基于GMS软件的基坑降水数值模拟*

欧孝夺 全守岳 李 胜 江 杰 黄颂扬

(1.广西大学土木建筑工程学院，530004,南宁；2.广西大学工程防灾与结构安全重点实验室， 530004,南宁；3.广西桂泰耕源投资有限公司，530000,南宁//第一作者,教授)

南宁盆地地势平坦，土地辽阔，承压含水层较厚，承压水主要赋存于砂卵砾石层；地下水位高、渗透性强、含水量丰富的特点构成了南宁典型的二元结构[1]。由于实际水文地质条件和周边边界条件相对复杂，具有显著的三维特征，地下渗流场难以准确判断。在基坑降水设计时，为了得到地下渗流场的信息,常对实际水文条件做很多简化，导致计算结果和现场施工存在很大出入，难以满足基坑降水的要求[2]。

本文根据现场降水试验数据，采用有限差分软件GMS建立适合南宁盆地基坑降水设计的三维数值模型，以解决在南宁特殊水文地质条件下具有复杂边界条件的基坑降水设计问题。

1 工程背景

本项研究以南宁轨道交通1号线广西大学站工程为背景。车站周边主要建筑物及附属结构工程分布如图1所示。

图1 车站出入口及周边主要建筑物分布图

广西大学站施工方法为明挖法，主体基坑支护方式为地下连续墙加内支撑支护结构；车站出入口等附属工程基坑采用埋深约9.0 m的钻孔灌注桩支护，且桩间钢筋网片喷射200 mm厚混凝土。

1.1 场地地层分布

地层从上往下分为6层，第①层为人工填土；第②层为红黏土，可塑；第③层为粉土，分布区域土层较薄，极易发生管涌、流沙；第④层为中压缩性土，根据渗透系数和颗粒大小分为4个亚层；第⑤层为强透水承压含水层，渗透系数较大；第⑥层土渗透系数小，但承载力高。地层具体参数如表1所示。

表1 场地地层分布

1.2 水文地质特征

场地地下水分为上层潜水和承压水两种类型。上层潜水主要分布在人工填土第①层中，主要由大气降雨和地表水补给，厚度在0.8～4.0 m不等。承压水层主要分布在第⑤层圆砾层中，承压水头高约3.0～6.0 m，承压水位埋深在4.4～8.4 m，地下水位在结构底板上2.0～4.6 m范围内。

2 降水试验

2.1 试验方案

本次降水试验场地选在位于广西大学站中部的Ⅲ号出入口基坑。此基坑主体部分采用地下连续墙支护结构，连续墙深入到含水层以下，形成人工隔水边界;出入口基坑部分采用埋深约9.0 m的钻孔灌注桩形式，由于部分钻孔桩并未深入或穿透含水层，故基坑内外地下水持续相通，无法形成有效的隔水边界，地下水呈三维流态。本次试验拟定采用在坑外布设一定数量的降水井进行降水的方案，降水井设计埋深20 m。同时，为防止降水导致周边地表沉降严重引起房屋开裂，在建筑周围布置回灌井，降水井与回灌井同时工作。降水过程与基坑开挖同时开始，主体结构竣工后基坑回填则降水结束。这一过程历时90 d以上。降水过程中，粉细砂在水力作用下会被带走，从而造成地面塌陷，给施工带来安全隐患。因此,在圆砾层中设置高8 m的过滤器以消除此隐患。车站出入口基坑降水井示意图如图2所示。

图2 车站出入口基坑降水井示意图

采用干扰降水方法，在车站出入口基坑附近做试验。基坑中布置4个降水井(J1～J4)和6个观测井(G1～G6)。各井位置如图3所示。试验期间，J1～J4同时降水，并实时监测记录各井的水位变化情况。水位观测工具为毫安式水位测量计，精确度为1 mm；流量观测工具为三角堰箱，精确度为0.01 m3。同时，为实时监测周边建(构)筑物和地表的沉降，在降水井附近布置监测点(如图4)。

图3 基坑降水试验的井平面布置示意图

2.2 降水试验结果

选取部分监测数据绘制各井水位曲线(如图5和图6)。由图5可知：降水井J1～J4水位降深在0～4 000 min时段持续下降，4 000 min后逐渐稳定，在12 000～16 000 min时间段内出现最大降深;J1和J2的最大降深分别为5.7 m、5.5 m，J3和J4的最大降深分别为4.5 m、4.0 m。J3、J4相对J1、J2更远离地下连续墙，可见,地下连续墙对基坑涌水量产生影响，影响规律为距地下连续墙越远,涌水量越大，水位降深越小。根据实测降深数据及孔径计算可得：离地下连续墙较近处的降水井J1、J2涌水量相近，为720 m3/d;离地下连续墙较远处的J3、J4降水井涌水量为960 m3/d。

图4 周边建筑及地表沉降监测布置平面示意图

图5 基坑降水试验降水井水位变化曲线

图6 基坑降水试验观测井水位变化曲线

由图6可知：观测井G1～G6水位降深在初始时段持续下降，4 000 min后曲线坡度变缓，水位降深逐渐稳定;观测井G2达到最大水位降深，降深为4.2 m，满足基坑内水位降深的要求;G1、G2、G3比G4、G5、G6距降水井较近，水位降深较大。同时，在G1、G2、G3中，G1、G2相对G3距地下连续墙较近，受地下连续墙影响较大，故水位降深相对较大。

选取部分建筑沉降观测点数据绘制各观测点沉降变化曲线如图7所示。可知，沉降监测点累计沉降绝对值和最大值均不超过2 mm，远小于控制值30 mm，说明降水过程对周边环境的影响很小。

根据监测数据绘制地表沉降变化曲线,如图8所示。由于地表沉降监测点距离降水井较近，其累计沉降绝对值明显大于建筑沉降监测点，但最大值不超过12 mm，小于控制值30 mm，说明降水过程对地表沉降的影响不大，满足要求。

图7 建筑沉降变化曲线

图8 地表沉降变化曲线

3 三维数值模型的建立及应用

采用有限差分软件GMS建立适合南宁基坑降水设计的三维数值模型，并在南宁特殊地层下进行基坑降水预测，以期指导工程实践。

3.1 建立水文地质概念模型

本次抽水试验和基坑降水模型的平面计算范围参考表2的影响半径作近似取值。

本工程土层粒径较大，参照表2取R=2 000 m。因此，在GMS软件建模计算时，水平方向计算范围设定为降水井群形心外2 000 m范围内。在竖直方向上，根据车站Ⅲ号出入口基坑地质结构，在地面以下45 m的范围内简化各土层,如图9所示。

根据现场抽水试验方案中地下连续墙和降水井的布设情况，整个模型离散为4层、141行、118列，共66 552个单元。其三维模型计算网格剖分如图10所示。

图9 水文地质简化模型

图10 模型剖分网格立体图

3.2 建立数学模型

为保证模拟结果准确，需建立与南宁盆地水文地质概况相适应的模型。具体控制方程如下：

边界条件为：

H(x,y,z)Γ1=φ(x,y,z)

式中：

H——渗流场的水头；

φ——第一类边界上的已知水头函数；

Kx、Ky、Kz——3个主渗透方向的渗透系数；

q——流入研究区的单宽流量；

Ss——含水层贮水率；

Γ1、Γ2——分别为第一、二类边界条件。

3.3 水文地质参数反演

将抽水试验中抽水井涌水量代入数学模型中，对比观测井实际水位与计算水位，不断调整并反演相关参数，两者拟合较好后，得到水文地质参数。对观测井试验数据进行拟合，结果如图11和表3所示。由软件参数反演计算可得强透水层渗透系数为89.0 m/d，各观测井计算水位与实测水位的误差绝对值基本为0.2 m，拟合结果较理想。

图11 模型参数拟合曲线截图

为了进一步证实模型的可靠性，利用降水试验观测井后期的水位动态观测资料对模型进行检验。取观测井G1、G4的拟合结果(见图12和图13)。由图可知,模拟结果与实测值吻合良好，故该数学模型可用于解决南宁现有复杂基坑降水设计问题。

图12 G1观测井水位拟合对比曲线

图13 G4观测井水位拟合对比曲线

3.4 三维数值模拟降水预测分析

不同的基坑边界条件可能对基坑渗流场的结果影响很大。本文利用建立的三维数学模型分别对4种不同工况(如表4)下的基坑降水渗流场进行预测，研究不同工况下渗流场的分布。

表4 计算工况

因为不同工况下降水井分布位置不同，故对Ⅲ号出入口基坑数值模型的网格划分进行细微调整。但为了确保模型预测结果的可靠性，需要保证对应的抽水井与原有对应的抽水量一致。不同工况下基坑渗流场分布结果如图14所示。

由图14可知：在工况1没有地下连续墙作用下，基坑地下水位渗流场以降水群井为中心呈规则漏斗状分布，基坑范围内地下水位降深较小；工况2～4中，降水井布置在基坑外侧，且距离主体基坑位置越近，地下水位渗流场的形状越不规则，在降水井一侧的渗流场呈半漏斗状分布，基坑内部水位较均匀，变化不大。其中：工况2出入口位于主体基坑中部，与地下连续墙距离较近，外侧渗流场受地下连续墙影响较大，基坑内侧降水较均匀；工况3 出入口位于基坑端部，距出入口较远一端水位降深较大，出入口一端受地下连续墙影响较小，水位降深较小；工况4出入口位于基坑中部，但地下连续墙相对较短，基坑范围内地下水位较低。

对各工况下地下水位渗流场模拟结果信息进行收集，将模拟水位与设计水位进行对比，并结合出入口基坑设计水位降深高程为66.3～66.8 m的要求，得到各工况下地下水位渗流场的信息对比,如图15～18所示。

a) 工况1

b) 工况2

c) 工况3

d) 工况4

图15 工况1下基坑模拟降深与设计降深对比

由图15可知，在没有地下连续墙作用下，基坑范围内模拟降深水位线超出设计降深水位线1.0 m左右，无法满足水位降至坑底以下0.5～1.0 m的要求。

图16 工况2下模拟降深与设计降深对比

图17 工况3下模拟降深与设计降深对比

图18 工况4下模拟降深与设计降深对比

由图16可知，当出入口位于主体基坑中部时，地下连续墙对水位降深影响较大，模拟水位线降到设计水位线以下0.5 m，可以满足基坑降水设计要求。

由图17可知，出入口位于主体基坑端部时，基坑范围内模拟降深水位线与设计降深水位线基本保持一致，能满足降水设计要求。但相对工况2而言，水位降深偏小，说明出入口位于基坑中部比端部对降水影响要大。

由图18可知，当出入口位于110.0 m长的有地下连续墙的车站中部时，基坑范围内模拟降深水位线高于设计降深水位线，不能满足要求。对比工况4与工况2、工况3可知，地下连续墙越短，对基坑降水量的影响越小。

对比工况1与工况2～4可知，无地下连续墙的情况下涌水量较大，从而导致基坑范围内地下水位降深较小。对比工况2和工况3可知，在同样长度地下连续墙作用下，相对于工况2,由于工况3出入口位于基坑端部，此处地下连续墙无法充分发挥其隔水作用，基坑降水受地下连续墙影响较小，地下水位较高。对比工况2和工况4可知，地下连续墙越长，隔水效果越好，基坑范围内地下水位降深越大。

综上可知，有无地下连续墙，以及车站主体基坑的地下连续墙长度和出入口位置的不同,对出入口基坑地下水渗流场分布形态影响很大。

4 结论

(1) 根据现场监测数据进行拟合，该模型各观测井计算值与实测值的误差绝对值基本保持在0.2 m，两者拟合较好。

(2) 群井干扰降水试验中：无地下连续墙时地下水渗流场呈漏斗状分布；存在既有地下连续墙时，地下连续墙的隔水效果会对降水井地下水补给产生影响，使得靠近地下连续墙部分基坑涌水量较小，水位降深较大，离地下连续墙较远处涌水量较大，水位降深较小。

(3) 根据自主建立的南宁盆地基坑降水数值模型对4种不同工况条件下的降水预测研究发现，降水效果受有无地下连续墙、车站长度、出入口位置的影响，且有无地下连续墙对降水效果影响较大，设计中应重点考虑。对于连续墙较短车站,设计时应合理设置降水，以免降水深度达不到设计要求。