懸掛止水帷幕插入深度對地下水滲流場的影響分析

田力 李方明

摘 要：本文采用有限差分?jǐn)?shù)值法對懸掛式止水帷幕的插入深度、增加回灌井對坑外滲流場的的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，為今后類似工程的降水設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：懸掛止水帷幕；地下水；滲流場

0 引言

懸掛式止水帷幕增加了地下水繞流路徑，減小了坑外地下水位，但造成的坑外地表沉降量仍不可忽視，因此有必要研究懸掛式止水帷幕插入深度對地下水滲流場的影響。本文以某地鐵車站深基坑降水工程為背景，根據(jù)坑內(nèi)外水位降深要求，綜合考慮基坑深度、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和周邊環(huán)境等因素，建立不同插入深度下，坑內(nèi)降水及坑外設(shè)回灌井的三維滲流模型，通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，探討了懸掛式止水帷幕不同插入深度下滲流場的變化，為今后類似工程的降水設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

1 工程概況

車站深基坑平面形狀呈L形，車站主體結(jié)構(gòu)長172.3m，標(biāo)準(zhǔn)段寬24.0m，開挖面積4996.0m2，開挖深度h=20.0m，嵌固深度hd=26.0，各土層參數(shù)見表1。根據(jù)地下水賦存條件，本車站地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。松散巖類孔隙水為本車站內(nèi)主要地下水類型，根據(jù)其埋藏條件和水力性質(zhì)，又分為孔隙潛水及微承壓水。本車站基坑采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻兼作懸掛式止水帷幕，坑內(nèi)設(shè)管井降水，坑外設(shè)水位觀測井兼作應(yīng)急回灌井。

表2基坑土層參數(shù)列表

序號 層號 名稱 層厚（m） kx=ky（10-8m/d） kz（10-8m/d）

1 ①-2 素填土 3 1.00 0.1

2 ②-3c3 粉土 3 405.0 40.5

3 ②-3d4-3 粉細(xì)砂 10 518.0 51.8

4 ②-4d3-2 粉細(xì)砂 16 664.0 66.4

5 ②-5d2-1 粉細(xì)砂 17 628.0 62.8

6 ④-4e 粗砂、圓礫 11 3000.0 300.0

2 有限差分方程

多孔介質(zhì)承壓、非承壓或者承壓與非承壓結(jié)合的非穩(wěn)定滲流場三維數(shù)學(xué)模型基于以下方程[1，2]：

式中： 、 、 為沿x、y、z坐標(biāo)軸方向的水力傳導(dǎo)率（LT-1），h是水頭（L），W是在非平衡狀態(tài)下通過均質(zhì)、各向同性土層介質(zhì)單位體積的流量，表示地下水的源和匯（T-1），Ss表示多孔介質(zhì)的比貯水系數(shù)（L-1），t為時(shí)間（T）。

3 基坑降水滲流模型建立

根據(jù)場地的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，根據(jù)勘察報(bào)告，降水影響半徑選取為110m。管井出水能力約60.0m3/d，坑內(nèi)均勻布置26口降水管井，坑外每隔20m布設(shè)一口回灌井，共布設(shè)24口回灌井，地下連續(xù)墻厚1.0m，滲透系數(shù)k=1.0e-10cm/s。為消除計(jì)算過程中地下水邊界效應(yīng)產(chǎn)生的影響，取基坑滲流模型平面計(jì)算范圍為基坑周邊向外延伸110.0m。整個(gè)模型平面計(jì)算尺寸為393×280m2（173×60），在豎直方向上，以地面以下60.0m深度為界，設(shè)降水影響半徑范圍以外為定水頭邊界。在模型劃分網(wǎng)格時(shí)，在基坑范圍內(nèi)設(shè)置較為細(xì)致的離散網(wǎng)格，整個(gè)模型劃分為6層，283行，170列，共60910個(gè)離散單元。

4 基坑降水?dāng)?shù)值計(jì)算結(jié)果分析

圖1 地連墻hd=12m時(shí)水位等值線圖

圖2 地連墻hd=28m時(shí)水位等值線圖

圖3 地連墻hd=28m坑外設(shè)回灌井時(shí)水位等值線圖

圖1和圖2為地連墻不同嵌固深度下坑外地下水位等值線圖，圖3為坑外設(shè)回灌井時(shí)地下水位等值線圖。從圖1～圖2中可以看出，隨著止水帷幕深度增加，坑外地下水位降深有減小的趨勢，但效果不是很明顯，當(dāng)?shù)剡B墻嵌固深度Hd=12.0m時(shí)，坑外最大水位降深5.0m，當(dāng)?shù)剡B墻嵌固深度Hd=28.0m時(shí)，坑外最大水位降深3.0m，由此可見，僅僅靠增大止水帷幕插入深度來減緩坑外水位降深是很不經(jīng)濟(jì)的。從圖2和圖3可以看出，設(shè)置回灌井對抑制坑外水位降深有一定的減緩作用，但其延緩作用也非常有限，坑外水位降深僅僅提高0.5m以上。

本文通過對不同帷幕插入深度時(shí)坑外地下水水位變化的對比分析，表明懸掛式帷幕可以減少坑外地下水位下降，但地下水位仍有較大幅度降低，降水對周邊環(huán)境影響不可忽略。僅僅靠增大止水帷幕插入深度來減緩坑外水位降深是很不經(jīng)濟(jì)的，并不能完全消除降水對周邊環(huán)境帶來的影響。應(yīng)根據(jù)基坑穩(wěn)定性和周邊環(huán)境的重要性確定合理的嵌固深度，并根據(jù)周邊構(gòu)筑物的重要性確定是否采取回灌和加固措施。

參考文獻(xiàn)

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[2] 姚天強(qiáng)，石振華，曹惠賓?；咏邓謨訹M]，北京，中國建筑工業(yè)出版社出版社。2006.