深厚覆盖层住宅工程渗控有限元分析

郁舒阳 张胜伟 杨兆兵 张继勋

(1. 河海大学 水利水电学院， 南京 210098； 2.日照市海洋与渔业研究所， 山东 日照 276800； 3. 济宁市任城区水务局，山东 济宁 272000)

在深厚覆盖层上建设水利水电工程，由于其特殊性，存在着渗透稳定，渗漏损失[1]等因素，导致了施工难度大，造价高[2]等问题的出现．对于深厚覆盖层的渗流控制技术，国内外现有研究成果有很多，相对比较成熟：张继勋等[3]研究了厚覆盖层上闸基防渗墙深度和止水片作用对渗控效果的影响，并进行了敏感性分析；黄梅琼[4]等对二元结构地基进行了不同水平防渗长度与垂直防渗墙深度的二维数值模拟；王正成等[2]讨论了弱透水层下的垂直防渗墙长度对渗控效果的影响．相对于深厚覆盖层下的水利水电工程建设，建设住宅工程中的基础渗控工程与其相似，但也有不同之处：大型水电工程渗控措施效果的评价指标较多，比如坡降，渗流量等，主要研究渗透破坏与渗透稳定问题，而住宅工程的渗控措施主要是为了解决由于河道整治等原因导致的地下水位上升，从而导致的已建小区地下室渗水的问题；由于住宅工程的基础渗控工程位于河网交汇区，平面布置相对较广，垂直防渗措施不仅需要研究深度的影响，还需要研究平面布置范围的影响；水平防渗需要研究顺河道的布置长度；排水措施由于以降低地下水位为目的，一般设置在上游处，而非传统的“前堵后排”的模式．而前人对于建筑住宅工程的基础渗控研究较少，相关的研究成果未见报道．鉴于此，有必要对建设住宅工程下的基础渗控措施进行研究讨论，并结合经济性给出相应的优化方案．本文以位于深厚覆盖层上的河网交汇区某住宅工程建筑群的地下室渗水问题为例，针对防渗结构的深度及延伸范围的不同，建立三维有限元模型，以地下水位降深为主要评价指标，分析比较垂直防渗，水平防渗和排水3个方案的渗控效果，选择合理的优化方案．

1 工程概况

本工程为一新建项目二期工程，拟建于一期工程的西侧，北邻灌溉河道，南邻原有天然河道，工程区平面布置图如图1所示．钻孔揭露地层岩性主要为：上部素填土、杂填土，下部为薄层粉土、中砂、砾砂、厚层圆砾．工程典型地质剖面图如图2所示．

图1 工程典型地质剖面图

图2 工程区平面布置图

在北侧灌溉渠道治理前，本场区稳定水位埋深为0.0～6.9 m，水位标高为46.09～47.45 m，类型为孔隙潜水，主要赋存于素填土和圆砾层之中，补给来源以大气降水、地下径流为主，向南侧原天然河道排泄，原灌溉河道水位为47.5～48 m．该小区在开发过程中，由于北侧的灌溉河道在小区建成后进行了河道整治，在下游侧设置了橡胶坝，河道上游水位大幅度上升，进而整个小区地下水位上升，特别是农田灌溉期间、雨季河水流量加大时，河水水面可能还会略有升高．目前，北侧灌溉河道内水面标高一直保持在50.5～51.0 m之间，比治理前升高3m左右．而小区初设的整平高程为50 m左右，地下庭院的高程更低，最低处为47 m．从而造成新建小区的地下室被水浸没，给居民的生活带来了极大的不便，如何综合考虑地质地形条件，渗控方式以及施工工程量[5-6]来控制小区地下水位低于地下室地坪高程(46.5 m)就成了解决问题的关键．

2 工程区渗流场分析

2.1 渗流有限元基本理论

根据变分原理，三维饱和渗流有限元控制方程张量形式为：

(1)

式中，Ss为单位贮存量，可以表示为ρg(α+nβ)，ρ为水的密度，g为重力加速度，α为土体的体积压缩系数，β为水的体积压缩系数，n为孔隙率；h为总水头，kij为饱和渗透系数张量；Q为源汇项．

2.2 渗控方案的拟定

防渗和排渗是工程中降低地下水位的重要措施[7]，一般采取延长渗流路径、隔断渗流通道、布置反滤层和排水等，其中延长渗流路径是为了降低渗透比降和流速；排渗可以导泄渗流，减小渗透压力，常用的主要措施有垂直防渗，水平防渗和设置排水．本文根据水利工程已有经验，参照水工建筑物中土石坝及堤防防渗加固的相关内容[8]，拟采用垂直防渗，水平防渗和排水三种方案，分别建立三维有限元模型．垂直防渗方案主要考虑到上下游、左右岸的水流补给和排泄条件，从而确定渗控措施的平面范围，拟在灌溉河道一侧居民区边界设置垂直防渗墙，防渗墙采用混凝土结构，防渗墙厚度方向尺寸取0.4 m，深度方向分别取10 m、20 m、30 m、40 m、50 m这5种方案，延伸范围分别取二期工程上游边线长度、二期工程上游边线向上下游延伸100 m、二期工程上游边线向上下游延伸200 m；水平防渗在灌溉河道底部设置护底，在坡面上设置护面，护底布置在整个河底，护面覆盖河道两侧的坡面，护面和护底采用土工膜上覆保护层的方式，范围采取二期工程上游边线长度、二期工程上游边线向上下游延伸100 m、二期工程上游边线向上下游延伸200 m进行计算分析；排渗方案在大堤背水侧开挖一条排水沟，范围覆盖二期工程上游边线，排水沟宽2 m，底高程开挖至46 m高程．具体方案见表1，方案平面布置如图3所示．

表1 渗控方案

注：A，B，C分别代表垂直防渗，水平防渗和排水方案；A，B，C的第一个下标1～3对应于上游边线长度、二期工程上游边线向上下游延伸100 m、二期工程上游边线向上下游延伸200 m的延伸范围；第二个下标1～5对应于垂直防渗墙10～50 m的方案．

图3 渗控方案平面布置图

3 计算模型及计算参数

3.1 模型计算范围

三维模型采用笛卡尔坐标系OXYZ，X方向范围从天然河道至灌溉河道，Y向从高程0.00到地表面，Z方向沿着灌溉河道延伸至上游．为保证计算的误差在工程分析允许范围内，上游取至天然河道和灌溉河道的交叉口，左右分别至灌溉河道河床中间和天然河道岸坡，下游取至二期工程以外400 m处，模型底边界取至高程0.00，具体范围如图1黑线范围所示．

3.2 边界条件和材料参数

根据相关勘测单位的勘测资料，不同区域的材料物理力学参数见表2．

表2 材料参数

模型的边界条件为：模型上、下游为定水头边界，分别为51 m和46 m，模型底部为不透水边界，模型表面、两侧河道水位以上、模型下游边界等为自由出流边界．

3.3 模型网格划分

三维模型采用8节点六面体单元，整个模型总数为33 312个单元，37 496个节点，三维整体模型如图4所示．

图4 三维整体模型模型网格图

4 渗流成果分析

4.1 垂直防渗方案

垂直防渗方案A1至方案A3分别对应于表1的延伸范围，深度方向从10 m取至50 m(打到基岩)，得到垂直防渗墙墙后地下水位线高程与防渗墙长度的关系，如图5所示．

图5 垂直防渗墙墙后地下水位线高程与防渗墙长度变化曲线

从图5可以看出，随着防渗墙深度的增加，垂直防渗墙墙后水位高程逐渐降低，地下水位渗出地表的面积范围越来越小，如图6所示．当防渗墙深度打到不透水基岩时，垂直防渗墙墙后水位线高程存在一个“突变”，这与文献[4]的结论相吻合．同时，随着垂直防渗墙的平面布置范围的加大，水位线也有一定的降低，但是降低的幅度不大．要想达到预期的效果(防渗墙墙后水位线46.5 m)，只有将防渗墙打到不透水基岩(防渗墙长度50 m)，并且向上下游分别延伸100 m范围．图6给出了方案A13垂直防渗墙30 m的流场分布图．

图6 垂直防渗方案A13垂直防渗墙30 m流场分布图

4.2 水平防渗方案

水平防渗方案采用土工膜上覆保护层覆盖整个河底和河坡的方式，经计算后得到水平防渗结构后的地下水位线高程与水平防渗的延伸范围关系，如图7所示．

图7 水平防渗结构后的地下水位线高程与水平防渗的延伸范围关系

从图7可以看出：水平防渗方案能够将地下水位线降低到预定的高程，这是由于水平防渗方案极大的阻断了垂直于河床的渗流通道，只有少部分以绕渗的形式通过，绕渗量为0.23 m3/h/m，并且，随着水平防渗的延伸范围的加大，水平防渗结构后的水位高程逐渐降低，降低幅度不大，从方案B1(46.12 m)到方案B3(45.64 m)只降低了1.04%．由此可以看出，包含二期工程上游边线长度范围的水平防渗方案可以满足工程的要求．水平防渗方案B1的流场分布图如图8所示．

图8 水平防渗方案B1流场分布图

4.3 排水方案

排水方案采用在大堤背水侧开挖排水沟的方案，沟底高程为为46.0 m，沟宽2 m，得到排水方案的流场分布图如图9所示，排水沟后的地下水位线高程为46.32 m，低于预期标准46.5 m，可以满足要求，但是渗漏量巨大，经计算为3.12 m3/(h·m-1)，全段渗漏每天将超过12万m3，需要设置较强的抽排系统．

图9 排水方案流场分布图

4.4 工程造价评估

本文中工程造价评估参照当地某除险加固工程概算指标，采用工程类比法进行．

1)水平防渗方案：按照铺筑长度为1 000 m，铺筑面积为1 000 m×50 m进行计算，铺筑层厚度为0.3 m，单价为300元/m3，所以水平防渗总成本预估为450万元左右．

2)垂直防渗：由于深度较大，一般的旋喷、垂直铺塑等方案很难实施，便于施工的垂直防渗措施是防渗墙，目前暂时按照55 m深度计算该防渗墙的工程费用．本工程拟采用墙厚40 cm即可满足工程需要，本次计算主要考虑人工费、材料费、机械台班费，具体粗略估算如下：人工费100元/m2；冲击钻孔费用350元/m2；浇筑材料费用250元/m2．因此按防渗墙深55 m，长度1 000 m计算，总费用为3 850万元．

3)排水方案：本次计算需要考虑开挖排水沟费用，购买抽排水泵的费用以及水泵日常运行的费用．

按照200元/m3土的方量来计算，总费用约为360万元；按照抽水水泵3 000元一台，整个排水沟配备60台计算，设备总费用为18万元；按照1台水泵一天运行费100元计算，使用期限为1年，运行成本为290万元．因此按照排水沟方案，总费用为668万元．所以综合渗控效果与成本分析，本问题中选择水平防渗方案作为解决方案是合理的．

5 结 论

本文针对防渗结构的深度以及延伸范围的不同，采用三维有限元计算模型，对深厚覆盖层河网交汇区建筑群地下室渗水原因进行了分析，提出了比较方案并进行了优化，主要结论如下：

1)垂直防渗方案地下水位高程随着防渗墙长度增加而减小，当防渗墙深度为50 m(打到不透水基岩处)时，存在一个“突变”；延伸长度对地下水位降深有一定影响，但影响不大；只有将垂直防渗墙深度打到50 m以上(不透水基岩处)，并向上下游延伸100 m才能控制地下水位到预定高程(46.5 m)，但经济性差，总成本预估为3 850万元．

2)排水措施能够控制地下水位至46.32 m，小于预定高程(46.5 m)但是渗漏量较大，每天超过12万m3，需设置较强的抽排系统，经济性一般，总成本预估为668万元．

3)水平防渗方案相对有效，平面范围只需要包含二期工程上游边线长度地下水位高程就降落至46.12 m，小于预定高程(46.5 m)；平面范围的加大对地下水位降深效果不大，降幅仅为1.04%；水平防渗方案经济性较好，总成本预估为450万元．

4)在深厚覆盖层河网交汇地区建设住宅工程，必须实施基础渗控工程，以降低辖区内地下水位，保护居民的生命和财产安全，同时根据地形地质条件，结合经济性选择合理的渗控措施．

[1] 沈振中，邱莉婷，周华雷．深厚覆盖层上土石坝防渗技术研究进展[J]．水利水电科技进展，2015，35(5)：27-35．

[2] 王正成，毛海涛，姜海波，等．深厚覆盖层弱透水层对防渗墙防渗效果的影响[J]．人民黄河，2017，39(2)：112-115．

[3] 张继勋，任旭华，王海军．厚覆盖层上闸基渗流分析与基础处理措施研究[J]．三峡大学学报(自然科学版)，2009，31(6)：19-23．

[4] 黄梅琼，柴军瑞，白 勇，等．深覆盖层地基防渗措施对渗流场影响数值分析[J]．长江科学院院报，2009，26(10)：126-128．

[5] 石 裕，马永锋．某深厚透水性地层基坑渗控方案研究[J]．人民长江，2010，41(16)：77-80．

[6] 李琛亮，沈振中，张 华．乌塔沟分洪道试验段堤防渗流场分析与渗控研究[J]．水电能源科学，2009，18(5)：55-57．

[7] 刘 杰，谢定松．我国土石坝渗流控制理论发展现状[J]．岩土工程学报，2011，33(5)：714-718．

[8] 陆付民．堤防防渗加固方法研究[J]．水电科技进展，2004，26(9)：7-8．