臨近江河的基坑工程對堤防滲流穩(wěn)定的影響分析

孟祥東，劉迪，圣玉蘭

（1.武漢市城市防洪勘測設(shè)計院有限公司，湖北武漢430000；2.中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北武漢430000）

近年來，人們對濱水生態(tài)居住環(huán)境的向往日益高漲，政府部門加大了對臨江河地塊的開發(fā)力度，尤以長江中游城市武漢為代表的臨江房產(chǎn)項目逐漸增多。這些地塊一般位于堤防背水側(cè)管理范圍內(nèi)，項目的地下室深基坑工程建設(shè)期需要對堤內(nèi)覆蓋層進行大規(guī)模開挖，覆蓋層減薄后可能會形成滲透破壞，給堤防的滲流安全帶來不利影響。本文以武漢市在建臨江基坑工程為案例，根據(jù)基坑設(shè)計方案，結(jié)合項目所在堤段的水文、地質(zhì)勘察等資料，構(gòu)建平面二維有限元滲控計算模型，模擬深基坑在施工期和運行期對堤防滲流穩(wěn)定的影響，得出相應的分析結(jié)論，并提出具體的防治與補救措施，為保障防洪安全和堤防監(jiān)管提供幫助。

1 基坑工程概況

本項目位于漢口長江干堤背水側(cè)，地塊總凈用地22 820 m2，總建筑面積172 402 m2。高層及超高層住宅樓主體采用核心筒結(jié)構(gòu)，聯(lián)體附屬裙樓采用框架結(jié)構(gòu)，住宅樓地面以下為2層滿鋪地下室，地下室建筑面積約44 603 m2，深基坑開挖面積34 896 m2，開挖周長812 m，開挖深度10.2～13.4 m，基坑內(nèi)分布有坑中坑電梯井，坑中坑采用高壓旋噴樁封底。深基坑邊線距離堤防內(nèi)堤腳最近的距離為135.4 m?；庸こ膛c堤防的位置關(guān)系，如圖1所示。

圖1 基坑工程與堤防的位置關(guān)系

2 外部邊界條件

2.1 水位條件

《長江流域綜合利用規(guī)劃》中對長江中下游擬定的防御對象為1954年型洪水，并對各控制站的水位作了規(guī)定，根據(jù)漢口水文站水位推算得到本項目區(qū)設(shè)計洪水位為27.60 m（1985國家高程基準，下同）、10 a一遇施工期（11月—次年4月）水位為20.27 m。

2.2 地質(zhì)條件

場地地質(zhì)條件根據(jù)土層的成因時代、沉積特征及工程地質(zhì)性質(zhì)不同，自上而下劃分為5個單元層：第一單元層為填土層（Qml）；第二單元層為第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）黏性土層；第三單元層為第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）粉土、粉砂互層；第四單元層為第四系全新統(tǒng)沖積（Q4al）砂性土層；第五單元層為白堊-下第三系（K-E）泥質(zhì)粉砂巖。漢口沿江堤滲流計算參數(shù)，詳見表1。

表1 漢口沿江堤滲流計算參數(shù)

2.3 計算工況

（1）當外江水位達到20.27 m（P=10%施工期水位）時，基坑開挖斷面形成，穩(wěn)定滲流情況下，所選斷面能否滿足滲控計算要求。

（2）當外江水位達到設(shè)計洪水位27.60 m時，運行期基坑回填完成，形成穩(wěn)定滲流情況下，考慮新填土回填不密實，滲透系數(shù)取1×10-4cm/s，所選斷面能否滿足滲控計算要求。

3 模型平面二維有限元滲流分析

3.1 模型計算方法

滲流計算采用河海大學研制的Autobank水工結(jié)構(gòu)分析軟件，滲流計算方法采用平面有限元分析法。

堤防滲流場計算的基本假定如下：滲流場計算按平面穩(wěn)定滲流考慮；土層滲透性按各向同性考慮。

平面穩(wěn)定滲流問題的基本控制方程為：

式中：H為水位函數(shù)：Kx、Ky分別為x、y方向的滲透系數(shù)，本次土體的滲透系數(shù)按各向同性考慮，即Kx=Ky。

根據(jù)太沙基公式計算土體的臨界坡降：

式中：Gs為表層土的土粒比重；n為表層土的孔隙率。

容許坡降計算公式為：

式中：K為安全系數(shù)，對黏土可取1.5～2.0，對無黏性土可取2.0～2.5；其余變量含義同上。根據(jù)工程經(jīng)驗，新填土允許滲透坡降取0.30。

3.2 滲流穩(wěn)定計算成果

本次滲控分析選取垂直堤防方向，基坑距離堤防較近、開挖較深、地質(zhì)條件較差的剖面進行計算，計算斷面由項目區(qū)實測地形斷面及地質(zhì)斷面套繪而成。滲流計算成果詳見表2，如圖2—3所示。

表2 滲流計算成果

圖2 滲流計算成果（工況1）

圖3 滲流計算成果（工況2）

3.3 模型成果分析

模型計算成果表明，基坑工程對堤防滲流穩(wěn)定的影響與土層性質(zhì)、基坑至堤防的距離、開挖深度、外江水位有密切的關(guān)系。

基坑開挖完成，施工期遭遇外江水位20.27 m時，基坑內(nèi)水位位于基坑底面時為最不利計算工況。此時，電梯井坑中坑滲透坡降為0.831，由于坑中坑采用高壓旋噴樁封底，計算值小于高壓旋噴樁允許滲透坡降，此處滿足滲流穩(wěn)定要求。但地下室基坑最大滲透坡降達0.652，遠大于粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土互層允許滲透坡降0.20，此時將會發(fā)生接觸面的滲透破壞。

工程完建后運行期，當外江水位達到設(shè)計洪水位27.60 m時，堤內(nèi)覆蓋層最大滲透坡降為0.102，位于內(nèi)堤腳，小于其允許滲透坡降值0.30，滿足滲流穩(wěn)定要求。

4 結(jié)論

（1）由于本地下室基坑開挖底面已進入粉質(zhì)黏土層，局部揭露粉砂粉土粉質(zhì)黏土互層，基坑底部覆蓋層較薄，局部透水性較強，易產(chǎn)生坑底滲流破壞引發(fā)基坑失穩(wěn)，進而影響堤防安全，因此需要采取控制地下水位的措施，必要時應對基坑止水帷幕進行落底。

（2）工程建成后地下室外墻與基坑支護體之間的肥槽可能會形成滲流通道，特別是在汛期高水位時會對堤防安全造成威脅。因此，在基坑回填時，應嚴格按照堤防回填土的要求進行。

（3）應做好堤防的安全監(jiān)測，包括日常的巡查和變形觀測，掌握堤防安全狀況，降低因工程建設(shè)對堤防安全造成的不利影響。