杨泗港长江大桥锚碇基础渗流数值计算分析

2020-12-23周思全

交通科技 2020年6期

周思全

(武汉天兴洲道桥投资开发有限公司武汉 430011)

杨泗港长江大桥为大跨径悬索桥，锚碇是悬索桥主要的承力结构物。锚碇基础采用地下连续墙，锚碇基础采用外径98 m、壁厚1.5 m的圆形地下连续墙加环形钢筋混凝土内衬支护结构。锚碇基础由地连墙、帽梁、内衬、底板及填芯混凝土组成。

其中，汉阳侧地下连续墙嵌入泥质砂岩约6 m，总深度为59 m。武昌侧地下连续墙坚硬黏土层不小于7 m，总深度为66 m。为保证地连墙开挖阶段受力及刚度的需要，在地连墙顶面设置刚度较大的帽梁。帽梁为钢筋混凝土圆形结构，帽梁高3 m、宽度5.0 m。武昌侧及汉阳侧基础周边均有重要构筑物，但从开挖深度相比，武昌侧锚碇基坑比汉阳侧锚碇基坑开挖深度深，施工风险相对较大，且处于武金堤和武昌大堤之间，距离两边大堤不超过20 m。考虑最不利因素，本文以武昌侧锚碇为研究对象，采用数值模拟的方法，针对地连墙墙底绕流进行计算，分析锚碇基坑渗流场分布、渗流量及渗透稳定性，同时分析考虑地连墙局部渗漏情况下基坑渗流场分布及分析设计方案的防护效果。

1 武昌岸锚碇基础水文地质条件和渗控措施

杨泗港大桥武昌岸锚碇处覆盖层中上部为全新统松散或中密状粉、细砂，软塑状粉质黏土及流塑状淤泥质粉质黏土；覆盖层中部为密实状砾砂(③1)、圆砾土(③2)；覆盖层中下部为硬塑～坚硬状黏土(④1)夹密实状圆砾土；下部为硬塑～坚硬状黏土(④1)；基岩埋深大于90 m，主要为白垩～第三系泥质砂岩。

工程施工区地下水主要为上层滞水、第四系孔隙承压水和基岩裂隙水。上层滞水赋存于人工填土及上部黏性土中，水量一般较小；第四系孔隙承压水主要赋存于全新统第②大层、中上更新统③、⑤大层的粉细砂、中粗砂、卵砾石层中，为主要地下水含水层，由于长江下切，河床达此砂层中，因而江水与沿岸冲积层之间地下水存在互补关系，水力联系密切，水位动态随季节性变化，水量较丰富；另外在中～上更新统的黏性土中存在分布不连续的细、中、砾砂、圆砾土层，由于其厚度较小，连通性差，故该含水层水量一般不大。下伏基岩主要为白垩～第三系泥岩、泥质砂岩，基本属于微透水层，其水量受节理裂隙发育程度控制，水量一般不大。

武昌岸锚碇基础采用地下连续墙，地下连续墙[1]本身是基础的一部分，是较理想的基坑支护结构，同时也起隔水作用。地下连续墙可以采取的封水抗渗措施有：①地下连续墙外侧设置自凝灰浆挡水帷幕，在平面上与地连墙呈同心圆环布置；②地连墙下采用底部帷幕灌浆；③根据地下连续墙施工质量和检查情况，确定是否需要对地连墙槽段间接缝处外侧采用高压注浆封水处理。

2 渗流数值模拟方法和计算条件

2.1 渗流数值模拟方法

根据连续性方程与达西定律产生的稳定渗流微分方程，可以得出连续介质中三维饱和稳定渗流控制方程[2]如式(1)。

(1)

式中：h为水头；kxx、kyy、kzz为3个主轴方向的饱和渗透系数。

当考虑二维饱和渗流问题时，其控制方程见式(2)。

(2)

边界条件为已知水头条件(第一类边界)：

h(x,y)|Γ1=f(x,y,z) (x,y,z)∈Γ1

(3)

式中：h为已知函数，若曲面Γ1上点的水头相等，上游水位边界、下游水位边界及渗出段为给定水头h边界(第一类边界)。

已知流量条件(第二类边界)：

(4)

式中：n为Γ2的外法线方向，不透水层面则属于定流量q边界(第二类边界)，其法向流量为0。

渗流计算分析采用国际通用的大型地下水流模拟系统软件GMS,对于基坑涌水问题，应用GMS中的MODFLOW模块求解，目前大量的基坑降水设计采用MODFLOW进行计算。

2.2 渗流计算模型概化

综合分析现有资料，对武昌侧锚锭区进行水文地质概化,得出渗流数值模型[3]平面示意图(见图1)及地连墙南北对称剖面示意图(见图2)。锚锭区北(左)侧为长江，由于长江与覆盖层的砂层相通，因此，模型中的北(左)边界作为定水头边界。工程所在河道右岸设计洪水位为27.83～27.93 m，取模型上游水位为27.93 m。北(左)边界距离南锚锭基坑中心约464 m。模型中的南(右)边界距离锚锭基坑中心1 000 m，地面高程约22 m，考虑地下水位埋深1～2 m，取下游水位21.0 m。模型的东、西边界(上、下边界)分别距基坑中心1 000 m，作为零流量边界。由于基岩埋深较大，计算模型的底部边界取至高程-70.0 m处，作为隔水边界，模型中基坑底部的地下水位因施工降水而降低，基坑内地下水位取基坑底面以下1 m。经建模得出渗流计算三维网格剖分图见图3。

图1 渗流数值模型平面示意图(单位：m)

图2 地连墙南北对称剖面示意图

图3 渗流计算三维网格剖分图

2.3 渗流计算参数和计算方法

结合工程地勘资料和试验成果及类似工程经验，对模型中地层的渗透性分区进行了适当概化，模型中地层参数考虑为各向同性。各土层渗透系数参照杨泗港长江大桥地勘报告中主要岩土设计参数建议值进行取值，地勘报告中未提供建议值的部位，如地连墙、高压注浆等的渗透系数，根据工程经验取值，得到地层渗透系数取值见表1。

表1 地层渗透系数取值

根据施工方案，地连墙施工完成后开挖基坑，基坑内土体分层开挖。当开挖到基坑底部且尚未封底时，地连墙两侧的水头差最大，这种条件下的渗流场分布对锚碇基坑具有控制意义。本文基坑渗流稳定性计算分析[4]中对锚碇基坑封水的措施考虑了5种工况，渗流计算工况见表2。

表2 渗流计算工况

工况Fn1为基本计算工况，地连墙截断透水层进入底部深厚黏土层，无质量缺陷；工况Fn2为地连墙未穿过河床覆盖层下部圆砾土层，分析地连墙嵌入深度的影响；工况Fn3为在工况Fn1的基础上考虑地连墙在圆砾土层中出现1 m宽的开叉，分析地连墙完整性的影响；工况Fn4在工况Fn1的基础上考虑地连墙底部存在沉渣层，以及地连墙与周围土体接触不良产生缝隙，且缝隙与透水层贯通；工况Fn5在工况Fn4的基础上考虑对地连墙渗漏部位进行注浆加固，分析注浆措施的封水效果。

3 武昌侧锚碇基础渗流计算结果分析

基坑抗浮稳定性按式(5)计算。

Kh=D×γ/(hw×γw)

(5)

式中：Kh为基坑突涌稳定安全系数；D为承压含水层顶面至坑底的土层厚度；γ为承压含水层顶面至坑底土层的天然重度；hw为承压含水层顶面的压力水头高度；γw为水的重度。

基底黏土重力密度按杨泗港长江大桥地勘报告中主要岩土设计参数取为20.9 kN/m3。通过建立三维地下水模型进行计算，5种工况下渗流计算结果见表3，基坑开挖面渗流等势线分布见图4。

表3 5种工况下渗流计算结果

图4 基坑开挖面渗流等势线分布图(单位：m)

1) 由图4a)可知，工况Fn1的基坑周边水头等值线发生弯曲，有绕渗现象，等势线在地下连续墙内密集，水头削减明显，表明地下连续墙可以有效降低基坑内外水力联系，起到较好的隔渗效果。根据渗流量计算结果可知，当地连墙进入底部深厚黏土层且无质量缺陷时，基坑流量为16.59 m3/d。由计算统计结果可知，基坑底黏土层渗透比降为0.02，基坑底黏土层抗浮稳定系数为2.508，满足渗透稳定和抗浮稳定性要求。这是主要依靠地连墙的隔渗作用,以及基坑降水措施的运行避免开挖面土层的渗流出逸，确保了基坑的渗透稳定性，同时降低基坑底部圆砾土层的承压水头，确保了基坑的抗浮稳定性。

2) 由图4b)可知，工况Fn2是考虑地连墙以圆砾土层为持力层，而未穿透基底下方的圆砾土层。由于地连墙未全封闭，基坑降水漏斗范围扩大，地连墙内水头等值线不密集，其承担的水头损失降低。与工况Fn1相比较，本工况下基坑流量为473.47 m3/d，相较工况Fn1基坑流量急剧增大，基底黏土层渗透比降增大为0.67，基底黏土层抗浮稳定性依靠基坑降水措施降低承压水头可以得到满足。由此可见，基底的黏土层不宜作为防渗依托层。工况Fn2也可以看作是地连墙在圆砾土层中由于砾石含量出现垂直度控制不足等情况而大范围开叉漏水的影响，因此在地连墙施工过程中应严格控制施工质量。

3) 由图4c)可知，工况Fn3是在Fn1的基础上考虑地连墙在基坑底部圆砾土层中出现开叉，设叉缝位于临江一侧，叉缝宽度1 m。本工况与工况Fn1渗流场的主要差异在地连墙开叉处，水头等值线在该处附近有一定程度往临江方向突出，由于地连墙外围挡水帷幕的作用，等值线扩散范围不大。由于地连墙在叉缝处未全封闭，基坑流量有所增大，本工况下基坑流量为53.1 m3/d，约为工况Fn1的3.2倍。开叉位置附近的渗透比降达到1.21，有可能发生渗透变形。

4) 由图4d)可知，工况Fn4是当地连墙施工中其底部存在沉渣层，以及地连墙与周围土体接触不良产生缝隙，且缝隙与透水层贯通时，地连墙底部的沉渣层的渗透比降是最大的，达到了5.6，如果临基坑一侧有贯穿缝，则沉渣层及裂隙中的细颗粒可能被水流带出至基坑底，此时基坑开挖面满足不了渗透稳定要求。基坑流量则为149.93 m3/d，相对无缺陷工况时，流量增加了约9倍。

5) 由图4e)可知，工况Fn5是针对地连墙周边的裂缝和沉渣层采用注浆加固，此时地连墙起到较好的封水作用，基坑流量减少至24.9 m3/d，基坑满足渗透稳定和抗浮稳定性要求，因此地连墙底采用高压注浆加固对基坑的渗流安全有利。

由此可知，锚碇基础采用地下连续墙的基坑支护结构形式，同时也起隔水帷幕作用。通过对渗流数值计算分析，其结果表明，采用深地连墙封水方案，能够起到较好的隔渗效果，同时结合深井降水的联合措施，可以满足基坑的渗透稳定要求，注浆加固措施对于锚碇基坑的局部渗漏问题具有较好的封水作用。对于存在承压含水层的条件，基坑在开挖过程中需要采取超前排水措施，同时降低承压水头，以防止出现基坑底面突涌事故。