止水帷幕对深基坑降水效果影响数值模拟

2015-07-27张玲秋邹平县住房保障和房产管理局山东邹平5600山东省海河流域水利管理局济南5000山东大学土建与水利学院济南5006

山东工业技术 2015年6期

张玲秋,程　森,张　柳（.邹平县住房保障和房产管理局,山东邹平5600；.山东省海河流域水利管理局,济南5000；.山东大学土建与水利学院,济南5006）

止水帷幕对深基坑降水效果影响数值模拟

张玲秋1,程森2,张柳3
（1.邹平县住房保障和房产管理局,山东邹平256200；2.山东省海河流域水利管理局,济南250100；3.山东大学土建与水利学院,济南250061）

在地下水丰富的地区开展深基坑工程，需要采用止水帷幕来降低降水对周围环境的影响。通过对深基坑降水工程中无止水帷幕及插入不同深度止水帷幕共6种工况进行数值模拟，得到不同工况下的孔隙水压力云图，以此分析止水帷幕对降水效果的影响；同时分析止水帷幕对基坑涌水量的影响。

深基坑；降水；止水帷幕；基坑涌水量；数值模拟

1引言

在基坑进行开挖支护之前，需要将地下水位降低到基坑坑底标高以下，从而保证整个开挖面的干燥状态，保证基坑安全。但是由于地下水的渗流连续性，基坑内部地下水位的降低势必会引起基坑外侧的水位下降，从而造成基坑外侧地面沉降，对周边的建筑物产生不利影响。因此在深基坑降水工程中常需要采用止水帷幕。常见的止水帷幕有高压旋喷桩、深层搅拌桩及地下连续墙止水帷幕等，一般设置在基坑侧壁外侧。止水帷幕根据其是否插入隔水层又可以分为悬挂式止水帷幕和落地式止水帷幕。随着计算机技术的迅速发展，国内学者对深基坑降水的数值模拟分析日趋成熟，并取得显著的成果。本文将采用abaqus有限元软件着重分析采用潜水非完整井降水时止水帷幕对深基坑降水效果的影响。

2帷幕的止水作用研究

2.1工程概况

模拟基坑大小为90m×50m，假设地面标高为0，初始水位-3m，-3m～-30m为潜水层，-30m～-32m为隔水层。止水帷幕厚300mm，绕基坑一圈成封闭型态。降水井和疏干井深18m，井管直径500mm，成孔700mm，共计16个降水井、8个疏干井，井的平面布置如图1。

2.2模型概况

相对于降水井的尺寸，整个基坑的计算模型过大。若以整个基坑进行计算分析，必然会由于网格数过多而使计算时间过长。考虑到基坑及降水井布置的对称性，数值模拟时可仅取基坑的四分之一部分。根据经验降水的影响范围大致为100m～180m，本模型帷幕外侧范围取200m，计算深度为32m。模型总长250m，宽230m，深32m；基坑部分长45m，宽25m。网格采用具有孔压自由度的8节点六面体单元(C3D8P)，单元全局尺寸为3m，共划分为72509个单元、80946个节点。计算模型如图2。

2.3边界条件

不考虑土体的变形，故约束模型所有方向的位移及转角自由度。假定基坑外侧200m开外水位不受降水影响，将边界1、边界2设为定水头边界；假定降水井、疏干井自由出水，固定孔压为0；其余边界为不透水边界。

2.4计算结果分析

计算模型共考虑了六种工况，分别是无止水帷幕(工况1)及止水帷幕深18m(工况2)、21m(工况3)、24m(工况4)、27m(工况5)、30m(工况6)，计算总时长60天。图3为六种工况下降水60天之后的孔压云图。

工况2、3、4、5为悬挂式止水帷幕，工况6为落地式止水帷幕，各工况下基坑内外水位及降水影响范围（取水位降深1m的范围）如表1所示。

表1　各工况降水效果

由图3及表1可见，无止水帷幕时降水效果差，影响范围大，降水漏斗曲线连续；存在止水帷幕时，由于帷幕的“隔断”作用，降水漏斗曲线在帷幕两侧不连续、发生突变，帷幕两侧产生水头差；增加止水帷幕的深度，可以延长渗径，提高止水帷幕对基坑内的降水效果和帷幕外侧的止水效果；采用悬挂式止水帷幕并不能显著控制远处地下水位的下降，其地下水位的影响范围为138m～154m，相比无止水帷幕时仅减少4.3%～14.3%；落地式止水帷幕由于深入到隔水层，完全封堵了基坑与周边的水力联系，降水和止水效果显著。各工况降水60天后的单井出水量如表2所示。

表2各工况单井出水量

由上表可见：采用止水帷幕能明显降低基坑涌水量；同一工况降水井及疏干井的单井出水量相差不大；增加止水帷幕的深度能较明显地减少出水量；当止水帷幕深入隔水层时，基坑内外水力联系被完全阻隔，单井出水量大大减少，此时可以适当地减少降水井和疏干井的数量。当采用悬挂式止水帷幕时，由于止水帷幕未深入到隔水层，基坑内、外的地下水仍有水力联系，将对基坑周边环境造成不同程度的影响。