基于Visual Modflow软件的基坑降水设计及影响分析

吕善国

（南京南大岩土工程技术有限公司，江苏 南京 21 1800）

0 引言

随着全国各地城市建设的发展，在各种复杂含水系统中开挖的基坑工程越来越多，如何处理好地下水就成为工程建设顺利实施的关键。基坑降水工程既是基础工程顺利进行的先决条件，同时也会造成周边地面的不均匀沉降，对周围建筑物造成危害[1]。

本文以扬中市某建设项目为例，基于Visual Modflow 软件对该项目基坑降水进行设计，并对降水可能引起基坑周边地面沉降进行预测，并提出预防地面沉降的措施和建议。

1 工程概况

该项目位于扬中市核心地段，西至港东南路，北至扬子东路，东侧及南侧为河滨路。基坑形状呈三角形，地下室为二层满堂地下室。基坑开挖面积约11850m2，支护周长约465m，普遍开挖深度为13m。基坑四周为地下管网密布的市政道路，周边紧临多栋已建3～7 层老旧建筑物，西侧通江河流三茅大港与拟建场地仅有港东南路相隔。基坑总平面图见图1。

图1 总平面图

图2 基坑支护平面布置图

2 水文地质条件

根据勘察揭示的土层结构特征分析，本场地地下水为孔隙潜水，赋存于场地内各土层中，水量丰富。

地表①层杂填土较为松散，赋水性及透水性好，大气降水极易渗入到下部土层中。②-1 层淤泥质粉质粘土夹粉土饱含地下水，整体透水性弱，水平向稍强，其余②-2～④层均饱含地下水，透水性较强。场地地下水主要受大气降水补给，以迳流、蒸发形式排泄，潜水水位随季节变化明显，年变幅0.5～1.0m 左右。勘察期间测定的地下水稳定水位埋深：0.6～2.0m，水位高程+1.68～+2.30m。

本场区抽水试验报告给出的土层综合渗透系数K=15m/d，影响半径R=500m 以上。

表1 水文地质模型竖直地层

2 基坑降水数值模拟计算

3.1 Visual Modflow 软件简介

Visual Modflow 是一种三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统，它可以仿真模拟深基坑降水过程中地下水位的变化情况[2]。

3.2 基坑降水数值模型的建立

3.2.1 模型假定

为了便于渗流软件计算，现对数值模型作如下假定：

1、降水井影响区域含水层等厚、均质、水平各向同性；

2、边界含水层水头恒定；

上式中除了参考距离d0可以人为拟定外(本次实验设置d0=1m)，其它参数的估计需要用到已知数据，即通过已知数据来估计路径损耗指数n和参考信号强度P0。

3、坑内降水井按定流量进行降水。

3.2.2 模型建立

现对场地水文地质条件进行概化，建立本工程水文地质概念模型。根据本项目岩土工程勘察报告及现场抽水试验所提供的地质和水文资料，本次基坑降水数值模型以基坑位置为中心确定整个模拟范围为2km×2km 区域，深度取为93 米，基坑区域网格进行加密，以提高计算精度（如图3、图4、图5 所示）。土层根据钻孔资料划分为7 个模拟层，土层渗透系数取现场抽水试验提供的土层综合渗透系数。止水帷幕采用边界防渗墙来模拟，厚度输入0.85m，渗透系数取1×10-9m/s[3]。模型边界按定水头计算，定水位取地勘报告提供的最高水位高程+2.30m。

图3 模型分层剖面图

图4 三维数值模型立体图

图5 基坑范围网格划分平面图

3.2.3 模拟方案

采用Visual Modflow 软件按三维非稳定流模型进行降水工程模拟，综合考虑基坑施工期间的不确定因素，模拟周期取至800d。采用防渗墙模拟基坑四周长度为30 米的止水帷幕。根据工程经验，坑内先按200m2/口左右布置降水井，共需布置58 口，设计井深28 米，通过在模型中输入不同的单井抽水量反复试算，直至数值模拟的坑内地下水位降至设计水位为止。

3.3 模拟结果分析

3.3.1 基坑涌水量预测

因基坑周边采用三轴深搅桩作为止水帷幕，对地下水渗流具有一定的绕流阻水作用，解析公式无法适用该类条件下的涌水量计算，本文基于Visual Modflow 软件采用三维有限差分法数值模拟技术，充分考虑三轴深搅桩的影响，对基坑涌水量进行预测。

通过反复试算，模拟得出当单井抽水量取250m3/d 时基坑内水位降至标高-10.7m（模型取地面标高为+3.0m，坑内设计水位标高-11.0m），数值模拟坑内水位近似达到设计降深。降水模拟结果详见图6 和图7。从而近似预测本基坑的总涌水量约为14500m3/d。

3.3.2 基坑周边地下水水位降深模拟

根据数值模拟结果，坑内水位降至设计标高后，基坑周边地下水水位标高最低为+0.32m，水位降深最大约为2m。具体详见图7、图8。

图6 降水水位等值线图

图7 降水水位云图

图8 降水水位剖面云图

3.3.3 降水对基坑周边地面沉降影响分析

根据数值模拟计算出的基坑周边各点的水位降深值，采用分层总和法[4]，通过确定压缩层厚度，计算各层自重应力、附加应力、两者平均值和压缩量等，计算出基坑周边各点累计沉降量[5]。

通过计算，预测基坑四周地面沉降量在0～35mm 之间。数值模拟结果表明基坑降水对周边地面沉降具有较大影响，实际施工过程中应采取相应的减小地面沉降的预防措施。

5 结论

本文基于Visual Modflow 三维有限差分软件以非稳定渗流理论为基础，对基坑工程降水进行设计，为基坑降水设计增加了一种新的可行方法。根据数值模拟结果进一步分析了基坑降水可能对坑外地面产生的影响，并得出如下结论：

1）因现有的基坑降水设计大多采用大井法，基坑涌水量计算结果与实际抽水量偏差较大，本文基于Visual Modflow 软件，利用现场抽水试验得到的水文地质参数，模拟了有止水帷幕阻隔，降水井口数一定（58 口），以坑内地下水降至设计水位为条件，经多次模拟试算，得出单井抽水量约为250m3/d，预测本基坑的总涌水量约为14500 m3/d。

2）模拟计算结果与实际数据可能会出现一定程度的差异，因此，还需要根据实际情况和实际监测结果对降水方案进行动态调整[5]。

3）数值模拟结果表明基坑降水对周边地面沉降具有较大影响，实际施工过程中应结合土方开挖计划做到按需降水，严格控制地下水的抽排量，施工过程中密切观测坑内外水位变化情况，及时采取回灌井回灌等措施减小地面沉降。