SEEP/W在深基坑降水效果對(duì)比分析中的應(yīng)用

加青雙，宋 飛

(1.中鐵六局集團(tuán)廣州工程有限公司，廣東 廣州 514000；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者、工程師對(duì)基坑降水效果也做了相關(guān)研究。例如，聶慶科等[1]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了粉土地基中群井條件下的真空井點(diǎn)降水過(guò)程及降水效果；曹亞西等[2]對(duì)新疆粉砂地層采用井點(diǎn)降水進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析研究得出井點(diǎn)大小、深度及打井位置與降水效果的關(guān)系；馬昌慧等[3]采用Visual MODFLOW數(shù)值計(jì)算軟件模擬了武漢某基坑工程的降水滲流場(chǎng)，得到地基與基坑距離和沉降成反比，增加帷幕深度可提高降水效果，有效減小地基沉降；莫振澤等[4]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并利用ABAQUS有限元軟件建模，對(duì)不同降水井布置方案、降水效果的影響因素及通道主體結(jié)構(gòu)和周?chē)乇碜冃蔚冗M(jìn)行數(shù)值模擬，確定最佳降水井布置方案和降水速率。

綜上所述，現(xiàn)階段對(duì)降水效果及相關(guān)研究，大多采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方式，而數(shù)值模擬軟件現(xiàn)主要采用Visual MODFLOW和ABAQUS等，但由于易用性和上手操作難度等原因，普及范圍不大。SEEP/W軟件是基于非飽和土力學(xué)理論的巖土工程和巖土環(huán)境數(shù)值模擬軟件Geostudio中的模塊，可進(jìn)行飽和-非飽和滲流場(chǎng)的數(shù)值模擬[5]，完成二維穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)飽和-非飽和滲流計(jì)算，故可利用SEEP/W進(jìn)行深基坑降水效果對(duì)比。此外，由于SEEP/W軟件在計(jì)算效率和操作性、易用性上的平衡，在基坑降水效果對(duì)比研究中具備更多優(yōu)勢(shì)。本文以佛山地鐵3號(hào)線某深基坑為背景，對(duì)降水后土體各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，以得出更優(yōu)降水施工方式。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

基坑屬于新建地鐵3號(hào)線工程，位于廣東省佛山市順德區(qū)高村，地貌單元為珠江三角洲沖積平原地貌，地勢(shì)較平坦，起伏不大。工程所在地層土體含有大量深厚淤泥及淤泥質(zhì)土，高壓縮性、強(qiáng)度指標(biāo)小、含水量大且滲透性小。在施工過(guò)程中，因其具有低滲透性及高持水性，對(duì)基坑開(kāi)挖的排水固結(jié)不利，不僅影響地基強(qiáng)度，而且也延長(zhǎng)地基固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間。

在對(duì)基坑進(jìn)行降水施工時(shí)，管井降水在現(xiàn)場(chǎng)施工中是常用方式，常見(jiàn)降水井類(lèi)型有普通管井、真空管井等。本工程擬采用真空管井降水，地下連續(xù)墻兼作止水帷幕進(jìn)行施工。

1.2 井點(diǎn)布置原則

工程在降水井平面布置時(shí)，控制井管軸心間距為10～20m，降水井深度結(jié)合地層特點(diǎn)及開(kāi)挖深度，坑內(nèi)降水井深度仍控制在開(kāi)挖面以下3～4m，井深不超過(guò)加固底面深度；真空疏干深井的布置原則為：井平面位置最終施工時(shí)應(yīng)避開(kāi)坑內(nèi)支撐、格構(gòu)柱、坑內(nèi)加固等位置，過(guò)濾器以分?jǐn)嗝孢^(guò)濾器為主。

成井施工結(jié)束后，在真空管井內(nèi)及時(shí)下入潛水泵等設(shè)備并進(jìn)行標(biāo)識(shí)。將濾管埋入含水層內(nèi)，潛水泵深入儲(chǔ)水層，在孔壁與砂管間填充濾水層至地下靜水位以上，接近井口一定范圍內(nèi)采用黏土填實(shí)封嚴(yán)，最下端的濾管用2層以上篩網(wǎng)包裹，最上端濾管密封。抽水與排水系統(tǒng)安裝完畢，即可開(kāi)始試抽水，本工程真空管井降水施工如圖1所示。根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，采用真空抽水以確保預(yù)降水效果，每臺(tái)真空泵配置深井?dāng)?shù)量可根據(jù)管路系統(tǒng)內(nèi)的真空度調(diào)整。在進(jìn)行降水疏干過(guò)程中，需同時(shí)對(duì)坑內(nèi)外地下水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其變化。

圖1 管井降水施工示意

1.3 真空管井運(yùn)行

在開(kāi)始降水運(yùn)行前，需進(jìn)行降水試運(yùn)行。測(cè)定靜止水位，安排好抽水設(shè)備、電纜及排水管道做生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)運(yùn)行，驗(yàn)證降水效果，檢驗(yàn)排水系統(tǒng)是否通暢，抽出來(lái)的水應(yīng)排入場(chǎng)外市政管網(wǎng)，以免抽出的水就地回滲，影響降水效果。同時(shí)，驗(yàn)證電路系統(tǒng)是否正常，檢查電箱和電纜線等設(shè)備，確保降水持續(xù)進(jìn)行。抽水試驗(yàn)時(shí)間為≥7d且≥2/3最大設(shè)計(jì)降深，時(shí)間充足情況下達(dá)到最大設(shè)計(jì)降深。

對(duì)于基坑降水施工，降水應(yīng)在基坑開(kāi)挖前15～30d或更早進(jìn)行，以保證有效降低開(kāi)挖土體中的含水量，確?；娱_(kāi)挖施工順利進(jìn)行。并根據(jù)要求加載真空負(fù)壓，以疏干基坑上部開(kāi)挖土體，開(kāi)挖過(guò)程中保持繼續(xù)持續(xù)抽水，進(jìn)一步疏干上部土體。根據(jù)開(kāi)挖進(jìn)度，井內(nèi)水位應(yīng)控制在基坑開(kāi)挖面以下一定深度內(nèi)，在真空疏干深井正式抽水前，應(yīng)及早施工坑外潛水位觀測(cè)孔。潛水水位觀測(cè)孔施工完成后及時(shí)開(kāi)啟真空疏干深井進(jìn)行疏干降水。一般正常情況下，真空疏干深井基本保持24h連續(xù)抽水，出現(xiàn)降水異常時(shí)，根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。本次采用的新型技術(shù)超級(jí)壓吸聯(lián)合抽水系統(tǒng)是一種集送氣系統(tǒng)、真空抽水系統(tǒng)于一體的不間斷式抽水方式。

真空管井降水過(guò)程中，對(duì)真空管井降水效果的影響因素眾多，本文主要針對(duì)土體滲透系數(shù)、止水帷幕深度等重要因素，對(duì)比分析真空管井和普通管井降水情況下降水效果。設(shè)置不同滲透系數(shù)意在模擬不同地質(zhì)條件下真空管井與普通管井降水受土質(zhì)影響大小，以便提供類(lèi)似工程參考。

2 模型簡(jiǎn)介

2.1 SEEP/W軟件與非飽和滲流理論

SEEP/W主要用于模擬多孔介質(zhì)(包括土體、巖石)中地下水的滲流，分析各種復(fù)雜飽和和非飽和滲流問(wèn)題。SEEP/W軟件現(xiàn)已在巖土工程[6]、水利水電工程[7]、礦業(yè)工程[8]和安全工程[9]與災(zāi)害防治[10]等分析和設(shè)計(jì)中得到較廣泛應(yīng)用。

由于SEEP/W采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，用戶可對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行快速有效的網(wǎng)格劃分。在SEEP/W中，土體參數(shù)如土水特征曲線和水力傳導(dǎo)曲線等可自定義也可使用軟件內(nèi)置典型土壤參數(shù)，本文選用軟件內(nèi)置典型土體參數(shù)。

SEEP/W中用于非飽和流控制的控制方程是Richards方程[11]。1931年Richard將Darcy定律應(yīng)用到非飽和流中并推導(dǎo)得出非飽和滲流基本微分方程[12]：

式中：H為總水頭；k(θ)x為x軸方向的水力傳導(dǎo)率；k(θ)y為y軸方向的水力傳導(dǎo)率；k(θ)z為z軸方向的水力傳導(dǎo)率；Q為流量邊界；θ為土壤體積含水率；t為時(shí)間。應(yīng)用此公式，SEEP/W對(duì)模型每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行求解，獲得相應(yīng)數(shù)值解。軟件中非飽和土體參數(shù)涉及2個(gè)最重要參數(shù)即土水特征曲線和水力傳導(dǎo)曲線：

1)土水特征曲線 含水量與基質(zhì)吸力間的函數(shù)關(guān)系[13]。在SEEP/W中提供4種土水特征曲線確定方式，包括數(shù)據(jù)點(diǎn)函數(shù)、Fredlund-Xing經(jīng)驗(yàn)函數(shù)、Van Genuchten 經(jīng)驗(yàn)函數(shù)及用戶加載函數(shù)，本文選用數(shù)據(jù)點(diǎn)函數(shù)輸入。

2)水力傳導(dǎo)曲線 滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力間函數(shù)關(guān)系。在SEEP/W中提供2種確定方式，即滲透系數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)函數(shù)和用戶加載函數(shù)，本文采用前者。

2.2 模型尺寸與網(wǎng)格劃分

根據(jù)佛山地鐵3號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，基坑寬21.3m、深16.9m。考慮模型邊界均為3～5倍基坑尺寸，取模型長(zhǎng)121.3m(基坑兩側(cè)各50m)、高70m。模型基坑平面內(nèi)設(shè)置2口排水井，降水井深22m，于開(kāi)挖面以下5.1m，兩降水井間橫向間距10.9m，距離兩側(cè)基坑邊緣5.2m。

模型網(wǎng)格設(shè)置為2m矩形網(wǎng)格單元，過(guò)渡區(qū)域?yàn)槿切尉W(wǎng)格單元，佛山地鐵3號(hào)線基坑2D模型如圖2所示。

圖2 佛山地鐵3號(hào)線基坑降水2D模型(單位：m)

2.3 材料與邊界條件

為探究2種降水方式在不同滲透系數(shù)土體與止水帷幕深度下的降水效果，研究設(shè)置3種滲透系數(shù)和3種止水帷幕深度對(duì)不同工況降水效果進(jìn)行對(duì)比分析。參數(shù)設(shè)置包括滲透系數(shù)為4.00，0.40，0.04m/d，止水帷幕深度為0(即不設(shè)置止水帷幕)，32，43m，對(duì)參數(shù)進(jìn)行組合分析，共計(jì)9種工況。

SEEP/W軟件邊界條件分為水頭、流量及其他邊界條件。根據(jù)模型尺寸和真空管井降水條件，設(shè)置模型邊界條件主要定義水頭條件，總水頭70m、真空管井降水水頭-8m及普通管井降水水頭0m。

3 深基坑降水效果對(duì)比分析

利用軟件SEEP/W建模，對(duì)各工況進(jìn)行瞬態(tài)分析，計(jì)算所設(shè)置工況降水30d內(nèi)每天各參數(shù)，主要統(tǒng)計(jì)降水穩(wěn)定深度、最大流量及達(dá)到穩(wěn)定水流量所需時(shí)間3個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，對(duì)深基坑降水計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 降水穩(wěn)定深度對(duì)比

本文統(tǒng)計(jì)軟件SEEP/W模擬降水30d后的壓力水頭，認(rèn)為壓力水頭為0m時(shí)等值線即為降水穩(wěn)定深度。對(duì)比計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在降水施工達(dá)到穩(wěn)定深度后，真空管井降水0m壓力水頭等值線均呈“W”形狀，即在兩降水井間和降水井與基坑邊緣間等值線深度小于降水井處等值線深度(分別用C和B表示)，如圖3所示。而普通管井降水0m壓力水頭等值線為兩降水井間和降水井與基坑邊緣間分別較平緩但降水井兩側(cè)穩(wěn)定深度不同。

圖3 “W”形0m壓力水頭等值線示意

同時(shí)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果看出，隨著止水帷幕的深度增加，各工況均會(huì)出現(xiàn)帷幕外壓力水頭0m等值線更接近地面；對(duì)于真空管井，基坑邊緣與降水井間的降水穩(wěn)定深度會(huì)隨著止水帷幕的深度增加而增加，兩降水井間的降水穩(wěn)定深度大致不變；對(duì)于普通管井，止水帷幕的存在使得兩降水井間和降水井與基坑邊緣的降水穩(wěn)定深度更接近。兩種降水井降水穩(wěn)定深度隨止水帷幕深度變化而出現(xiàn)的現(xiàn)象，是由于止水帷幕的存在，會(huì)一定程度阻止或減緩其外側(cè)豐富地下水對(duì)基坑內(nèi)側(cè)降水后水位的補(bǔ)充。

統(tǒng)計(jì)各工況0m壓力水頭等值線在兩降水井間和降水井與基坑邊緣間的深度，可描繪出大致降水范圍。無(wú)止水帷幕時(shí)降水穩(wěn)定深度對(duì)比曲線如圖4所示，同一位置真空管井降水穩(wěn)定深度均比普通管井降水深度要大，而土體滲透系數(shù)與降水穩(wěn)定深度正相關(guān)，其余止水帷幕深度的工況計(jì)算結(jié)果規(guī)律均相同。

圖4 0m止水帷幕降水穩(wěn)定深度對(duì)比

本文統(tǒng)計(jì)各工況降水過(guò)程中降水穩(wěn)定深度數(shù)據(jù)，得到表1。

表1 降水穩(wěn)定深度對(duì)比

通過(guò)對(duì)表1中各工況的降水穩(wěn)定深度分析可發(fā)現(xiàn)，真空管井降水施工完成后，0m壓力水頭等值線上方存在大范圍壓力水頭為負(fù)值的區(qū)域，即出現(xiàn)大范圍負(fù)壓區(qū)，降水穩(wěn)定深度普遍較普通管井更深，表明其降水效果更好；并且在滲透系數(shù)越小、止水帷幕越深時(shí)，真空管井降水穩(wěn)定深度優(yōu)勢(shì)越明顯。

3.2 最大水流量對(duì)比

不論是采用何種降水井施工，其降水過(guò)程中的降水流量不總是恒定不變。根據(jù)軟件SEEP/W計(jì)算結(jié)果，在30d降水過(guò)程中，不論普通降水井還是真空降水井，降水井水流量趨勢(shì)均相同：從急劇增大到逐漸趨于平緩，并且各工況降水過(guò)程中的最大流量總是出現(xiàn)在第1天，隨后會(huì)突然降低并迅速趨于穩(wěn)定。不設(shè)置止水帷幕降水流量與時(shí)間關(guān)系曲線如圖5所示，在土體滲透系數(shù)較小時(shí)，真空管井降水流量總是比普通管井降水流量大，而隨著滲透系數(shù)變大，普通管井降水流量與真空管井降水流量逐漸接近，甚至?xí)^(guò)真空管井穩(wěn)定后降水流量。

圖5 0m止水帷幕水流量-時(shí)間曲線

綜合統(tǒng)計(jì)降水過(guò)程中所出現(xiàn)的最大降水流量，這很大程度上可反映基坑降水效率。無(wú)止水帷幕各工況最大降水流量對(duì)比曲線如圖6所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：同一土體滲透系數(shù)下，真空管井降水最大流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通管井降水最大流量，且隨著土體滲透系數(shù)的增大，最大降水流量也隨之增大，該規(guī)律對(duì)所設(shè)置工況的其余止水帷幕深度模型計(jì)算結(jié)果規(guī)律同樣適用。

圖6 0m止水帷幕降水最大流量對(duì)比

本文統(tǒng)計(jì)各工況降水過(guò)程中出現(xiàn)的最大降水流量，得到表2。

表2 最大降水流量對(duì)比

對(duì)表2中各工況最大降水流量對(duì)比分析可看出，真空管井降水最大流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通管井最大降水流量，是其1.6～50.0倍，且止水帷幕越深，土體滲透系數(shù)越小，這一差距體現(xiàn)得越明顯，此時(shí)真空管井降水優(yōu)勢(shì)越明顯。

3.3 達(dá)到穩(wěn)定水流量所需時(shí)間對(duì)比

本文對(duì)所設(shè)置工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算后，分析降水穩(wěn)定水位和水流量規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著降水施工的進(jìn)行，不論是壓力水頭(見(jiàn)圖3)還是降水井流量(見(jiàn)圖5)均會(huì)在一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定，達(dá)到這一穩(wěn)定狀態(tài)意味著降水與坑外補(bǔ)水已接近平衡，因此達(dá)到穩(wěn)定水流量所需時(shí)間也是在考慮降水效果時(shí)需關(guān)注的一個(gè)重要因素。本文認(rèn)為，當(dāng)降水流量變化率<3%時(shí)，降水流量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，處于較平緩區(qū)間。統(tǒng)計(jì)各工況真空管井降水和普通管井降水達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間，可以得到表3。

表3 達(dá)到穩(wěn)定水位時(shí)間對(duì)比

由表3可看出，隨著土體滲透系數(shù)增大，土體對(duì)水的傳導(dǎo)率也越大，降水更容易，所以達(dá)到穩(wěn)定水流量的時(shí)間也越短；對(duì)比同一土體滲透系數(shù)時(shí)，普通管井降水達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也短于真空管井降水所用時(shí)間，這是由于普通管井形成的地下水與管井間的壓差更小，其達(dá)到的穩(wěn)定水位更高，所以用時(shí)會(huì)更短。對(duì)比同一土體滲透系數(shù)，止水帷幕設(shè)置越深，使得達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)，且對(duì)真空管井降水影響越大。

3.4 施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)施工前，在相同含水地質(zhì)條件、相同井結(jié)構(gòu)、相同抽水時(shí)間條件下，分別對(duì)采用真空管井降水和普通管井降水的疏干抽水能力進(jìn)行了相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)。

兩種方式降水完成后，選取基坑中部和基坑底部距降水井2.5m和5.0m距離的8個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域采集2組土體樣本進(jìn)行含水率對(duì)比，數(shù)據(jù)為：原狀土為40.2%，普通管井降水后為30.0%，真空管井降水后為19.8%。

由此可見(jiàn)，真空管井降水的出水率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)降水?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果一致(見(jiàn)圖7)。

圖7 疏干抽水能力對(duì)比試驗(yàn)照片

4 結(jié)語(yǔ)

1)利用基于非飽和理論的仿真軟件Geo-SEEP/W完成基坑降水的數(shù)值模擬，以此對(duì)比基坑降水效果的嘗試可行，探索了降水施工數(shù)值模擬和方案比選新途徑。

2)對(duì)于不同土體材料，滲透系數(shù)對(duì)降水效果的影響極大。在滲透系數(shù)較小的地質(zhì)環(huán)境下，如淤泥或淤泥質(zhì)土，采用真空管井降水更高效。

3)設(shè)置止水帷幕可有效阻止或減緩坑外地下水流入，且對(duì)于止水帷幕越深的情況，真空管井降水優(yōu)勢(shì)越明顯。