基于基坑降水優(yōu)化設(shè)計的地面沉降數(shù)值模擬

趙 珍，李貴仁

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

深基坑降水工程的設(shè)計，不僅包括基坑降水區(qū)域應(yīng)達到指定降深，而且還包括基坑降水對周邊地面沉降影響的最低。現(xiàn)階段，降水所引起的坑周圍地面沉降量一般是采用太沙基一維固結(jié)理論進行計算預(yù)測，但對于邊界不規(guī)則、巖層各向非均質(zhì)異性、含水層間存在垂向補給或排泄的復(fù)雜地下三維流場，用解析解法估計降水井抽水量及坑周的沉降量明顯存在較大的誤差。

近年來，數(shù)值模擬方法發(fā)展迅速，已逐漸被應(yīng)用到基坑降水工程中，在預(yù)測復(fù)雜三維流場下坑周邊流場的水頭及地面沉降量在時間與空間上分布上取得了較好的效果，對基坑降水施工有重要的實踐意義。

1 研究區(qū)概況

天津地鐵XX站基坑為長方形，中心里程為CK4+116.824，全長 200 m，總寬 20.7 m，基坑施工區(qū)自然地面標高約為3.15 m，基坑開挖較深，標準段基坑挖深16.62 m(標高為-13.47 m)，最大開挖深度 18.5 m(標高為 -15.35 m)。

車站場地范圍內(nèi)地層分為5個大層:第四系全新統(tǒng)人工填土層;第I陸相層;第 I海相層;第 II陸相層上部為湖沿相沉積土，下部為河床—河漫灘相沉積層;第III陸相層。

地下水可分為兩種類型:孔隙潛水與微承壓水?？紫稘撍嬖谟冖賹尤斯るs填土及第③、第④層粉質(zhì)粘土中。微承壓含水層主要分布在⑥ -2、⑦ -2、⑦ -6的粉土層中，以⑤-1粉質(zhì)粘土、⑥-1粉質(zhì)粘土為相對隔水頂板。微承壓含水層厚度較大，分布相對穩(wěn)定，水位受季節(jié)影響不大，變化幅度小。

2 地下水流數(shù)值模擬模型

2.1 概念模型

本文借用降水影響半徑來幫助確定滲流計算的范圍，取以基坑為中心，800 m×800 m區(qū)域為最終模擬范圍。

模擬深度取40 m，完整的包含了本場地上部潛水和下部微承壓含水層，第一層為大氣降水入滲補給的自由面邊界;底邊界為隔水邊界。模型的四周(正方形邊緣)為第一類邊界(定水頭邊界);

根據(jù)場地的水文地質(zhì)條件，將計算區(qū)垂直方向上自上而下剖分成7層(見表1)。

深基坑降水過程中，伴隨土體孔隙中水的大量排出，孔隙水應(yīng)力的消散，土體的有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致土體固結(jié)，底層被壓縮，宏觀上反應(yīng)為地面沉降或變形，這實際上就是滲流場改變引起應(yīng)力場改變，應(yīng)力場改變引起位移場發(fā)生相應(yīng)改變的過程，正是各層水位的變化才導(dǎo)致可壓縮地層的壓縮[1]，因此，地層壓縮層的劃分與上述水文地質(zhì)概念模型一致。

表1 模型分層情況表

2.2 數(shù)學(xué)模型

基于上述概念模型，可建立場地由降水引起地面沉降的數(shù)學(xué)模型，該模型由兩個模型構(gòu)成。地下水滲流方程數(shù)學(xué)模型:

式中:Kxx為水平滲透系數(shù)，且等于y軸滲透系數(shù);Kzz為垂向滲透系數(shù);Ss為貯水率;Γ1為第一類邊界條件。

變形模型[2]:基坑周邊地面沉降就是基坑降排水引起的彈性和非彈性釋水引起的相應(yīng)的應(yīng)變的總和:

式中:△b為含水層壓縮變形量(m);△h為水頭變化值(m);b0為可壓縮含水層的厚度(m);Sske為骨架成分的彈性儲水率(1/m);Sskv為骨架成分的非彈性儲水率(1/m)。

將以上兩式通過水頭項耦合起來形成了耦合模型。

圖1 研究區(qū)網(wǎng)格平面剖分圖

2.3 數(shù)值模型

采用地下水三維流運動模擬軟件包Processing Modflow中的Modflow和Interbed-Storage數(shù)值模擬模塊求解。

采用矩形有限差分的離散方法對模擬區(qū)進行剖分，將計算域在垂向上分為7層，平面共剖分單元80×80個，每層單元格為6 400個，7層共剖分44 800個單元。

將模擬時間進行離散，共將模擬期共劃分為3個應(yīng)力期，共72個時段。

2.3.1 參數(shù)的選取

考慮到基坑所在場區(qū)面積小，僅0.64 km2，即同一巖層在場區(qū)水平向水文地質(zhì)參數(shù)變化不大，無明顯分區(qū)，因此，對模型主要在垂向上按層進行參數(shù)分區(qū)，即模型每個層均為一個分區(qū)。各分區(qū)的參數(shù)初始值依據(jù)場區(qū)地質(zhì)勘察報告建議值給定，然后采用試錯法確定，模型水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)見表2。

表2 模型水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)表

2.3.2 初始條件

初始水位h(m):由于模擬區(qū)地勢較平坦，且模擬范圍較小，因此結(jié)合當?shù)厮毁Y料，確定模擬范圍內(nèi)水位水平，潛水含水層初始水位為1.8m，微承壓含水層初始水位標高為0.17 m。

初始壓縮量[3](m):由于本次模擬是要計算基坑降水所引起的最終壓縮量和沉降量，最終結(jié)果不考慮初始壓縮量和出事沉降量，因此將其設(shè)置為0。

前期固結(jié)水頭(m):根據(jù)研究區(qū)水位動態(tài)資料，本模型中初始前期固結(jié)水頭為地面標高3.15 m。

圖2 各觀測孔水位擬合曲線

2.3.3 模型識別

選取基坑場區(qū)的抽水試驗期作為模型的識別階段，利用6個承壓觀測井水位資料及14個地面沉降監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進行擬合，讓模型運行72個時段，記錄下每個時段各觀測孔所在結(jié)點水位及沉降量，若各種計算初值給的合理，計算的(H-t)曲線和(S-t)曲線應(yīng)與實測的(H-t)曲線和(S-t)曲線基本擬合，否則要反復(fù)各水文地質(zhì)參數(shù)，并進行試算，一直到曲線擬合程度滿足要求為止。

由圖2可知，模型的地下水位計算值與觀測值擬合效果較好，說明模型的地下水位計算值與觀測值基本一致。

圖3 部分監(jiān)測點沉降量擬合曲線

由擬合情況可知，大部分監(jiān)測點擬合效果較好，可以認為本次建立的地面沉降模型基本符合實際情況，可以用來進行地面沉降預(yù)測。

2.4 預(yù)測結(jié)果及分析

按照擬建工程的施工要求，擬建基坑坑內(nèi)采用管井降水，以降低淺部水位至基坑坑底 0.5～1 m[4]，但為了防止微承壓含水層發(fā)生突涌現(xiàn)象，需降低該含水層的水頭，因此在模擬中將基坑內(nèi)地下水位降至 -15.65 m以下時，基坑工程可安全施工。

綜合考慮基坑所處場區(qū)的水文地質(zhì)條件及施工要求，坑內(nèi)共設(shè)26口降水井，單井抽水量為42 m3/d。為了更好的展示沉降模擬結(jié)果，在模型中設(shè)置23個沉降觀測點。

根據(jù)模型識別以及基坑降水設(shè)計，參照施工要求，該工程基坑在降水后水位應(yīng)降至 -15.65 m。經(jīng)運行模型，在降水9 d后可達到預(yù)期目的。

由模擬結(jié)果可知，第9天時，基坑內(nèi)部最大沉降量達0.197 m，基坑外圍最大沉降量為0.001 53 m，沉降范圍以基坑為中心的240 m范圍內(nèi)，場區(qū)地面沉降的空間分布呈基坑內(nèi)沉降最大，由坑往外，地面沉降值逐漸減小的規(guī)律。

根據(jù)以上預(yù)測結(jié)果認為，該場區(qū)基坑降水會導(dǎo)致附近地面的沉降，對場區(qū)鄰近一線周邊環(huán)境等可能產(chǎn)生一定的不利影響。

3 基坑降水的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)施工要求，本次基坑降水需滿足在降水15 d內(nèi)坑內(nèi)地下水水位降至標高 -15.65 m以下，同時要滿足單井抽水量不高于72 m3/d的限制，本著在規(guī)定時間內(nèi)用最少的抽水量完成降水要求，并對基坑周圍造成的環(huán)境影響最小的原則，對本次基坑降水進行優(yōu)化設(shè)計。

用模擬軟件分別在基坑內(nèi)設(shè)置16口、20口、24口降水井，并將各個降水井設(shè)置不同的抽水量，利用模型輸出基坑內(nèi)水位降至目標深度時所需的時間、總抽水量及連續(xù)墻外10 m內(nèi)平均地面沉降量，各方案模擬結(jié)果見表3。

表3 各方案降水效果對比

通過表3可以看出，方案9在規(guī)定時間內(nèi)達到目的降深的同時，所需抽水量最少，對周圍環(huán)境的影響最小，因此本次基坑降水的最佳方案為坑內(nèi)設(shè)置24口井，單井抽水量為60 m3/d。

4 結(jié)語

(1)以天津地鐵XX站深基坑降水工程為例，在滲流計算區(qū)域確定、模型垂向分層、各層頂?shù)讟烁摺⒊跏紬l件分布、地下連續(xù)墻和降水井設(shè)置等問題處理的基礎(chǔ)上，運用Processing Modflow建立了基坑降水及地面沉降計算的數(shù)值模型，并根據(jù)場區(qū)水位觀測及地面沉降監(jiān)測資料，識別了模型各層(分區(qū))的水文地質(zhì)參數(shù)，并運用模型模擬預(yù)測了基坑降水特點及地面沉降的時空分布規(guī)律。

(2)根據(jù)本例中模型，對降水井進行了優(yōu)化，得出基坑降水的最優(yōu)設(shè)計方案為24口井，單井抽水量60 m3/d，在符合同樣的基坑降水施工要求的情況下，大大降低了基坑降水的成本。

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