某水电站厂房基坑排水井抽排效果三维有限元渗流分析

2015-12-21吴玉龙孙成祥张建海黄志刚

水利与建筑工程学报 2015年5期

关键词：坡脚防渗墙渗流

吴玉龙，孙成祥，张建海，李莉，黄志刚

(1.四川大学水利水电学院水力学及山区河流开发与保护国家重点实验室，四川成都610065;2.四川省清源工程咨询有限公司，四川成都610072)

基坑防渗排水是水利水电工程中的施工难点[1－3]。目前在施工设计中，由于没有统一的设计方法，设计人员大都采用经验公式计算基坑渗水量，而采用不同的方法计算，有时结果相差几十倍[4－7]。

数值模拟是目前较为有效的方法。陶明星等[8]根据渗流场与温度场具有相同控制方程的特点，采用ANSYS软件的温度场模拟基坑工程的渗流场，分析了地下防渗墙嵌固深度对基坑渗流量和渗透力的影响，比较准确的解决了防渗墙控制基坑渗流的问题。

相比防渗墙措施，排水井的模拟难度更大。原因主要是:(1)排水井是间断分布的_，而防渗墙是连续分布的，排水井三维建模难度和工作量巨大;(2)模拟防渗墙只需要改变渗透系数即可，而模拟排水井还要在井底施加流量边界[9－12]。

纪佑军等[13]对排水井进行基坑降水有限元数值模拟时，虽然在排水井底部施加了抽排速度边界条件，但他们采用的是二维有限元方法进行计算，不能模拟三维排水井的实际情况。朱明霞等[14]对间距较小的井点采用以槽代井法处理，但对花管段的节点按出渗零压力边界条件简化处理，没有模拟排水井的抽排作用。

鉴于上述问题，本文对某深基坑排水井进行三维有限元数值模拟时，对排水井的建模采用以槽代井模型，同时在井底施加流量边界条件，在模型上更接近实际情况。

1 工程概况

如图1所示，某水电站为引水式电站，设计引用流量140 m3/s，安装3台70 MW和1台34 MW水轮发电机组，总容量为244 MW。电站厂房位于山前洪积扇下部，地势总体由 NW—ES倾斜，厂房地面高程1 540 m～1 555 m，建基面高程为1 484.25 m，厂区大面高程1 506.05 m。如图2所示，基坑地层由上至下为第四系上更新统冲洪积(Q31(al+pl))砂卵砾石层和下部埋深41 m～55 m第四系下—中更新统冰水堆积(Q1－2gl)半胶结砾岩。地下水埋深32 m～35 m，高程1 511 m～1 515 m。地下水位高于厂房建基面，在厂房下部开挖及混凝土浇筑过程中，应进行降排水，本工程拟采用排水井方式进行厂房基坑施工期排水。

图1 厂房基坑平面图及计算范围

图2 厂房基坑纵剖面图(桩号0+000剖面)

2 某水电站厂房基坑排水井抽排效果三维有限元渗流计算及分析

本文对采用排水井方式进行厂房基坑施工期排水的几种计算工况进行了三维有限元渗流计算及分析。计算软件采用四川大学水利水电学院岩土教研室研制开发的数值分析软件NASGEWIN(计算机软件著作权登记号:2009SR027603)[15－16]。

2.1 排水井三维简化计算模型

基坑周边布置一圈排水井如图3(a)，本次三维渗流场有限元模型建模时，对排水井采用了图3(b)的简化计算模型:将间断布置的排水井视为连续的排水槽。排水井井槽壁厚为t1，排水井井槽内部宽度为t2。在深度方向上，如图4所示，一根排水井由封闭井筒段和花管段构成。简化模型中，井槽底部取至井底水位高程1 469.55 m，且在井槽底部施加已知流速Vy的流量边界。通过变化井槽流量边界上不同抽水速度Vy(详见表1)，即可模拟排水井的排水效果。

图3 排水井简化模型平面图

图4 排水井简化模型立面图

2.2 计算范围

本次三维渗流场计算范围如下(详见图1):X方向由上游指向下游，以机组中心线为界上下游各取250 m，即X方向共截取500 m;Y方向铅直向上，从1 450 m高程取至地表;Z方向从左岸指向右岸，左右对称各取180 m，即Z方向共截取360 m，本次计算将渗流区沿Z方向共分为38个剖面。

2.3 三维计算模型

三维建模时根据地质剖面，严格模拟岩层界面、地形、地下水位线等地质特征，对间断分布的排水井进行了概化模拟，均化为井壁厚度t1=10 cm，井槽内宽t2=20 cm的薄层排水单元，排水槽周长为464.08 m，排水槽底部排水面积 A=92.82 m2。排水总流量Q=A×Vy。

图5所示为整体三维有限元网格模型，图6所示为排水井三维有限元网格模型。岩体均采用三维8节点6面体等参实体元及其退化单元模拟。模型共计离散为53 801个节点和49 354个单元。

图5 厂房基坑三维网格图

2.4 计算工况及边界条件

根据上述计算模型，三维渗流场计算边界条件可简化为:(1)依据各剖面的地基开挖边坡以外地下水位线，确定基坑上下游地下水位线上节点渗压为零，故把地下水位线上节点水头等于其高程作为水头边界条件。(2)在排水井井底处根据工况的不同施加如表1所示不同的流量边界条件。

图6 排水井单元三维网格图

表1 基坑渗水量计算工况

2.5 计算参数的选取

根据地质和实验报告，渗透系数和允许比降参数取值如下:冰水堆积(Q1－2gl)半胶结砾岩渗透系数 K1=350.0 Lu，允许比降为 0.3;厂房冲洪积(Q31(al+pl))砂卵砾石渗透系数 K2=700.0 Lu，允许比降0.25;排水井井槽内侧渗透系数 K3=8 000.0 Lu;排水井井壁渗透系数 K4=0.001 Lu。

2.6 计算结果及讨论

如图7所示，计算工况S1由于基坑内无防渗和排水措施，地下水水头分布平滑，渗压随高程降低而增大;基坑底高程较低的剖面上，基坑底面和边坡上均存在渗压，处于浸润区，地下水将向基坑产生明显渗水;基坑底高程较高的剖面上，基坑底面处于干燥区，但是边坡上存在渗压，处于浸润区，地下水将通过边坡向基坑产生渗水。

如图8所示，计算工况S2～S6受到排水井的抽排作用，地下水水头在排水井两侧明显折减，基坑内渗压降低;随着排水井排水量逐渐加大，基坑内自由面逐渐下降，基坑底面和基坑边坡上的浸润区也逐渐减小，地下水向基坑渗水量显著减小。特别在计算工况S6下，基坑底面浸润区完全消失，基坑内浸润线呈现四周低，中部上鼓的特点，浸润线顶部距基坑底部 2.15 m。

图7 计算工况S1渗压、水头等值线图(桩号0+000剖面)

图8 计算工况S6渗压、水头等值线图(桩号0+000剖面)

由表2可见，基坑涌水量随着排水井抽排流量的增大而减小。当排水井的抽排总流量为64143.36 m3/d，只有基坑边坡向基坑涌水，基坑总的涌水量减小为8.68 m3/d，排水井抽排量和基坑总的涌水量均较为合理，符合工程可操作性。

表2 各种方案基坑涌水量单位:m3/d

由表3可见，计算工况S1上游坡脚渗透比降极值可达1.19，数倍于允许比降0.25;下游坡脚渗透比降极值可达0.50，也大于允许比降0.25。由于排水井的抽排作用，工况S2～S6上游坡脚渗透比降极值降至0.46，接近允许比降0.25;下游坡脚渗透比降极值下降为0.24，小于允许比降0.25。因此在设置排水井之外，需要对上游坡脚进行护坡，防止产生渗透破坏。