基坑降水数值模拟分析研究

2021-02-01张静学

山西建筑 2021年4期

张静学

(中亿丰建设集团股份有限公司，江苏苏州 215131)

0 引言

随着我国城市化进程不断地推进，建筑物和构筑物的规模扩大和数量增多，地下空间利用程度得以提高，促使深大基坑项目越来越多[1]。然而基坑降水是基坑设计不可或缺的一部分，降水设计的成败与基坑安全息息相关[2]。虽然诸多学者对基坑渗流和降水引起地面和周边建筑物沉降方面已经开展了深入的研究，在该方面研究已相对成熟，但是基坑降水工程存在一定的区域性差异。同时，对于深基坑工程而言，如何选择更加合理的降水方法、进行科学的降水设计和预测仍然是当前和今后的一个重要课题[3]。

1 工程概况

1.1 一般概况

南京浦珠路站是南京地铁三号线的中间站，本车站主体基坑长172.3 m，标准段宽24 m，深19.838 m。本工程中明挖基坑围护结构及止水措施采用地下连续墙。地下连续墙标准段、左端盾构井和右端盾构井的墙厚、深度以及开挖深度详见表1。

表1 地下连续墙各段尺寸 m

本次工程的基坑施工平面布置示意图见图1。

1.2 场地工程地质及水文条件

本工程拟建场地主要位于长江漫滩平原区，地势低平，向长江河谷缓倾。车站所处场地的土层自上而下分别为：①-2层素填土，②-3c-3层粉土、稍～中密，②-3d-4～3层粉砂、松散～稍密，②-4d-3～2层粉砂、稍密～中密，②-5d-2～1层粉砂、细砂，④-4e层卵石、碎石、圆砾，K2p-1层强风化粉砂岩、泥岩。其中车站底板处在②-4d-3～2层粉砂中。土层的分布具体情况详见图2。

考虑到本基坑工程中潜水层与微承压含水层之间缺少隔水层，故在本基坑工程中，应将松散岩类中孔隙水作为潜水含水层组，其厚度为50 m～60 m。考虑到抽水试验含水层砂层的综合渗透系数的取值范围(K=7.1 m/d～23.1 m/d)，本工程中的渗透系数建议值取K=9.7 m/d。

2 地下水渗流数值模型

根据适应于本工程场地的水文地质条件，利用式(1)，可建立与之相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型[4]。

(1)

其中，kxx,kyy,kzz分别为含水层在各个主方向上的渗透系数；h为坐标为(x,y,z)的点在t时刻的水头；h0为坐标为(x,y,z)的点处的初始水头；h1为坐标为(x,y,z)的点在一类边界上的已知水头；W为源汇项；Ω为基坑的计算区域；Γ1为第一类边界。

对于模拟区平面范围的确定，应借助现有的岩土工程勘察报告、水文地质条件以及钻孔等相关工程资料，并依据以基坑作为中心点，边界应布置在降水井影响半径的外侧的原则[5]。

在基坑的降水过程中，坑中的上覆弱潜水层会与下伏承压含水层产生一定的水力联系，因此本次研究中将两者一同并入模型中参与计算，并认为两者都具有非均质各向异性[6]。一般而言，地下水的流态被认为是三维非稳定流，坑内的疏干降压井被认为是唯一的源、汇项。依据定水头远离源、汇项的基本原则来规避边界不确定性引起的计算结果的误差[7]，经多次计算得到计算区在水平方向上，起点选取为基坑四周，计算区域向各方向扩展800 m，最终实际计算平面尺寸约为1 774 m×1 626 m。本次研究将基坑四周均认定为定水头边界。在垂直方向上，顶部取至浅部潜水含水层，底部取至强风化粉砂岩层底板。

3 模型验证

3.1 降水井与观测井布置

本次数值模拟共有15口降水井、10口观测井进行水位拟合，15口降水井均布置于坑内，Y2,Y14和Y29观测井布置在坑内，G1,G2,G3,G4,YG5,YG7和YG8观测井布置在坑外，详见图3。

3.2 降水效果预测

在本次数值模拟中，模型的识别验证时间共计6 d，将其分为6个应力期，对应于1个时间步长。模型经参数反演后，得出观测井的水位的计算值和实测值。各观测井水位计算值和实测值的拟合效果和变化过程，如图4～图11所示。

从拟合结果来看，各地下水位的计算曲线与实测曲线拟合精度较为良好，总体变化趋势基本一致，其地下水位误差均在0.5 m以下，由此可以看出所建模型是正确和可靠的，以及模型参数的选取较为合理，最终使得本工程研究区域地下水系统的本质特征能够被较为精准地反映。

4 模型降水效果预测

为了满足基坑工程的降水控制的施工要求，工程中需要将地下水位降至基坑底部1 m以下。即该基坑工程中地下水位需要降至-12.9 m(埋深20.8 m)。当开启17口降水井时，坑内降深满足安全开挖的需求。模拟降水效果如图12，图13所示，经30 d降水后，浅层土体已被完全疏干，有利于保证基坑上部土方的开挖安全。同时，各个位置深部土体的降深分别为：小盾构井-15.0 m，标准段-13.8 m，大盾构井-17.5 m，各部分水位降深均满足降水要求。