某地下工程区域渗流场特征及结构渗漏水来源分析
2020-04-02彭涛
彭涛
某地下工程区域渗流场特征及结构渗漏水来源分析
彭涛
(中冶成都勘察研究总院有限公司,成都 610023)
某大型地下工程结构完工后出现普遍渗水现象,严重影响其使用功能,并造成了不良社会后果。通过建立区域三维渗流分析模型,结合现场结构渗漏水特征,研究了该工程的区域渗流场特征和结构渗漏水的主要来源。结果表明:①模型计算结果与工程现场实测数据基本吻合,为该地区地下工程建设中的渗流场分布问题提供一种分析方法。②工程区域内浅表层地下水主要接受大气降雨的补给,丰季时河流水位上涨,对浅表层地下水有一定反补,市政雨污管网的渗漏也是不容忽视的补给来源。③区内西溪河洪峰水位270.2m,北湖地表水体水位270.5m,工程主体的抗浮水位以270.20~270.50m考虑为宜。④根据地下结构病害特征和所在位置,提出相应的病害整治建议,整治效果良好,可在类似工程应用。
区域渗流场;结构渗漏;抗浮水位;整治措施
1 工程概况
某大型地下工程建筑面积约50 000m2,含长1200m的下穿隧道和长2300m下穿商业街,部分地下结构为2层,其余均为1层。该项目于2012年开工,2013年完成下穿主体结构,结构完成后下穿隧道和商业街出现普遍渗水现象,通过对结构进行注浆防渗治理,出现边堵边渗现象,根治难度大,结构开裂渗水如图1所示。由于长时间渗水及排水,区内多处出现空洞及周边建筑变形,2015年8月下穿隧道被雨水灌满。该地下工程地处四川盆地东北部,区内整体地势西部高,东向低,区域地貌形态属中低山丘陵地貌及侵蚀堆积阶地地貌。场地三面环水、一面靠山,场地位置如图2所示。区内二级级阶地发育较好,Ⅱ级阶地分布于嘉陵江岸边一带,阶面高程273.2~276.3m,高于嘉陵江水面10~12m,阶面宽约500~550m。场区三维地形概化图如图3所示。场地丰水位地下水位为271.50m,枯水期地下水位为262.30m。场地地层结构简单,地层主要由第四系人工堆积(Q4ml)填土、第四系淤泥质粉质粘土(Q4h)、第四系中更新统冰水堆积(Q2fgl)的粘土、含卵石粉质粘土及白垩系上统灌口组(K2g)泥岩等组成,其中基坑坡体主要由粘土组成,顶部有1~2m厚填土,坑底距基岩约3m,如图4所示。场地水位埋深差异较大,为赋存于低洼地段及原塘池地段的第四系人工填土及粘土层上部裂隙中的上层滞水,主要受大气降水、农灌和地表水(渗透补给一般在原堰塘地段水位埋藏较浅,无统一地下水位,部分钻孔的稳定水位(埋深1.10~6.70m)。所在区域属中亚热带季风湿润气候,气候温和、雨量充沛、降雨不均、温差较大、区内平均气温为15.6℃~17.5℃。区内降雨丰富,多年平均降水量为979~1 125.7mm,降雨量主要集中在5~9月,占全年降雨量的60%。场地位于嘉陵江和西溪河之间,嘉陵江从场地东侧流过,西溪河从场地西侧流过。嘉陵江发源于陕西省西凤区历年最枯水流量115m3/s,历年最大洪峰流量30 100m3/s(1903年),平均流量878.70m3/s。
图1 地下结构开裂渗水
图2 场地位置示意图
图3 场区三维地形概化图
图4 下穿隧道剖面示意图
2 区域渗流场模拟及分析
2.1 计算模型范围
计算采用Visual MODFLOW中的MODFLOW模块模拟区域地下水渗流场。渗流场模拟范围以整个工程为中心,整个模型范围东西长约5 091m,南北长约4 834m,面积为24.61km2。模型范围如图5所示。
图5 数值模型范围
2.2 计算模型概化
考虑到场区所在水文地质单元潜水含水层主要为第四系孔隙含水层,并以大气降雨为补给来源。根据水文地质条件,结合本项目实际情况,模拟范围东、西两侧均以西溪河和嘉陵江为定水头边界,向南以模型区中嘉陵江最低排泄基准面为界(枯水期,范围24.61km2。模型模拟区东-西方向作为模型x轴方向,长度5 091m,南-北向作为模型的y轴方向,宽4 834m,除边界外,每50m划分一个网格,共9 800个网格;垂直于xy平面向上为模型的z轴正方向,模拟范围200~400m,根据介质性质及模型计算需求,垂向上分为6个岩性段。将模型区地下水水流概化为均质各向异性稳定流模型。区域模型网格平面图、等值线图如图6图7所示。
图6 数值模型网格
图7 区域模型等值线图
2.3 计算边界条件
东西两侧西溪河和嘉陵江为River边界,最低排泄基准面嘉陵江与西溪河汇合处为Constant Head边界,河流两侧及右上部外围为无效单元格。其余均为变水头计算单元格。模型边界条件设置如图8所示。
图8 模型边界条件
图9 区域初始渗流场
2.4 计算参数
计算参数表
根据项目水文地质勘查报告及现场水文地质试验数据,区域水文地质资料及水文地质参数的经验取值,模型区垂向按含水介质特征差异,划分6个层段。含水层渗透系数主要根据区域内水文地质参数综合,取经验值。模型参数取值见表。其中,粉砂层的渗透系数通过整理注水试验资料计算求得,对比考虑杂填土层较薄,因此与下部强风化层概化为一层,和较薄的粉质粘土层及卵砾石层的渗透系数均参考水文地质手册的经验值。
贮水系数取值为1×10-6,给水度取值为0.2,有效孔隙度为0.15,孔隙度为0.2。模拟区域年平均降雨量1 000mm,入渗系数取0.4,补给强度400mm/yr,在模型中设置为最上层的非疏干单元接受补给。按照枯季和雨季分别设置不同的河流边界和降雨入渗补给量,其中1~4月补给强度为100mm,5~9月补给强度为240mm,10~12月补给强度为60mm。根据区域水文地质报告,模型区域水面蒸发量小于降雨强度,约为降雨的0.8倍,所以取蒸发强度分别为80mm、190mm、50mm。
2.5 模拟结果与分析
1)初始渗流场
将上述边界条件和计算参数代入模型计算可得初始渗流场,如图9所示。由渗流场计算结果可以看出,初始渗流场受区内地形地貌、含水岩组分布及构造发育等条件控制,在城市区地下水水位受西溪河和嘉陵江的影响,靠近河流位置地势低,地下水位埋深小。另外,根据项目工程勘察钻孔资料可知,各钻孔实测水位埋深介于0.3~5.2m,而模型模拟各钻孔地下水位270~283m,其中平坝区地下水位270~275m,计算不考虑各钻孔及其附近的模拟水位与实测水位差,采用上述建立的区域渗流计算模型计算所得渗流与实际基本吻合。
2)工程修建后渗流场
以上述初始渗流场为前提条件,在模型中置入地下工程并设置相应边界条件,可分别计算得到雨季和枯季三维渗流场,分别如图10、图11所示。结合工程现场渗漏水现象可以看,地下通道建设后,由于岩土体的开挖,破坏了天然渗流场的稳定性,形成了汇水区域,地下水有向地下通道通道渗流的趋势,且随着时间的延续,降落漏斗的范围会逐渐扩大。
3)地下结构渗水来源分析
该地下工程负一层处于二级阶地第四系冲洪积层中,地层岩性主要为粉质粘土,粉砂土和粉土,此层位主要赋存孔隙水,接受大气降雨补给。枯水季节,负一层的地下水位明显高于西溪河和嘉陵江的水位。根据现场调查资料可知,此区边墙涌水清澈,可推断地下负一层边墙的渗水来源主要为大气降雨。对于局部地下结构顶板滴水水体为黑色的现象,可推断该顶板滴水来源为地下管网漏水和大气降雨。丰水季节,西溪河与嘉陵江的地下水位明显升高,局部地区,高于地下工程负一层粉土粉砂层内地下水水位,接受两河的侧向补给。结合现场调查资料可推断地下工程负一层边墙渗水来源为两河河流补给和大气降雨,顶板滴水来源为大气降雨,地下管网渗漏和两河河流补给。
负二层东靠嘉陵江,西靠西河,边墙部位为第四系冲洪积层,主要含粉砂土,接受大气降雨补给,少量河流补给;底部为卵石层。枯水与丰水季节,西溪河与嘉陵江都高于负二层地下水水位,结合现场调查资料可推断地下工程负二层渗水来源主要为西溪河与嘉陵江的补给,同时有少量大气降雨补给。
图10 雨季三维渗流场
图11 枯季三维渗流场
因场地两侧西溪河、嘉陵江相距较近, 地下水位年变幅5.3m,水力梯度增大,是隧道开挖二层后渗水、流砂的重要原因。
4)地下水位监测建议
根据《城市地下水动态观测规程》,结合该地下结构病害特征,建议在类似工程区域,进行长期观测水位,且宜每10d观测一次。对安装有自动水位监测仪的观测孔,水位观测宜为每日4次,存于存储器内的数据可每月采集1次。当气象预报有中雨以上降雨时,对观测孔从降雨开始应加密观测次数,每日观测1次,至雨后5d为止;对设有自动监测仪的观测孔,每日仍宜观测4次。洪水期每日观测三次,从洪峰到来起,每日早中晚各观测一次,并延续至洪峰过后48小时为止,以此及时掌握场区内地下水动态变化特征,为建立场区内三维地下水渗流模型提供数据支持。
4 工程措施与建议
按《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72-2004)相关规定:地下建筑物的抗浮设防水位应根据场区历史高水位情况结合场地地形地貌、地下水补给排泄条件等因素综合确定。根据工程区域水文观测站资料,嘉陵江近5年遇洪水位标高为268m(2012年),最低枯水位标高为252m(2017年1月),据现场实际测量,西溪河近5年洪水位标高为270.20m(2010年),如图12所示,最低枯水位261.5m。半岛内的地表大型水体北湖,其枯季水位为270.50m。上层滞水静止水位埋深268.30~273.50m。下层孔隙潜水稳定水位为标高262.40~266.80m。因此,根据收集的有关资料和场地安全角度,建议工程区地下通道主体抗浮水位270.20~270.50 m考虑。
图12 雨季西溪河最高洪水位
对于该地下结构,应该结合其具体病害特征和所在位置确定相应的工程措施,具体建议如下:①边墙混凝土连接缝:密集带状、小剂量封堵为主;细裂缝、注浆封填后修补;对地层条件较好,无明显渗水渗砂地段采用水泥浆液注浆,对地层条件差,有明显渗水渗砂地段采用特殊材料注浆。根据出水类型,选择不同的特殊材料进行注浆;边墙外侧的欠密实部位:早强材料充填注浆,并控制注浆压力。②负一层顶板连接缝、与边墙结合部位:密集带状、小剂量封堵后修补, 可采用聚氨酯或其他高分子化学注浆材料,对地层条件较好,无明显渗水渗砂地段采用水泥浆液注浆,对地层条件差,有明显渗水渗砂地段采用特殊材料注浆。根据出水类型,选择不同的特殊材料进行注浆。③负二层底板,全面补强,注意保护过水通道;抽排水设施的维护。④城市给排水、雨洪管网的渗漏检测、维护,截断减少人为补给来源。⑤依据现场实际揭露的岩土层结构特征、地下水渗漏情况进行调整,采用动态的设计及施工,施工时需进行有条理的布设,以免注浆造成堵塞,施工现场施工结束后,需对注浆质量进行检查、评价,以确保注浆工程保质、保量。从目前该地下结构病害整治效果来看,上述建议的整治措施效果明显,可以在类似工程中推广应用。⑥结合现场病害调查,隧道侧壁有粉砂层、粉土地段多处已产生了流砂现象,应结合隧道璧旁空洞的分布,对粉土、粉砂段的侧壁进行有针对性的土体加固,防止隧道侧璧流砂。
5 结论与建议
1)书在天然状态下,平原区平均水位270~275m,平原区主要补给来源是河流的侧向补给和大气降水,最终的排泄途径为蒸发和地下径流至嘉陵江。
2)根据区内西溪河洪峰水位270.2m,地表水体北湖水位270.5m。工程主体的抗浮水位以270.20~270.50m考虑为宜。在抗浮设计中应进行隧道浮力计算,综合考虑隧道压重效应。
3)该地下工程负一层边墙渗水来源在枯水季节主要为大气降雨;顶板滴水来源为地下管网渗漏和大气降雨。在丰水季节,负一层边墙渗水来源为西溪河和嘉陵江河流补给以及大气降雨;顶板滴水来源为地下管网渗漏,大气降雨和河流补给。地下工程负二层渗水来源为西溪河与嘉陵江河流补给以及大气降雨。
4)隧道病害整治中应注重进行防渗、防流砂专项加固。
[1]宿文姬.工程地质学[M]. 华南理工大学出版社,2006
[2] 李国栋,哈岸英,钟小彦,陈刚. 基于FLUENT的渗流场数值模拟分析[J]. 西安理工大学学报, 2011.03
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Characteristics of Seepage Field in an Underground Engineering Area and Analysis of Water Source of Structural Leakage
PENG Tao
(Chengdu Surveying Geotechnical Research Institute Co. Ltd., MCC, Chengdu 610023)
After the completion of a large-scale underground engineering structure, there is a general phenomenon of seepage which seriously affects its use function, and has caused the adverse social consequence. A three-dimensional regional seepage model is established in combination with characteristics of leakage water in field structure in order to make a study of characteristics of regional seepage field and main source of structural leakage water of the underground engineering. The study results indicate that the calculated results of the model are good agreement with the measured data; the shallow groundwater is mainly supplied by the atmospheric rainfall and river water has certain backfill to the shallow layer groundwater during the rainy season and; the leakage of municipal storm drain network is also a supply source can’t be ignored; in view of the 270.5 m water level of the North Lake surface water body and the 270.2 m flood peak water level of the Xixi River, the anti-floating water level of the main body of the engineering should be considered from 270.20 m to 270.50 m. Some suggestions on disease control are made.
regional seepage field; structure seepage; anti-floating water level; control measure
2019-02-16
彭涛(1981-),男,四川简阳人,高级工程师,研究方向为城市地下空间渗水病害处理
P642.4
A
1006-0995(2020)01-0098-05
10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.020