6778m3/d。右線基坑涌水量預(yù)估為6857m3/d，北岸盾構(gòu)井基坑涌水量預(yù)估為4835m3/d。

2 基坑汛期高水位滲流分析

本次基坑滲流計(jì)算采用有限元方法，主要任務(wù)包括：確定在汛期水位下基坑及周圍土體的孔隙水壓力，壓力水頭以及總水頭分布情況；確定基坑逸出點(diǎn)以及逸出點(diǎn)的水力比降，判斷是否滿足要求，是否會(huì)發(fā)生管涌。

2.1 計(jì)算原理

基坑工程中的滲流問題是屬于連續(xù)介質(zhì)的飽和-非飽和非恒定滲流問題，對(duì)其描述及其求解概要敘述如下[6]。

2.1.1 滲流控制方程及邊界條件

①滲流控制方程

認(rèn)為非飽和土中滲流問題服從達(dá)西定律，根據(jù)水流連續(xù)性方程假定孔隙水壓力不隨時(shí)間變化而改變，滲流控制方程為：

在水頭H與時(shí)間變量無關(guān)時(shí)，得到地下水穩(wěn)態(tài)流控制方程為：

式中：H 為總水頭，h 為壓力水頭，y為位置水頭；kx、ky分別為x與y方向滲透系數(shù)；Q為微元體邊界流量；mw為體積含水量變化系數(shù)；γw為水的容重。

針對(duì)本工程所涉及的相關(guān)滲流計(jì)算只考慮巖土體的飽和穩(wěn)定滲流和飽和非穩(wěn)定滲流問題，不考慮巖土體的非飽和滲流情況。

②滲流邊界條件

基坑在長江汛期12.2m水位的條件下滲流問題的邊界條件為水頭邊界條件，可表達(dá)為：

式中：H(x,y)表示在二維條件下基坑某一邊界S在t時(shí)刻的水頭，根據(jù)基坑在穩(wěn)定的水位情況下的滲流條件，可確定該邊界S的水頭邊界值H1(x,y,t)。

2.1.2 滲流分析有限元方法

由式（1）、式（3）構(gòu)成滲流問題的定解條件，由該定解條件，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法可求出端頭井基坑滿足式（3）的唯一水頭分布的解。本工程涉及的基坑滲流問題求解，其計(jì)算模型長江水位為12.2m 的瞬態(tài)邊界條件，并且基坑場區(qū)地層復(fù)雜，用解析方一般很難獲得該模型的解析解。故針對(duì)本工程的滲流分析，采用具備處理復(fù)雜地層和幾何邊界能力的有限單元法進(jìn)行求解。

本次滲流分析采用GEO-STUDIO軟件的SEEP/W 有限元分析模塊進(jìn)行模擬，SEEP/W 模塊可以對(duì)基坑的飽和-非飽和穩(wěn)態(tài)滲流和瞬態(tài)滲流進(jìn)行分析。通過SEEP/W 模塊可以進(jìn)行滲流分析，得到不同時(shí)刻、不同位置的孔隙水壓力、壓力水頭、總水頭分布情況以及逸出點(diǎn)水力坡降。

2.2 計(jì)算剖面

根據(jù)工程資料可知，本次基坑開挖地層，自上至下土層依次為回填土淤泥、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、細(xì)砂等地層。隨著持續(xù)的降雨，長江水位上漲，出于工程安全考慮，對(duì)本次施工的基坑進(jìn)行數(shù)值模擬。本次選取A-A 剖面和B-B 剖面做為本次滲流計(jì)算剖面，見圖1。根據(jù)確定的計(jì)算剖面建立相應(yīng)的GEOSTUDIO 有限元網(wǎng)格模型，詳見圖2，其中A-A 剖面的網(wǎng)格模型共11652 個(gè)節(jié)點(diǎn)、11476個(gè)單元，B-B 剖面的網(wǎng)格模型8217個(gè)節(jié)點(diǎn)、8092個(gè)單元。

圖1 滲流計(jì)算剖面

圖2 計(jì)算剖面有限元網(wǎng)格模型

2.3 計(jì)算參數(shù)

本次滲流計(jì)算所涉及的基坑土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)取值詳見表1。

表1 基坑土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)

2.4 計(jì)算工況

根據(jù)汛期施工進(jìn)度以及當(dāng)前長江水位，確定該基坑滲流計(jì)算工況為向下開挖19m，分為長江水位12.2m、12.4m、12.6m、12.8m、13.0m 五個(gè)工況進(jìn)行模擬分析。

2.5 計(jì)算結(jié)果

通過GEO-STUDIO 軟件中的SEEP/W 滲流計(jì)算模塊對(duì)A-A 剖面、BB 剖面在計(jì)算工況以下的滲流情況進(jìn)行分析計(jì)算，滲流計(jì)算結(jié)果具體如下。

A-A 剖面以及B-B 剖面的滲流分析得到孔隙水壓力等值線云圖，壓力水頭等值線云圖及總水頭等值線云圖，見圖3～圖5。

圖3 計(jì)算剖面孔隙水壓力等值線

圖4 計(jì)算剖面壓力水頭等值線

圖5 計(jì)算剖面總水頭等值線

由上述計(jì)算結(jié)果可知，隨著汛期來臨，長江水位上升，基坑周圍的水流會(huì)向著基坑的方向入滲。由于地連墻和止水墻的阻擋作用，水流主要沿著地連墻和止水墻的底部向基坑內(nèi)繞滲，當(dāng)基坑外部水位足夠高時(shí)，水流會(huì)從基坑底部流出。其中，A-A 剖面，在總水頭的作用時(shí)，基坑底部的水力比降值最高達(dá)到1.412；B-B 剖面在總水頭作用時(shí)，基坑底部的水力比降值最高達(dá)到0.367。

在工況二到工況五的長江水位不同條件下，對(duì)基坑A-A 剖面、B-B 剖面進(jìn)行了與工況一相同的數(shù)值模擬分析，獲得不同工況下孔隙水壓力、壓力水頭及總水頭的分布情況，并統(tǒng)計(jì)基坑底部的逸出面的水力比降。

2.6 計(jì)算結(jié)果分析

①工況一的計(jì)算結(jié)果分析

依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287-008）[7]計(jì)算了常規(guī)土體發(fā)生管涌臨界水力比降Jcr的計(jì)算公式：

式中：γ'和γw分別是土的浮重度和水的重度。

經(jīng)過計(jì)算得到基坑土體的臨界水力比降，見表2。

表2 基坑土體臨界水力比降

根據(jù)工況一條件下的計(jì)算結(jié)果可知：A-A 剖面水力比降為1.412，而基坑底部逸出面地層為粉土，其臨界水力比降為1.429，計(jì)算結(jié)果接近臨界比降，有一定的可能發(fā)生管涌，應(yīng)加以防范；B-B剖面水力比降為0.367，小于臨界比降，較為安全。

②水力比降隨水位的變化規(guī)律分析

在工況一到工況五的條件下，根據(jù)滲流分析的結(jié)果，基坑底部的逸出面的水力比降與長江水位的變化關(guān)系見圖6。

圖6 水力比降隨水位變化關(guān)系圖

由圖6 可知，隨著長江水位的增長，計(jì)算的A-A 剖面、B-B 剖面水力比降的數(shù)值都會(huì)隨之增長。且水位由12.2m增長到12.4m 時(shí)，水力比降的增長幅度最大。因此，在做基坑防護(hù)時(shí)，水位越高，基坑的防護(hù)等級(jí)也要隨之提高。

隨著長江水位的增加，對(duì)A-A 剖面計(jì)算獲得的坑底水力比降較B-B 剖面增大幅度大且顯著。當(dāng)長江水位增加至13m 時(shí)，水力比降達(dá)到1.438，超過基坑底部土體發(fā)生管涌的臨界水力比降。因此，隨著水位增高，基坑底部發(fā)生管涌的可能性逐漸增大。因此，需密切關(guān)注坑外水位上升過程中基坑底部是否發(fā)生管涌，并做好防止管涌的加固預(yù)案。

3 結(jié)論

本文以沿江粉細(xì)砂地層某深基坑為背景，基于有限元方法開展了基坑開挖過程中汛期高水位條件下滲流分析，得到了在汛期高水位下基坑及周圍土體的孔隙水壓力，壓力水頭以及總水頭分布情況；根據(jù)滲流分析結(jié)果確定基坑逸出點(diǎn)以及逸出點(diǎn)的水力比降，判斷是否滿足要求是否會(huì)發(fā)生管涌。根據(jù)現(xiàn)場水位情況，得出在長江水位超過13m 時(shí)，基坑底部地層可能會(huì)發(fā)生滲透破壞。通過上述研究為沿江基坑設(shè)計(jì)與施工提供了參考。