何蕃民, 彭 濤, 鄧 安, 李耀家, 楊華斌, 楊連枝
(1.中冶成都勘察研究總院有限公司, 成都 610023; 2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083)
基坑降水是決定基坑工程成功與否的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。對(duì)于在臨河砂卵石地層上的深基坑工程,因緊鄰補(bǔ)給源、含水層滲透性強(qiáng)、基坑涌水量大等特點(diǎn)[2],基坑降水問題更加嚴(yán)峻。因此,如何控制好臨河富水砂卵石層地層地下水是確?;影踩┕さ年P(guān)鍵因素。
“大井法”[3]作為基坑降水方案設(shè)計(jì)中常采用的方法,也是中國(guó)實(shí)際工程中基坑設(shè)計(jì)規(guī)范采用的方法。該方法是將井群簡(jiǎn)化為一口大井,分別計(jì)算基坑總涌水量和單個(gè)降水井出水量,從而得出降水管井?dāng)?shù)量。中國(guó)基坑降水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要有《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)[4]和《管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296—2014)[5],其中《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》未給出臨河基坑降水方案的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?!豆芫夹g(shù)規(guī)范》對(duì)于臨河基坑,考慮河流補(bǔ)給計(jì)算基坑總涌水量,確定降水管井布置的布置方案。
相關(guān)學(xué)者對(duì)基坑降水問題開展了大量的研究工作。薛麗影等[6]設(shè)計(jì)了基坑工程條件的模型試驗(yàn)系統(tǒng),研究了完整井條件下的層狀含水層滲流,獲得與實(shí)際工程相符的滲流流網(wǎng)形態(tài)。Wang等[7]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,基于Forchheimer方程,對(duì)基坑降水過程中的耦合非達(dá)西流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了帷幕與抽水井不同組合方式下的耦合效應(yīng)。劉歷波等[8]采用MIDAS/GTS 巖土分析軟件對(duì)邯鄲市擬建建筑進(jìn)行了滲流數(shù)值模擬,研究表明地下水由基坑外部向內(nèi)部滲流,對(duì)基坑內(nèi)部穩(wěn)定性不利。徐永亮等[9]針對(duì)深厚卵石地層超深基坑降水問題,開展抽水、降水試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析,指出對(duì)于形狀不規(guī)則基坑,相比大井法,采用數(shù)值模擬定水位法計(jì)算開放式降水基坑涌水量更為合理。
對(duì)臨河基坑降水問題,毛昶熙[10]采用“大井法”,給出了考慮河流不同補(bǔ)給方式下臨河側(cè)基坑涌水量的理論計(jì)算公式;劉俊龍[11]對(duì)位于潛水含水層中的近河基坑工程,討論了《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中管井單井涌水量及基坑中某點(diǎn)水位降深計(jì)算公式的適用性及局限性, 并對(duì)相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行了補(bǔ)充完善;Luo等[12]針對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)某深基坑降水工程,應(yīng)用三維有限元數(shù)值計(jì)算方法,分析討論了工程項(xiàng)目降水井布置方案,指出數(shù)值計(jì)算方法是該地區(qū)深基坑降水工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論;楊冬雪等[13]結(jié)合拉薩京藏交流中心鄰河基坑降水項(xiàng)目的施工實(shí)踐,分別比較了岸坡降水潛水非完整井和潛水完整井兩種計(jì)算結(jié)果,并據(jù)此對(duì)鄰河基坑管井降水的方案優(yōu)化。可以看出,對(duì)于臨河側(cè)基坑降水問題,“大井法”和數(shù)值方法是基坑工程降水方案確定的常用方式。
現(xiàn)以具有復(fù)雜邊界的某臨河富水砂卵石層深基坑工程實(shí)例為背景,分別采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)、《管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296—2014)和臨河基坑的理論公式進(jìn)行降水設(shè)計(jì)分析,并輔助以精細(xì)化的數(shù)值方法,確定基坑降水設(shè)計(jì)方案,以期為調(diào)整基坑地下水提供科學(xué)依據(jù)。
某臨河基坑工程位于富水砂卵石地層上,東南側(cè)有一條河流通過,河流轉(zhuǎn)角為110°,河道寬度為15 m,距離基坑邊10~20 m,河水位為498.18 m,基坑平面圖如圖1所示?;?xùn)|西向長(zhǎng)度為255.35 m,南北向長(zhǎng)度為182.99 m,總面積為34 924.13 m2,開挖深度為8.0~11.00 m。項(xiàng)目場(chǎng)地絕對(duì)標(biāo)高為502.45~503.95 m,基坑底部絕對(duì)標(biāo)高為492.95~494.95 m?;邮┕み^程中采用排樁支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù),基坑降水采用管井降水。
依據(jù)項(xiàng)目勘察報(bào)告,場(chǎng)地地層主要由第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)及白堊系中統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖組成。自上而下分別為雜填土①-1、粉質(zhì)黏土②、粉土③、細(xì)砂④、中砂⑤、卵石層(松散⑥-1、稍密⑥-2、中密⑥-3、密實(shí)⑥-4)和泥巖層(強(qiáng)風(fēng)化⑦-1、中等風(fēng)化⑦-2),如圖2所示。
圖1 基坑平面圖
圖2 場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面圖
本項(xiàng)目場(chǎng)地地貌單元系沱江水系Ⅰ級(jí)階地,地下水類型主要為上部填土及粉質(zhì)黏土層中的上層滯水、砂卵石中的孔隙型潛水及賦存于基巖中的基巖裂隙水,地下水位標(biāo)高為498.60~499.66 m。砂卵石層為場(chǎng)地地下水的主要含水層,平均滲透系數(shù)值為20 m3/d。
工程實(shí)踐中,基坑降水設(shè)計(jì)主要依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)和《管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296—2014)。第3.1和3.2節(jié)將分別采用這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基坑降水設(shè)計(jì)??紤]到本項(xiàng)目東南側(cè)存在河流補(bǔ)給邊界,為基坑安全考慮,2.3節(jié)將采用毛昶熙[10]給出的臨河基坑涌水量的理論解進(jìn)行復(fù)核。
依據(jù)本項(xiàng)目勘察報(bào)告,項(xiàng)目場(chǎng)地標(biāo)高取503.20 m,基坑標(biāo)高取493.95 m,地下水位水位標(biāo)高499.13 m?;鶐r埋深取最大埋深20 m,標(biāo)高483.20 m。
《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)未對(duì)靠河基坑的降水方案設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的指導(dǎo),因而按照普通基坑進(jìn)行設(shè)計(jì)。該工程的具體情況,采用均質(zhì)含水層潛水完整井計(jì)算公式[4],對(duì)基坑降水進(jìn)行設(shè)計(jì)。
(1)降水范圍等效半徑r0為
(1)
式(1)中:A為基坑面積,為34 924.13 m2。
(2)降水影響半徑R為
357.77 m
(2)
式(2)中:sd為基坑地下水設(shè)計(jì)降深,按基坑坑底最低標(biāo)高492.95 m計(jì)算為6.68 m,取7 m。根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定,當(dāng)sd小于10 m,取10 m;H為含水層厚度15.93 m,取16 m。
(3)基坑降水總涌水量Q1(按均質(zhì)含水層潛水完整井計(jì)算)為
7 426.22 m3/d
(3)
式(3)中:k為滲透系數(shù),依據(jù)項(xiàng)目勘察報(bào)告,取20 m/d。
(4)單井出水量q為
383.55 m3/d
(4)
式(4)中:r為過濾器半徑,為0.15 m;l為過濾器進(jìn)水部分有效長(zhǎng)度,根據(jù)本項(xiàng)目支護(hù)及降水工程施工圖設(shè)計(jì)報(bào)告,考慮到具體降水工藝及場(chǎng)地地質(zhì)等情況,取2.5 m。
(5)管井?dāng)?shù)量n1為
(5)
按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》計(jì)算,管井應(yīng)布置22個(gè),管井井距約為35.45 m。
《管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296—2014)給出了靠河基坑的降水方案設(shè)計(jì)方法。采用均質(zhì)含水層潛水完整井岸邊降水計(jì)算公式[5],對(duì)基坑降水進(jìn)行設(shè)計(jì)。
(1)基坑中心至河岸距離b為
b=15 m+105.46 m=120.46 m
(6)
(2)基坑總涌水量Q2為
13 325.53 m3
(7)
式(7)中:降水范圍等效半徑r0同式(1)。
(3)管井?dāng)?shù)量n2為
(8)
式(8)中:q為式(3)得到的單井的涌水量。按照《管井技術(shù)規(guī)范》計(jì)算,管井應(yīng)布置39個(gè),管井井距約為20.10 m。
毛昶熙[10]給出了考慮不同河流補(bǔ)給條件下基坑的降水影響半徑的理論公式。結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際,由圖1可知,基坑?xùn)|南角會(huì)同時(shí)受到東側(cè)和南側(cè)的河流補(bǔ)給邊界的影響(河流轉(zhuǎn)角110°)。為得到更符合本工程項(xiàng)目的涌水量計(jì)算,考慮圖3所示的兩種補(bǔ)給邊界,采用影響半徑的理論公式分別計(jì)算其涌水量和管井?dāng)?shù)。
2.3.1 單側(cè)補(bǔ)水條件
計(jì)算圖3(a)單側(cè)直線水源補(bǔ)給條件下的基坑涌水量和管井?dāng)?shù)目。圖3(a)中的L為基坑中心至河岸線的距離,計(jì)算為120.46 m。
(1)影響半徑R1為
R1=2L=2×120.46 m=240.92 m
(9)
(2)基坑涌水量Q3為
17 027.77 m3/d
(10)
(3)管井?dāng)?shù)量n3為
(11)
因而,對(duì)于單側(cè)直線河流補(bǔ)給的情況,理論解算出基坑應(yīng)布置49個(gè)管井,管井井距約為15.92 m。
3.2.2 直角兩側(cè)補(bǔ)水
設(shè)L1=L=120.46 m,按圖3(b)所示計(jì)算基坑影響半徑,再計(jì)算涌水量和管井?dāng)?shù)。
(1)影響半徑R2為
(12)
(2)基坑涌水量Q4為
29 332.20 m3/d
(13)
(3)管井?dāng)?shù)量n4為
(14)
按85個(gè)管井布置,管井井距約為9.17 m。
圖3 基坑在不同邊界條件下的影響半徑
因而,對(duì)于直角兩側(cè)河流補(bǔ)給的情況,理論解算出基坑應(yīng)布置85個(gè)管井,管井井距約為9.17 m。
將上述計(jì)算的基坑涌水量、管井?dāng)?shù)量、井距結(jié)果匯總,如表1所示。從計(jì)算的基坑降水總涌水量來看,由于《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》給出的基坑涌水量計(jì)算公式未考慮河道對(duì)基坑地下水的補(bǔ)給,計(jì)算得出基坑涌水量最小,為7 426.22 m3/d,井距35.45 m;《管井技術(shù)規(guī)范》岸邊降水公式計(jì)算結(jié)果為13 325.53 m3/d,井距為20.10 m;單側(cè)河流補(bǔ)給臨河基坑涌水量理論解計(jì)算為17 027.77 m3/d,井距為15.92 m;直角兩側(cè)補(bǔ)給的理論解得到的基坑涌水量為29 332.20 m3/d,井距為9.17 m。可見,考慮補(bǔ)水邊界計(jì)算的基坑涌水量比前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果要大,而采用直角補(bǔ)給邊界計(jì)算的涌水量更是基坑標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果的4倍。由此可得,對(duì)于臨河基坑降水計(jì)算應(yīng)高度重視,為確保基坑安全,有必要采用多種計(jì)算公式相互復(fù)核校正。
表1 基坑涌水計(jì)算結(jié)果
在本項(xiàng)目基坑降水設(shè)計(jì)中,依據(jù)國(guó)標(biāo)《管井技術(shù)規(guī)范》計(jì)算結(jié)果進(jìn)行基坑降水井布置,沿基坑周圍共設(shè)置39個(gè)降水井,具體布置如圖1所示。管井井深度20 m,直徑350 mm。水泵功率7.5 kW,最大揚(yáng)程30 m,最大排水量35 m3/h。然而,當(dāng)開挖接近基坑底時(shí),基坑臨河側(cè)G-H-I-J段出現(xiàn)不同程度積水,積水面積約7 000 m2(圖1陰影區(qū)域),其中積水最深約1 m。
由此可見,本項(xiàng)目按照國(guó)標(biāo)《管井技術(shù)規(guī)范》布置的管井?dāng)?shù)顯然是不夠的,有必要考慮直線和直角河流補(bǔ)給的理論解。鑒于基坑?xùn)|南角河流的轉(zhuǎn)角大于90°,因而基坑的涌水量和管井?dāng)?shù)可在單側(cè)直線和兩側(cè)直角補(bǔ)給兩種之間取值。下面將借助數(shù)值分析手段對(duì)基坑降水進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。
飽和-非飽和滲流的偏微分方程表達(dá)式為[14]
(15)
式(15)中:θ為土體的體積含水率;kr為相對(duì)滲透系數(shù)(0≤kr≤1);Kij為介質(zhì)飽和滲透張量;h=ψ+z為水頭;ψ為壓力水頭(ψ>0土體飽和,ψ≤0土體非飽和);z為參考平面上的高程;Q代表源項(xiàng);i,j=1,2,…,D指幾何坐標(biāo)下標(biāo),D為空間維數(shù);t為時(shí)間。
非飽和土體的含水率與毛細(xì)水壓(吸力水頭)的關(guān)系可通過Maluem公式[15]表示,即
(16)
式(16)中:θs為飽和體積含水率;θr為殘余體積含水率;α為和平均粒徑大小有關(guān)的參數(shù);n為和粒徑均勻性有關(guān)的參數(shù);m=1-1/n。
土體非飽和相對(duì)滲透系數(shù)kr與飽和度的關(guān)系常采用Van Genuchten公式[16],即
(17)
式(17)中:se為有效飽和度,與含水率關(guān)系公式為
(18)
根據(jù)毛細(xì)水壓,通過式(16)、式(17)和式(18)即可得到土體的非飽和計(jì)算參數(shù):飽和度和相對(duì)滲透系數(shù)。通過式(15)進(jìn)行空間和時(shí)間離散,可建立起土體飽和-非飽和滲流有限元數(shù)值計(jì)算方程,具體推導(dǎo)過程詳見文獻(xiàn)[14]。
以靠近河道基坑G-H-I-J段(圖1)作為研究對(duì)象。考慮到管井沿基坑四周均勻布置,假定地下水流動(dòng)主要發(fā)生在垂直于河道的平面內(nèi),取圖1中26號(hào)井兩側(cè)半個(gè)井距作為數(shù)值模型計(jì)算區(qū)域(圖4)。模型范圍:右側(cè)取河道中心線;左側(cè)取一倍基坑深度,即基坑內(nèi)側(cè)10 m處;頂面為場(chǎng)坪標(biāo)高502.45 m;底部范圍取至基巖面以下10 m(高程478 m)。為研究不同井距的降水性能,取管井間距L為20、10、5 m 3組工況進(jìn)行計(jì)算。
圖4 三維計(jì)算模型(L=20 m)
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料,并為簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)滲流系數(shù)比較接近土層合并,具體為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、粉土簡(jiǎn)化為粉土層,細(xì)砂、中砂、卵石層簡(jiǎn)化為砂卵石層,泥巖層分為強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中等風(fēng)化泥巖層,如圖5所示。管井邊壁取為溢出面邊界(井水內(nèi)水位取設(shè)計(jì)水位486.23 m),基坑坑底面和基坑內(nèi)壁截面取為可能的溢出面邊界(溢出面水位設(shè)為基坑坑底高程493.45 m),溢出面邊界具體設(shè)置如圖5中藍(lán)粗線所示,其余為不透水邊界。
本項(xiàng)目勘察報(bào)告僅給出砂卵石含水層經(jīng)驗(yàn)滲透系數(shù)建議值,取20 m/d;其他土層計(jì)算參數(shù)參考同地區(qū)類似工程[17],各土層飽和滲透參數(shù)如表 2所示。飽和-非飽和計(jì)算參數(shù)采用給定飽和度、毛細(xì)水壓、相對(duì)滲透系數(shù)的關(guān)系曲線,飽和度與毛細(xì)水壓的關(guān)系曲線如圖6所示,飽和度與相對(duì)滲透系數(shù)的關(guān)系曲線如圖7所示。
圖5 計(jì)算模型地層剖面及邊界
表2 土體計(jì)算系數(shù)
圖6 飽和度與毛細(xì)水壓的關(guān)系曲線
圖7 飽和度與相對(duì)滲透系數(shù)的關(guān)系曲線
以管井間距10 m為例,分析基坑地下水滲流特性?;拥撞克綌嗝嫠^等值線分布如圖8所示。水頭等值線自右側(cè)(河道)向左側(cè)(基坑)逐漸降低,水頭降低約為3.8 m。由此可以看出,河道水流是影響基坑?xùn)|南區(qū)域地下水的首要因素。
為更加清晰呈現(xiàn)基坑降水管井附近地下水滲流特性,分別考察圖8中Y=5 m剖面(管井剖面)和Y=0剖面(相鄰管井中心剖面)飽和區(qū)的水頭等值線,如圖9、圖10所示。從管井剖面水頭等值線可以看出,受基坑施工降水影響,水頭等值線在靠近從河道至管井呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì),水頭最大降低為8.68 m,約靠近管井,等值線越密集,水頭下降越快。但相鄰管井中心剖面水頭等值線分布較為均勻(圖10)??梢?管井降水對(duì)相鄰管井中心剖面水頭等值線分布的影響已明顯減弱。
圖9 基坑Y=5.0 m剖面(管井剖面)水頭等值線
圖10 基坑Y=0 m剖面(相鄰管井中心剖面)水頭等值線
降水管井間距分別為20、10、5 m時(shí),管井剖面孔隙水壓力等值線如圖11~圖13所示??梢钥闯?水壓力等值線在管井處仍較為密集,呈現(xiàn)出降水“漏斗”形狀。按照采用《管井技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)降水方案(管井間距為20 m時(shí)),數(shù)值模擬計(jì)算出基坑底部孔隙水壓力約為9 kPa,也即意味著基坑底部將會(huì)出現(xiàn)約0.9 m的積水,與施工中遭遇的情況基本吻合。
圖11 井距20 m的管井剖面孔隙水壓力等值線(設(shè)計(jì)方案)
圖12 井距10 m的管井剖面孔隙水壓力等值線
當(dāng)管井間距減少至10 m時(shí),孔隙水壓力零壓力線下移至基坑底部約0.4 m(圖13),基本滿足基坑降水施工要求;當(dāng)管井間距進(jìn)一步降至5 m時(shí),零壓力線進(jìn)一步降低,至基坑底部以下約1.5 m。
圖13 井距5 m的管井剖面孔隙水壓力等值線
通過數(shù)值模擬分析,對(duì)于靠近河道一側(cè)的管井間距按20 m,將無法滿足施工要求,合理的管井間距應(yīng)控制在5~10 m。
由前文計(jì)算分析可知,按照《管井技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)的管井間距20 m并不能滿足該基坑?xùn)|南側(cè)的降水需求。實(shí)際在施工過程中,基坑底部東南角也確實(shí)出現(xiàn)了積水現(xiàn)象(圖1)。采用毛昶熙[10]提出的河流補(bǔ)給的理論解來確定井距,則基坑降水井的井距選擇在9.17~15.92 m。對(duì)基坑?xùn)|南側(cè)河流拐彎處的降水管井的控制區(qū)域滲流場(chǎng)計(jì)算分析可知,管井距在5~10 m是比較合適的。結(jié)合理論解和數(shù)值解,最終確定基坑?xùn)|南側(cè)的管井井距在9~10 m。
根據(jù)計(jì)算成果,采用對(duì)基坑?xùn)|南區(qū)域降水管井局部進(jìn)行局部加密,以加大基坑降水力度。沿基坑河流側(cè)新增13個(gè)降水管井,如圖14所示,結(jié)合到場(chǎng)地條件,其中4個(gè)管井布置在坑內(nèi),7個(gè)管井布置在坑外。加密后,基坑河流側(cè)管井井距最大值為11.5 m,最小值為7.3 m,平均間距9.33 m。新增13個(gè)降水管井投入運(yùn)行后,有效降低了基坑地下水位。經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)勘查,基坑內(nèi)部地下水水位控制在基坑底部1 m以下,滿足施工要求。
圖14 新增降水井位置
針對(duì)某臨河富水砂卵石層深基坑工程實(shí)例,分別采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》《管井技術(shù)規(guī)范》和毛昶熙[10]給出的臨河基坑的理論公式進(jìn)行降水設(shè)計(jì)分析,并輔助以精細(xì)化的數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)證分析,得出以下結(jié)論。
(1)本工程案例中,《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》計(jì)算出的管井間距最大,為35.45 m;設(shè)計(jì)方案采用的《管井技術(shù)規(guī)范》得出的管井間距次之,為20.10 m;臨河基坑的理論公式計(jì)算得出的管井間距最小,分別為15.92 m(單側(cè)補(bǔ)水)和9.17 m(直角兩側(cè)補(bǔ)水)。
(2)對(duì)臨河側(cè)管井間距為20 m(設(shè)計(jì)方案)、10 m和5 m 3種工況進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算得出管井間距為20 m時(shí),基坑底部存在0.9 m積水,與實(shí)際施工情況基本吻合。結(jié)合理論公式計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果,確定基坑?xùn)|南側(cè)的管井井距在9~10 m,并據(jù)此結(jié)果,沿基坑臨河側(cè)新增了13個(gè)降水管井,解決了本項(xiàng)目基坑降水問題。
(3)由本案例可知,對(duì)于臨河的基坑降水設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮河流補(bǔ)給的影響。利用規(guī)范、結(jié)合理論和數(shù)值手段的分析方法,是對(duì)復(fù)雜邊界條件下深基坑降水方案設(shè)計(jì)比較好的方式,具有廣闊的應(yīng)用前景。