某邻近堤防深基坑工程防渗帷幕布置研究

王雪红，刘晓青，张 慧，王 欣,姚 璐

(1.南京市长江河道管理处，江苏 南京 210098；2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098；3.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225131)

深基坑工程是一项涉及范围广且具有时空效应的综合性工程[1]，也是研究较为热门的课题。由于开挖深度大，影响范围也相对较大。近年来在城市建设不断发展过程中，由于地理条件、城市规划、交通条件、工程投资等多方面的影响，一些存在深基坑开挖的工程，其建设地点可能位于堤防附近，这势必会对邻近堤防产生一定的影响。临近堤防深基坑施工过程中面对较大的补水边界，在考虑基坑自身稳定的同时还要保证临近堤防的安全，对渗流要求较为严格。关于深基坑自身的稳定，很多学者已经做了充分的研究，但目前由于二维有限元具有模型简单、计算速度快的优点，对于临近堤防深基坑渗流计算问题，大多仍采用二维分析方法[2-3]，虽然计算结果具有一定参考价值，但难以反映周边整体渗流情况，特别是侧向渗流情况。要想对工程中帷幕整体布置进行研究和优化布置，仍需建立三维模型。关于帷幕的布置，一些学者结合工程实际通过建立相应的模型计算得出较优的布置方案。崔炜等[4]采用三维有限元法对某库区进行渗流状态模拟分析，得出坝肩帷幕灌浆长度与水库渗漏量呈反比的关系；赵宇豪等[5]分析了止水帷幕插入比对坑外环境的影响，得出止水帷幕插入比与基坑降水对周边环境的影响范围成负相关的关系；施华堂等[6]通过三维渗流计算分析，缩短了帷幕布置线路。通过调查发现，临近堤防基坑防渗墙侧向宽度布置对临近堤防和基坑渗流影响的研究较少，为了得出其宽度对临近堤防和基坑渗流影响规律，对工程中帷幕整体布置进行优化，本文结合工程实际建立三维有限元模型，通过分析添加帷幕前后以及不同侧向帷幕宽度下开挖过程中基坑四周渗流情况，试算确定防渗帷幕尤其是侧向防渗帷幕的布置；通过三维渗透坡降云图直观反映易发生渗透破坏位置，并提醒进行重点监测及施工；分析开挖过程中对邻近防洪堤渗流影响规律，保证防洪安全。

1 工程概况

1.1 基坑及周边环境概况

某建筑工程位于京杭大运河扬州段东侧河畔，距离堤脚线75 m左右，位于堤防管理范围外、安全保护区内[7]，周边目前无其他建筑物。工程段堤防等级为2级，堤顶高程9.0 m，堤顶宽度6.0 m，迎水侧坡比缓于1∶3，背水侧坡比1∶3。50年一遇防洪设计水位8.0 m，内河常水位5.0 m，周边地面高程6.5 m左右。基坑开挖形状建模时采用简化规则模型，开挖长度275 m，宽度205 m左右、深度12 m，为深基坑工程[8]。基坑采用分级开挖放坡的型式，放坡马道宽1.5 m，一级开挖深度4.0 m，坡比1.0∶1.2；二、三级开挖深度均为4.0 m，坡比1.0∶1.5，坡面采用挂网喷细石混凝土支护。坑内均匀布设降水井，坑外侧布设应急降水井，近堤防侧布置6口回灌井，放坡马道处设置轻型降水井点辅助降水，按基坑开挖需求降水，基坑外水位变化小于0.5 m/d。工程段基坑开挖处堤防横断面见图1。

图1 工程段基坑开挖处堤防横断面(m)

1.2 工程地质和水文地质

场地地貌类型属三角洲平原的微凸高沙平原，在勘探深度范围内所揭示的地层均为第四纪松散堆、沉积物，按成因类型和土质特征，模型范围内共分5层，土体参数表见表1。工程范围内地下水类型为松散岩类孔隙性潜水及松散岩类孔隙性承压水。①层素填土受人类活动及自然因素的影响较大，存在裂隙、空隙、孔洞等，具有一定的透、含水性；②1、②2、②3粉土层具弱透水性，①、②1、②2、②3层共同构成场地的潜水含水层。下伏③层粉质黏土，为潜水含水层的相对隔水底板，以下为承压水层，埋藏较深，不易发生基坑突涌。

基坑开挖范围内分布有粉土粉砂层且靠近河道有较大的补水边界，地下水量丰富，因此渗流安全是工程安全的重要考虑内容。

2 有限元计算原理及模型建立

2.1 计算原理

有限元法是一种求解连续介质力学问题的数值方法，以剖分差值和变分原理为基础，广泛应用于各类偏微分方程的求解中。计算时首先将连续体离散成有限个通过节点连接互不重叠的单元，进行单元分析，借助于变分原理或加权余量法，将控制微分方程离散求解。渗流计算时假定符合达西定律[9]，模型在边界条件下，采用广义拉普拉斯方程求解稳定渗流场，见式(1)，采用有限元法把求解偏微分方程的定解问题转换成变分问题。

(1)

式中kx、ky、kz——x、y、z方向的渗透系数，假定各向同性；h——点(x，y，z)处的水头函数。

2.2 有限元模型的建立

为减少模型边界尺寸对计算结果的影响，模型深度至少取2倍的帷幕深度[10]，上下游方向至少取1倍坝高[11]，结合计算精度和计算工作量，本次模型基础深度取2.1倍的帷幕深度(按落底式算)，堤防迎水侧宽度取约3.5倍堤高，模型地基总长度取825 m，总宽度取658 m。为便于不同开挖阶段的计算，根据地层数据和基坑开挖阶段分层建立模型。同时为减少模型建立工作量，拟在近堤防侧基坑口外3 m处预设一排防渗帷幕单元，帷幕拟采用水泥搅拌桩或高压旋喷桩，桩径0.85 m，桩间距1.2 m。建模时防渗帷幕简化为连续墙以利于网格的划分及计算，采用等效刚度法计算等效厚度为0.67 m。

六面体网格划分时虽比四面体网格耗费时间，但网格质量高、计算快、精度高。本次网格划分时尽量采用六面体，实在不能划分的采用四面体。同时对堤防、基坑土体和帷幕等主要分析对象局部加密，模型网格划分示意见图2。

图2 模型网格划分示意

2.3 边界条件

边界条件考虑约束、重力和水位条件。约束：上部为自由端，四周采用法向约束，底部采用固定约束。重力方向为Z轴负方向。水位：由于工期较长，考虑较不利情况，施工过程中可能遭遇洪水，迎水侧水位取50年一遇防洪设计水位8.0 m；背水侧地面无水，基坑处为基坑开挖降水水位，取为基坑底下0.5 m，开挖阶段1取2.0 m、开挖阶段2取-2.0 m、开挖阶段3取-6.0 m。

2.4 土体本构模型

土体力学特性十分复杂，是非线性、非弹性体，具有剪胀、剪缩等多重特性，理想的弹塑性模型和常规的摩尔库伦模型不能满足深基坑的计算要求，而硬化土模型考虑了土的剪切和压缩硬化[12-13]，能够反映深基坑复杂的应力路径[14]，MIDAS GTS 提供了这样一种计算模型，即：修正摩尔-库伦本构模型。接触面设置：假定高压旋喷桩与土体间不发生相对位移，桩与土体通过界面单元传递法向力和切向力，界面强度折减系数取为0.65。

表1 模型材料参数

3 模型计算及分析

一般认为基坑沉降影响范围为2～3倍的开挖深度，本次基坑距离堤角75 m，超过基坑开挖深度的3倍，在经验沉降影响范围外且周边无其他建筑物，因此本文重点分析渗流问题。计算时利用激活或钝化单元来模拟基坑分步开挖过程，通过改变单元属性和设置界面单元来模拟防渗帷幕。

3.1 初始和开挖不加帷幕状态

为了便于对比分析帷幕对渗流影响，首先对模型进行基坑开挖前初始状态、基坑开挖不加帷幕状态计算分析。基坑开挖前洪水期堤后逸出渗透坡降0.121，小于允许渗透坡降，堤防渗流稳定，随着开挖降水深度的增加渗流逸出坡降增大。整个开挖过程中堤防的渗流坡降均小于相应土层允许渗透坡降，基坑近堤防侧内角点位置渗透坡降最大且随着开挖深度的增加而增加，基坑开挖完成时最大达0.518，见图3，大于允许渗透坡降。大于允许渗透坡降部位分布在近堤防一侧基坑角点附近，见图3a，极易发生渗透破坏，基坑失稳势必也会对堤防稳定造成一定程度的影响，因此，需要施加防渗帷幕来保证渗流安全。以上各阶段计算渗流逸出坡降见表2。

由于落底式帷幕对基坑渗流场具有显著的控制效果[3，13]，基坑下7.5 m存在较厚的相对不透水层③粉黏土层，可作为防渗依托层，综合考虑后选取落底式帷幕。通常将墙底伸入黏性土层内1.5～2 m或更大[18-20]，本次防渗桩桩长取21 m。水泥搅拌桩标贯击数大于15击的土层难以施工，本次选取可施打深度大、施工速度快、成桩防渗效果好的高压旋喷桩。从生态性角度来说，帷幕长期置于地下必定对周边地下水的运动产生一定的不利影响，加上投资方面考虑，在满足功能性需求的情况下帷幕设置范围越少越好，因此，侧向防渗帷幕长度根据试算结果来确定。根据基坑近堤防特点及基坑渗透破坏位置，主要考虑以下帷幕施加方案：方案一，近堤防侧施加平行堤防中间帷幕(做比较用)；方案二，施加平行堤防中间帷幕和侧向防渗宽度8.5 m；方案三，施加平行堤防中间帷幕和侧向防渗宽度17 m；方案四，施加平行堤防中间帷幕和侧向防渗宽度25.5 m。各方案及不同施工阶段下渗透坡降见表2。

3.2 帷幕设置对堤防的影响

进行应力渗流耦合分析后，由表2可以看出：随着基坑开挖深度的增加，堤防本身的最大渗透坡降增加，添加帷幕后堤防的最大渗透坡降有所减少，但是侧向帷幕的宽度对堤防的最大渗透坡降影响不大。计算还发现添加帷幕后基坑开挖对堤防变形造成的影响较小(计算仅提供趋势参考，具体变形值需结合实际观测)，基坑开挖对堤防沉降影响最大处由基坑中心对应堤防处分散至基坑两侧所对应堤防处，且数值减小，见图4。

a)不加帷幕开挖阶段3渗流

表2 各方案渗透坡降表

a)未添加帷幕基坑开挖后

3.3 帷幕设置对基坑的影响

从计算结果可看出施加帷幕后可有效地降低基坑逸出坡降，仅施加平行堤防中间帷幕，基坑逸出坡降及超允许范围有减小，但仍未能满足要求，需添加侧向帷幕。侧向帷幕的施加对基坑角点效应有削弱的趋势，随着侧向防渗帷幕宽度增大，基坑最大逸出坡降减小。经试算基坑侧向帷幕宽17 m时较8.5 m时防渗效果较为显著，再增加对最大逸出坡降影响不大，侧向帷幕宽17 m时开挖阶段3渗流坡降云图见图5a。因此，从技术、经济的角度，侧向防渗帷幕设置17 m宽可以满足渗流要求，保障堤防安全，亦可节省投资。添加帷幕后模型最大帷幕渗透坡降位置位于近堤防侧帷幕底，见图5b。侧向帷幕宽度增加使得最大帷幕渗透坡降稍有增大，最大值的位置仍在中间帷幕底部的中心；侧向帷幕断头处渗透坡降也较其附近大，但均在允许范围内。

a)整体

4 结论及建议

根据有限元模拟分析结合工程实践经验得出以下结论。①基坑开挖后，基坑近堤防侧角点位置渗透坡降最大，最易失稳，与实际情况相符；添加帷幕后模型最大帷幕渗透坡降位置位于近堤防侧帷幕中间底，侧向帷幕断头处渗透坡降也较大，因此要保证帷幕和土体的良好接触及帷幕底土层的稳定性。②设置防渗帷幕虽可以有效地降低堤后渗透压力，避免基坑产生渗透破坏，减少对堤防变形的影响，但帷幕对渗流场的影响较大，承担主要的水头损失，且属于隐蔽工程，帷幕一旦失效影响巨大，施工和验收时应当严格质量把控，加强基坑及堤防的安全监测，建立防渗墙失效的应急预案。③在单边补水边界较大的情况，止水帷幕的侧向长度有一定的优化设计空间，可在满足规范要求的前提下节约施工成本，减少对地下水环境的影响，但是其应用也具有一定的局限性，仍需结合具体工程具体分析。