基于抽水试验的基坑渗漏有限元分析

2021-08-14罗志华

工程质量 2021年6期

罗志华

（1.上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海 200093；2.上海岩土与地下空间综合测试工程技术研究中心，上海 200093；3.上海市岩土工程专业技术服务平台，上海 200093）

0 引言

随着城市地下空间开发深度不断增加，深基坑工程也不断涌现。基坑施工过程中，受施工技术水平、人员管理等因素影响，围护结构往往会出现不同程度的渗漏，并进一步导致围护水平变形增大、周边建筑管线沉降开裂等问题［1，2］，直接影响工程进度和施工安全，因此，基坑开挖前对基坑渗漏情况进行检测具有重要意义。目前基坑围护渗漏检测方法大致可以分为钻孔检测方法、无损物探检测方法［3-7］和抽水检测法。抽水检测法是基坑围护及止水帷幕施工完毕后及开挖之前，利用抽水试验坑内外水位变化结果来检验基坑围护及止水帷幕的止水效果。假设基坑围护没有质量缺陷，基坑内降水将不会造成坑外地下水位的大幅下降；反之，若基坑围护及止水帷幕发生渗漏，则该处坑外的地下水位必然发生比较大的变幅。利用这个原理可以在基坑开挖前对基坑围护及止水帷幕施工缺陷进行初步的判定，结合其他无损物探检测方法，可以更准确地判断基坑渗漏位置和渗漏情况。随着基坑开挖及降水运行过程的进行，对于随基坑开挖和坑内外水头压力差变大而逐步发展形成的地下连续墙渗漏也能在坑外地下水位的变化上反映出来。本文通过已发生渗漏的基坑抽水试验工程案例，分析研究基坑存在渗漏时，通过抽水试验的水位变化情况；同时结合渗漏基坑工程案例中抽水试验数据对渗漏基坑进行有限元分析。

1 工程概况

上海某地铁车站周边为成熟地块，包括居住区、商业用地、道路管线、管沟、已建地铁车站及盾构隧道等，最近距离仅 5.6 m，基坑开挖对周边环境影响较大，环境保护要求高。该场地涉及土层主要为第四系饱和黏性土、粉性土和砂土，涉及承压水层为第 ⑦ 层粉砂层以及第 ⑨ 层粉砂层，渗透系数约 1h10-4～1h10-2（cm·s-1），第 ⑦ 层顶埋深约 28.5 m，⑦⑨ 层相互连通，水量丰富，承压含水层初始水头埋深约 5.6 m。由于该项目 ⑦⑨ 层连通，存在巨厚承压含水层，开挖施工过程中若基坑围护发生渗漏，将直接威胁基坑及周边环境安全。

该地铁车站南端头井基坑挖深 26.4 m，采用1 200 mm 厚地下连续墙围护（中隔墙为 1 000 mm 厚），围护深度 48 m，同时该端头井地连墙外侧距离 1.2 m处设置了 TRD 止水帷幕，深度 60 m，厚度 800 mm。基坑地连墙围护以及 TRD 止水帷幕未隔断 ⑦⑨ 层承压水，为悬挂式止水，地层分布以及基坑围护剖面如图 1 所示。

图1 工程地质剖面及基坑围护示意图

基坑降水井平面布置图如图 2 所示，坑内 3 口降水井，坑外 7 口观测井（其中 H-5 观测井失效），井深均为 48 m（与地墙同深），滤管位于第 ⑦ 层，长度 15 m。

图2 基坑承压水层降水井布置平面图

2 抽水试验数据分析

基坑开挖前进行了抽水试验，抽水试验开启基坑内 WA2 和 WA3 井，抽水历时 24 h，其中，WA2 井平均出水量约 7.87 m3/h；WA3 井平均出水量约 5.27 m3/h，抽水试验期间及停止后水位变化曲线如图 3、图 4 所示，抽水结束后观测井实测降深如表 1 所示。

表1 第一次 WA2 和 WA3 抽水试验后观测井实测降深

图3 抽水试验期间观测井水位埋深变化曲线

图4 抽水停止后观测井水位埋深变化曲线

从抽水试验阶段观测井降深数据可以发现，坑外 H2 观测井水位明显异常，其次为 H1，因此可初步估计止水帷幕渗漏发生在观测井 H2 附近，该处为拐角地墙的接缝处，渗漏风险较大。

为进一步判断基坑围护及止水帷幕渗漏情况，进行了第二次抽水试验，抽水试验开启基坑内 WA1 井，并对坑外 H1、H2、H3 井进行观测，抽水 5 h 后，各观测井水位实测降深如表 2 所示。结合第一、二次抽水试验结果基本可以判断基坑围护及止水帷幕在 H2 观测井附近存在渗漏，因此在 H2 附近进行了 RJP 注浆加固止水。RJP 完成后，为判断加固止水效果，进行了第三次抽水试验验证，仍开启坑内 WA1 井，对坑外 H1、H2、H3 井进行观测，抽水 5 h 后，各观测井水位实测降深如表 3 所示。从第三次抽水试验验证结果可以看出，经过加固后坑外水位下降明显减小，说明坑外 H2 附近确实存在渗漏，且经过 RJP 加固后，起到了明显的止水效果。

表2 第二次 WA1 抽水试验后坑外观测井实测降深

表3 第三次 WA1 抽水试验后坑外观测井实测降深

3 有限元渗漏模拟分析

3.1 模型建立

为更深入地研究地连墙围护渗漏对抽水水位的影响，采用 Midas GTS 岩土工程数值分析软件，结合实际工程概况并考虑整体车站基坑，建立三维有限元模型，如图 5 所示。土体本构采用修正-摩尔库伦模型；基坑围护及止水帷幕均采用三维实体单元模拟，地连墙厚度 1 200 mm（邻近标准段基坑为 1 000 mm厚），TRD 止水帷幕厚度 800 mm，材料参数设置如表 4 所示，围护及止水帷幕均设置为不透水。由于渗流与土体应力变形为耦合关系，为充分评估抽水试验结果，计算时采用渗流应力完全耦合控制方程。抽水试验模拟采用节点流量方法，在相应降水井的滤管深度位置设置节点流量边界条件。

表4 围护及止水帷幕参数信息

图5 三维有限元模型

为模拟围护及止水帷幕渗漏对抽水水位降深的影响，根据抽水试验初步判断的渗漏位置，将该位置对应第⑦层深度的围护及止水帷幕单元设置为可透水，称之为渗漏单元，渗漏单元尺寸为 2 mh3.5 m，如图 6 所示。

图6 基坑围护及止水帷幕渗漏单元设置

3.2 计算结果分析

1）渗漏单元渗透性对水位降深的影响。设置 WA2 和 WA3 降水井位置的节点流量，模拟抽水过程，同时调整渗漏单元的渗透系数，得到不同的水位降深结果，图 7 是 H2 位置处降深-渗漏单元渗透系数与原状土渗透系数之比的变化关系曲线。从图 7 中可以看出，随着渗漏单元渗透系数增加，坑内抽水对坑外水位影响逐渐增大并趋缓。图 8 则是渗漏单元渗透系数为原状土 0.6 倍时总水头（水位埋深）云图，从图 8 中可见，总水头分布与第一次抽水试验各观测井实测降深较接近，因此抽水试验各工况模拟时设置渗漏单元渗透系数为原状土的 0.6 倍。

图7 渗漏单元渗透系数大小与 H2 水位降深关系曲线

图8 渗漏单元渗透系数为原状土 0.6 倍时总水头云图

2）抽水试验模拟结果。根据实际抽水试验工况，分别进行抽水试验模拟，水位降深模拟结果与实测结果对比如表 5～7 所示。从模拟结果对比可以看出，模拟降深与实测降深基本匹配，说明数值模型中渗漏单元尺寸以及渗透参数设置是合理的。通过有限元反演方法来模拟基坑渗漏，可以用于辅助判断基坑渗漏情况，如基坑渗漏位置及渗漏大小。