抽水试验及数值模拟在基坑工程中的应用

2021-10-20张兴

岩土工程技术 2021年5期

张兴

（北京中岩大地科技股份有限公司，北京 100041）

0 引言

基坑施工过程中，为避免产生流砂、管涌、坑底突涌，防止坑壁土体的坍塌，保证施工安全和减少基坑开挖对周围环境的影响，当基坑开挖深度内存在饱和软土层和含水层及下部承压水对基坑底板产生影响时，就需选择合适的降低地下水水位或水头的方法对基坑进行降水。

随着我国大中城市的发展，与地下空间开发利用紧密相关的基坑降水越来越受到重视。基坑降水导致其周边水位波动，减小了土粒间的浮托力；同时水头压力改变，土层中产生水头梯度，增加了渗透压力，导致有效应力增加，从而引起地层压密而产生的地面沉降[1−3]。

在浅部疏干土层中地下水和局部的、大幅度的、暂时性的降低下部承压水水头的过程中，控制由于降水引起的周围地面沉降和建（构）筑物的变形，更需得到重视。由于大量抽汲地下水，国内许多地区已先后出现严重的地面沉降。如何合理地开发、利用地下水并控制地面沉降，是亟待解决的重要课题之一[4−10]。

降水工程设计应进行多方案对比分析后选择最优降水方案，降水工程设计应重视工程环境问题，防止产生不良工程环境影响[11]。数值模拟能够对地下水控制方案进行合理的预测分析，针对基坑降水工程危害采取有效措施加以防范[12−14]。

1 工程概况

1.1 场地概况

本项目位于江西省宜春市袁河一级阶地内，南侧高、北西侧低，地面高程92.22～99.71 m，最大高差约7.5 m；场地西侧及南侧为居民区，楼层4～7层，距离基坑边线8～20 m；北侧及东侧紧邻市政道路，距离基坑边线8～12 m。拟建项目的基坑支护工程呈L形，场地±0.00的高程为91.0 m，基坑设计深度9.0～16.8 m，周长约820 m，占地约2.91×104m2。

根据地勘报告，在钻探深度范围内，该场地土层为第四系杂填土、素填土（Q4ml）、含砾粉质黏土、粗砂、砾砂（Q4al-pl），粉质黏土、含砾粉质黏土、砾砂、碎石土、溶洞充填物（Q4pl），下卧二叠系石灰岩（P12），覆盖层与下卧岩层为不整合接触。各岩土层岩物理力学参数见表1。

表1 各岩土层物理力学参数

1.2 工程水文地质条件

上层滞水含于①1杂填土及①2素填土层中，初见水位埋深0～2.6 m，连通性较差，渗透性能在平面上也不均匀，无连续的水位，水位及水量受季节性变化影响大，主要为大气降水补给、蒸发排泄。

具承压性的孔隙性潜水及岩溶裂隙水，含于③粗砂层及以下土层中，稳定水位埋深4.2～7.5 m。主要分布在早期河床冲刷沉积层中层状分布，水量较大。补给方式主要受秀江（距离基坑北侧约200 m）河水侧向径流排泄及补给及场地周边蕴含水层补给影响。

1.3 基坑支护设计概况

支护结构总体采用了钻孔灌注桩+锚杆+上部放坡支护形式，局部剖面大放坡。基坑主要支护形式为桩锚体系，护坡桩桩径1.0 m，桩间距1.3 m，桩长16.0～28.0 m，入中等风化岩层1.0～6.5 m，锚杆1～2道。地下水控制采用桩间旋喷+坑外减压井+坑内疏干井，旋喷桩桩径1.0 m，桩间距1.3 m，坑外设减压井间距30 m，坑内设疏干井间距35.0 m，井深16～17 m（入岩不小于0.5 m）。

1.4 基坑施工概况

基坑工程于2013年12月开始施工，2014年8月基坑开始降水，2014年11月在施工至−9.0 m处时坑内涌水量剧增，坑内疏干井由最初的19口增至27口，日抽水量达10000 m3以上，直接导致周边近百米范围内建筑物及道路均出现不同程度的沉降及裂缝，桩顶位移持续发展，最大值已到达116 mm（位于基坑西侧），远超基坑设计预警值30 mm，基坑安全性越来越低。为保证周边环境安全，2015年1月基坑进行回填处理，西区回填至绝对标高87.0 m，中区回填至81.5 m，东区回填至83.0 m，东侧靠近护坡桩处回填至86.0 m以压稳坡脚，回填后周边建筑物及道路沉降趋于稳定，裂缝不再发展。

根据现场调查结果，基坑涌水量之所以如此巨大，从客观上看，30 m深度范围内找不到连续隔水层；基底以碎石、砾质粉黏、砾砂等透水性较好土层为主；基坑紧邻古河道，内外水力相连、水源补给非常充分。从主观上看：实际施工止水帷幕桩时，因地层变化剧烈，引起止水帷幕桩位、桩间距、垂直度产生较大偏差，导致帷幕桩与护坡桩咬合不良，存在大量渗水、出水的情况，帷幕体系基本失效。

地下水控制为该基坑支护的关键问题，为准备基坑二次开挖，将通过现场抽水试验以及数值模拟重新确定基坑地下水控制方案。根据现场情况，基坑出水量应控制在5000 m3/d。

2 抽水试验

2.1 试验井布置

依据场地调查结果，于施工区域内布置9口试验井，井深在11～19 m，井底标高在69.5～71 m，水井成孔直径1.2 m，井管全长采用426桥式滤水管，外裹两层80目尼龙网，用编制竹皮包裹，全部采用通长包裹，一次安装，整体吊装安装工艺，井管外填充粒径5～10 mm碎石，空压机和水泵配合洗井。各试验井的位置如图1所示。

图1 各试验井的布置图

2.2 试验方案

抽水试验分东、西两个区域，每个区域分两步进行试验，第一步进行单井抽水试验，两个井同时进行单井试验的最小间距不小于50 m，每眼单井试验抽水检测的时间间隔分为：5 min、10 min、15 min、15 min、30 min、30 min、60 min、60 min，水位稳定时间不小于2 h，按照规定时间不能稳定水位的，继续每60 min检测一次，直到稳定水位在2 h以上，同时，在各时间间隔内采用水表读取出水量，记录并填写记录表。当各区域单井检测完成后，进行区域井检测，东区4口井，为W6−W9，西区5口W1−W5，西区根据单井检测结果，采取抽取W7井，同时观察W6、W8、W9水位变化，东区采取抽取W1、W4，观察W2、W3、W5的水位变化，区域抽水检测数据采集时间间隔为0.5 h、0.5 h、1 h、1 h、1 h、1 h、2 h、2 h、2 h、2 h、3 h、3 h，再按10 min、30 min、30 min、30 min、30 min的时间间隔观测各井的水位恢复情况直至水位恢复至初始值，结束抽水试验。各试验井附近的土层剖面及其结构大样如图2所示。

图2 各试验井结构及地层示意图（单位：m、mm）

2.3 试验结果

抽水试验数据统计及承压水情况如表2所示。根据试验结果：除W1、W2关联性较强，其他各试验井之间关联性较差；W1、W2和W6水井区域为承压水区域；W7、W8为承压水和溶洞层间水混合区域；W3、W4、W5为溶洞水区域；W9为灰岩水区域。

表2 试验井数据统计及承压水情况表

抽水试验反映了场地土层的复杂情况，不同区域土层差异很大，地下水补给方式极为复杂。在场地内抽水时，地下水补给方式既有水平向径流补给又有竖直向的承压水补给，且含水层透水性强，地下水径流量较大。

3 有限元数值分析

3.1 模型的建立

采用Midas GTS程序建立基坑渗流模型，模型尺寸600 m×600 m，高50 m。模型如图3所示。

图3 基坑渗流模型图

3.2 模型参数的选取

渗流系数为渗流模型的关键参数。数值模型通过不断调整土层渗透系数，将模拟得到的试验井稳定水位处的流量与抽水试验的结果相比较，选取二者接近时的渗流系数作为模型参数。最终的数值模拟结果与抽水试验出水量对比如表3所示，各土层渗流系数取值与地勘建议值对比如表4所示。

表3 出水量结果对比

表4 各土层渗透系数取值对比

3.3 模拟基坑渗流过程

为寻求合理的地下水控制方案，将分别模拟计算无帷幕、止水帷幕、分区止水帷幕+局部封底三种方案的坑底出水量。分区止水帷幕以及局部封底区域根据拟建建筑物情况以及抽水试验结果确定，分区如图4所示，其中W1、W2所在的二区以及W6、W7、W8所在的七区做旋喷封底处理，封底厚度为5 m。

图4 场地分区图

4 数值模拟结果及分析

4.1 无帷幕方案

无帷幕方案的数值模拟结果如图5所示，坑底出水量为0.278 m3/s，即24000 m3/d。根据已有数据，抽水量10000 m3/d，已严重危及周边环境，无帷幕方案显然不可行。

图5 无帷幕方案坑底出水量及总水头云图

4.2 止水帷幕方案

于回填作业面重新补打止水帷幕，典型支护剖面如图6所示。不同帷幕长度的计算结果如表5所示，止水帷幕长度为25 m的数值模拟结果如图7所示。根据计算结果，止水帷幕长度不应少于50 m。

图6 补强后典型支护剖面示意图

表5 出水量数值模拟结果

图7 止水帷幕方案坑底出水量及总水头云图

4.3 分区止水帷幕+局部封底方案

分区止水帷幕+局部封底方案，止水帷幕长度为25 m，其支护剖面是在图6的基础上于坑底增加5 m高压旋喷封底。数值模拟结果如图8所示，坑底出水量为0.048 m3/s，即4150 m3/d。各分区坑底出水量如图9所示。该方案坑底出水量大大减少，同时可以根据拟建建筑物工期计划，分时分区进行基坑开挖，能够进一步控制抽水量，减轻抽水对周边环境的影响程度。

图8 分区止水帷幕+局部封底方案坑底出水量及总水头云图

图9 各分区坑底出水量图

4.4 模拟结果分析

通过对三种方案的模拟结果，可以得知，止水帷幕方案，帷幕长度超过50 m，施工质量和经济性都不易实现，故分区止水帷幕+局部封底方案最为合理，既能减轻抽水对周边环境的影响程度，也避免了大面积封底造成经济上的浪费。同时为保证基坑安全，基坑内设置减压井，控制承压水水头，防止基坑侧壁水压力及封底区浮力过大，减压井间距15 m，局部封底区域减压井井底标高位于坑底以下14 m，未封底区域减压井井底标高位于坑底以下8 m，减压井结构仅成孔直径缩小为800 mm，其它与试验井结构相同。考虑场地的复杂地层条件，止水帷幕采用咬合桩。故本工程的地下水控制方案为4.3节给出的方案：咬合桩分区止水帷幕+局部封底+坑内控制性减压降水井。根据后期的实施效果，基坑周边的沉降稳定，裂缝不再发展。