悬挂止水帷幕插入深度对地下水渗流场的影响分析

田力 李方明

摘 要：本文采用有限差分数值法对悬挂式止水帷幕的插入深度、增加回灌井对坑外渗流场的的影响进行了数值模拟，为今后类似工程的降水设计提供了有益的参考。

关键词：悬挂止水帷幕；地下水；渗流场

0 引言

悬挂式止水帷幕增加了地下水绕流路径，减小了坑外地下水位，但造成的坑外地表沉降量仍不可忽视，因此有必要研究悬挂式止水帷幕插入深度对地下水渗流场的影响。本文以某地铁车站深基坑降水工程为背景，根据坑内外水位降深要求，综合考虑基坑深度、工程地质、水文地质和周边环境等因素，建立不同插入深度下，坑内降水及坑外设回灌井的三维渗流模型，通过数值模拟计算结果，探讨了悬挂式止水帷幕不同插入深度下渗流场的变化，为今后类似工程的降水设计提供了有益的参考。

1 工程概况

车站深基坑平面形状呈L形，车站主体结构长172.3m，标准段宽24.0m，开挖面积4996.0m2，开挖深度h=20.0m，嵌固深度hd=26.0，各土层参数见表1。根据地下水赋存条件，本车站地下水类型主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。松散岩类孔隙水为本车站内主要地下水类型，根据其埋藏条件和水力性质，又分为孔隙潜水及微承压水。本车站基坑采用地下连续墙加内支撑作为支护结构，地下连续墙兼作悬挂式止水帷幕，坑内设管井降水，坑外设水位观测井兼作应急回灌井。

表2基坑土层参数列表

序号 层号 名称 层厚（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 粉细砂 10 518.0 51.8

4 ②-4d3-2 粉细砂 16 664.0 66.4

5 ②-5d2-1 粉细砂 17 628.0 62.8

6 ④-4e 粗砂、圆砾 11 3000.0 300.0

2 有限差分方程

多孔介质承压、非承压或者承压与非承压结合的非稳定渗流场三维数学模型基于以下方程[1，2]：

式中： 、 、 为沿x、y、z坐标轴方向的水力传导率（LT-1），h是水头（L），W是在非平衡状态下通过均质、各向同性土层介质单位体积的流量，表示地下水的源和汇（T-1），Ss表示多孔介质的比贮水系数（L-1），t为时间（T）。

3 基坑降水渗流模型建立

根据场地的工程地质与水文地质条件，根据勘察报告，降水影响半径选取为110m。管井出水能力约60.0m3/d，坑内均匀布置26口降水管井，坑外每隔20m布设一口回灌井，共布设24口回灌井，地下连续墙厚1.0m，渗透系数k=1.0e-10cm/s。为消除计算过程中地下水边界效应产生的影响，取基坑渗流模型平面计算范围为基坑周边向外延伸110.0m。整个模型平面计算尺寸为393×280m2（173×60），在竖直方向上，以地面以下60.0m深度为界，设降水影响半径范围以外为定水头边界。在模型划分网格时，在基坑范围内设置较为细致的离散网格，整个模型划分为6层，283行，170列，共60910个离散单元。

4 基坑降水数值计算结果分析

图1 地连墙hd=12m时水位等值线图

图2 地连墙hd=28m时水位等值线图

图3 地連墙hd=28m坑外设回灌井时水位等值线图

图1和图2为地连墙不同嵌固深度下坑外地下水位等值线图，图3为坑外设回灌井时地下水位等值线图。从图1～图2中可以看出，随着止水帷幕深度增加，坑外地下水位降深有减小的趋势，但效果不是很明显，当地连墙嵌固深度Hd=12.0m时，坑外最大水位降深5.0m，当地连墙嵌固深度Hd=28.0m时，坑外最大水位降深3.0m，由此可见，仅仅靠增大止水帷幕插入深度来减缓坑外水位降深是很不经济的。从图2和图3可以看出，设置回灌井对抑制坑外水位降深有一定的减缓作用，但其延缓作用也非常有限，坑外水位降深仅仅提高0.5m以上。

本文通过对不同帷幕插入深度时坑外地下水水位变化的对比分析，表明悬挂式帷幕可以减少坑外地下水位下降，但地下水位仍有较大幅度降低，降水对周边环境影响不可忽略。仅仅靠增大止水帷幕插入深度来减缓坑外水位降深是很不经济的，并不能完全消除降水对周边环境带来的影响。应根据基坑稳定性和周边环境的重要性确定合理的嵌固深度，并根据周边构筑物的重要性确定是否采取回灌和加固措施。

参考文献

[1] 刘国彬， 王卫东. 基坑工程手册[M] . 北京： 中国建筑工业出版社， 2009.

[2] 姚天强，石振华，曹惠宾。基坑降水手册[M]，北京，中国建筑工业出版社出版社。2006.