强透水地层水平帷幕作用下基坑渗流特性

孙晓贺 施成华 曹成勇 刘胜利 雷明锋

(1中南大学土木工程学院, 长沙 410075)(2深圳大学土木与交通工程学院, 深圳 518060)(3广州地铁设计研究院股份有限公司, 广州 510010)

沿海城市的地下工程建设不可避免会遇到地质条件差、地下水丰富的情况,在强透水砂卵石地层的深基坑施工中,由于砂层压缩性小、渗透系数大、易液化、无黏聚力、自稳能力差等特点,施工时渗漏水易带走砂土层中的粉细颗粒,引发流砂、涌水等事故,造成周边地层沉降甚至基坑坍塌[1-3].众多工程案例表明,地铁车站深基坑事故大多是由于地下水控制失效造成的[4],故地下工程中对于地下水的控制至关重要.

止水帷幕在深基坑地下水控制过程中发挥着重要作用,很多学者研究了竖向止水帷幕的作用机理,并提出了涌水量的预测方法[5-10].曹成勇等[11]基于帷幕的失稳破坏和渗透破坏机理,提出了基坑深层水平封底隔渗帷幕计算方法,并将该方法用于实际工程中.陆建生[12]考虑深基坑无压水条件,提出了一种水平帷幕设计方法,并用于地下水控制设计及实践中.蒋盛钢等[13-14]采用深层水平封底帷幕方案,实现了对地铁基坑地下水降水的控制,保证了基坑施工和周边环境的安全.曹树辉等[15]采用理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了不同地下连续墙深度及深层水平封底止水效果与基坑涌水量、坑外水位降深之间的关系.罗珊[16]为解决强透水地层管道下穿既有铁路不允许降水的难题,将水平旋喷桩止水帷幕作为超前支护,并根据理论分析和工程经验,确定其设计参数.目前强透水地层坑底水平封底加固技术已较为成熟,但针对水平封底帷幕还缺乏有效的理论计算方法,对不同水平封底帷幕加固条件下基坑渗流变化规律的相关研究也较少.

本文基于Darcy渗流理论,对水平封底帷幕作用下基坑内涌水量及帷幕底部水压的理论解进行了推导.结合室内渗流试验,探讨了渗透系数比、帷幕厚度以及帷幕与基坑底部的距离对基坑渗流的影响规律.研究结果可为强透水地层基坑中水平帷幕的设计及施工提供参考.

1 计算方法

1.1 潜水作用下基坑渗流计算模型

潜水作用下基坑水平封底帷幕渗流计算模型示意图如图1所示.图中,b为基坑宽度;δ为水平帷幕的厚度;l1为水平帷幕顶面至基坑底部的距离;l2为水平帷幕的底面至地连墙底部的距离;k1、k2、k3分别为水平封底帷幕上部土体、帷幕本身及帷幕下部和基坑外侧土体的渗透系数;H为地连墙外侧初始水头高度;L为地连墙底端渗流路径长度;h0为基坑底部的水头高度,假定基坑内的水位降到基坑底部,并将其作为零势水头面,则h0=0;h1、h2分别为水平封底帷幕顶部和底部的水头高度.

图1 潜水作用下基坑渗流计算模型示意图

1.2 潜水作用下水压及涌水量计算方法

根据福州市某水平帷幕地铁基坑现场抽水实验结果[11],假定在抽水过程中水平帷幕作用下基坑外侧的潜水水面是水平且稳定的,渗流过程不发生坑底绕流或紊流,服从Darcy定律.由于地连墙的渗透性极弱,故假定地连墙不透水.取单位长度的基坑进行渗流分析,根据Darcy定律,涌水量为

Q=kAJ

(1)

式中,k为渗透系数;A为过流断面的横截面积,由于是取基坑单位长度的断面进行分析,故A=b;J为水力梯度,且

(2)

式中,dh为流体流经距离dl的水头损失.

将式(2)代入式(1),可得某过流断面的流量为

(3)

将基坑外侧的潜水渗流路径分为3段:① 基坑外初始水位到水平帷幕底部;② 水平帷幕底部到顶部;③ 水平帷幕顶部到基坑底部.

根据式(3),引入第1段路径的边界条件可得

(4)

由式(4)可得

(5)

同理,引入第2、3段路径的边界条件分别可得

(6)

(7)

式(5)～(7)中h0=0,联立可得帷幕底部水头高度及基坑涌水量分别为

(8)

(9)

1.3 承压水作用下基坑渗流计算模型

承压水作用下基坑水平封底帷幕渗流计算模型示意图如图2所示.图中,p为地连墙底部的承压水水压.

图2 承压水作用下基坑渗流计算模型示意图

1.4 承压水作用下水压及涌水量计算方法

承压水作用下的渗流模型与潜水作用下的渗流模型有所不同.从渗流路径来看,承压水模型中不透水层的存在隔断了上部潜水与下部承压水的水力联系,使得基坑涌水的水力补给完全来自于承压水,因此第1段渗流路径的长度仅为l2,没有基坑外的渗流路径.从渗流动力来看,在潜水模型中潜水面与基坑底部存在高差转变为水压差,从而形成渗流动力;而承压水模型中渗流的动力则直接来自于地连墙底部的承压水水压.

计算方法及原理同1.2节.为使承压水作用下的计算公式与潜水公式形式上保持一致,考虑到两者渗流路径及渗流动力的不同,将第1段渗流路径由L+l2改为l2,竖向帷幕底部的水压p换算为相对应的水头高度H,得到水平帷幕底部水压及涌水量计算公式分别为

(10)

(11)

2 试验验证

由于承压水和潜水的计算原理相同,且承压水模型试验无需设置基坑外的土层及渗流环境,试验装置简单易于操作,试验效率高,故采用承压水试验模型对计算方法进行验证.

2.1 强透水地层基坑水平帷幕室内试验设计

参考文献[8,10,17-18],设计了如图3所示的模型箱,其尺寸为1.2 m×0.4 m×0.8 m.填土上表面距箱底75 cm,降水井底部距箱底55 cm.模型箱内侧沿深度方向自下而上每10 cm布一个直径为1.5 cm的测压孔,共设置7个,并与测压表相连以观察沿程水压变化.模型箱两侧底部各设2个供水孔,每个供水孔都连接增压水泵.通过改变水泵的供水压力,将试验中的初始水头高度设置为5 cm.试验中通过调节抽水泵功率,使模型箱70 cm处的测压表读数接近为0,即保持水位稳定在70 cm处.水位稳定后,通过读取抽水泵的流量来记录此基坑模型的涌水量.

图3 试验模型箱示意图(单位:cm)

试验中考虑水平封底帷幕的渗透系数比β(即水平帷幕渗透系数与紧邻帷幕周围土体渗透系数的比值)、水平帷幕顶面至基坑底部的距离l1以及水平帷幕的厚度δ三个参数对基坑降水的影响,共设置7组不同工况(见表1).选取渗透系数为8.13 m/d的中砂作为试验土体材料.用黏土和砂土按照不同比例混合,模拟不同渗透系数的水平封底帷幕.不设水平帷幕时,渗透系数比为1.

表1 各工况参数表

2.2 试验结果对比

基坑涌水量与帷幕底部水头高度对比曲线分别见图4和图5.根据工况1、2、6、7，得到不同渗透系数比下的对比曲线图;结合工况2、3、6，得到不同厚度对比曲线图;根据工况2、4、5，得到不同帷幕与基坑底距离下的对比曲线图.

(a) 渗透系数比

(b) 厚度

(c) 帷幕与基坑底的距离

(a) 渗透系数比

(b) 厚度

(c) 帷幕与基坑底距离

由图4和图5可知,各影响因素下基坑涌水量及帷幕底部水头高度的试验结果与计算结果曲线变化趋势相同,相对误差控制在20%左右,说明本文所提出的计算方法是可行的.

2.3 误差原因分析

试验结果与计算结果存在误差的主要原因为:

1) 水力降落漏斗.计算时假定抽水过程中基坑底面水位是水平的,然而由于设置的抽水井数量有限,在实际试验中会出现降落漏斗(见图6).此外,因地铁车站长宽比较大,计算中作为二维渗流问题来处理,但试验中模型箱长宽比较小,故在模型长度方向也会存在降落漏斗,从而加剧了降落漏斗现象.降落漏斗的存在导致过水断面较理论假定大,从而使试验中得到的涌水量较理论值也较大.实际水位线较理论水位线低,使渗流路径变短,导致试验测得的帷幕底部水压较计算值较大.

图6 水位线示意图

2) 供水水压不稳.试验中仅采用4个带压力的供水管来模拟承压水水压,并不能在模型箱底部形成稳定的渗流条件,可能产生的紊流会破坏底部土体结构,在渗流路径前段形成过水通路,从而导致涌水量和帷幕底部水压偏大.

3)帷幕与试验箱黏接不牢.试验中模型箱主体采用的是玻璃制品,而用黏土与砂混合而成的水平帷幕与玻璃制品不好黏接,常存在一定的缝隙,加强了帷幕上下土体的水力联系,造成试验测得的涌水量偏大，帷幕底部水压偏低.

综上所述,水力降落漏斗的存在、不稳定的供水水压及帷幕与试验箱黏接不牢都会对试验结果造成干扰,形成误差.因此,试验中可采取相应措施来减少误差对结果的影响,例如通过加大模型箱的尺寸及长宽比、多设置降水井来减少降落漏斗的干扰,在模型箱底部设置一层碎石层来降低供水水孔处紊流对结果的影响,帷幕四周通过密封胶来对缝隙进行密封.

3 水平封底帷幕对基坑渗流的影响规 律分析

以某地铁车站基坑为算例,采用理论计算方法分析基坑涌水量及帷幕底部水头高度随水平封底帷幕的渗透系数比、厚度及距基坑底距离的变化规律.基坑的简化模型如图7所示.基坑宽20 m,地连墙入土深度为35 m,基坑底部距地面10 m,地下潜水位与基坑底部高度差为l3.

3.1 渗透系数比对基坑渗流的影响

令l1=10 m,δ=5 m,计算得到不同渗透系数比下帷幕底部水头高度及涌水量(见图8).由图可知,当渗透系数比增大时,帷幕底部水头高度急速下降,单位长度涌水量急剧上升.当渗透系数比为0.01时,水头高度为不设帷幕的3～4倍,但涌水量仅为不设帷幕的10%.当渗透系数比为0.001时,涌水量仅为不设帷幕的1.8%.实际中,在强透水地层中不设水平帷幕时,会发生坑底绕流和紊流现象,涌水量会比计算值更大,即设置水平帷幕时基坑涌水量较不设时更小,说明水平帷幕起到了良好的隔水效果.

图7 某基坑简化模型图(单位:m)

(a) 水压

(b) 涌水量

3.2 帷幕厚度对基坑渗流的影响

令l3=5 m,l1=10 m,计算得到不同帷幕厚度下帷幕底部水头高度及涌水量(见图9).由图可知,当水平帷幕厚度增大时,帷幕底部水头高度增大,单位长度涌水量下降,且曲线变化速度越来越慢.这表明水平帷幕厚度增加对基坑渗流存在一定的影响.对比图8发现,水平帷幕厚度的影响要比渗透系数比小.

(a) 水压

(b) 涌水量

3.3 帷幕与基坑底距离对基坑渗流的影响

令l3=5 m,δ=5 m,计算得到不同帷幕与基坑底距离下帷幕底部水头高度及涌水量变化(见图10).由图可知,帷幕位置的改变对水头高度影响不大,且渗透系数比越小,影响越弱;涌水量不随帷幕厚度而变化.因此,帷幕与基坑底距离的改变对水压及涌水量几乎没有影响.

3.4 水平帷幕设计参数

上述分析表明,水平帷幕的渗透系数比对基坑渗流的影响至关重要,渗透系数比越小,止水效果越显著.考虑到现场地质条件及施工环境,将水平帷幕渗透系数做到极低是困难的,而当渗透系数比为0.01时即可降低90%的涌水量,因此综合考虑后建议强透水地层基坑水平帷幕的渗透系数比不宜高于0.01.帷幕厚度对止水具有一定的影响,当基坑施工对止水有严格要求时,可适当增加帷幕厚度来加强止水作用.而从造价方面来看,降低水平帷幕的厚度是有利的,但考虑到水平帷幕可能发生剪切破坏及产生质量缺陷等问题,建议厚度不应小于4 m.水平帷幕与基坑底的距离对渗流几乎没有影响,因此在满足基坑抗隆起、抗突涌等条件后,可适当缩短水平帷幕到基坑底部的距离,以方便施工和降低造价.

(a) 水压

(b) 涌水量

4 结论

1) 根据水平帷幕作用下潜水及承压水中地下水的流动规律,建立了强透水地层水平封底帷幕作用下基坑渗流理论计算模型.基于Darcy渗流理论,推导出强透水地层水平封底帷幕作用下基坑涌水量和帷幕底部水压的计算方法.

2) 设计并进行了强透水地层水平帷幕作用下的基坑渗流室内模型试验,并将试验结果与计算结果进行对比,两者的相对误差在20%左右.对产生误差的原因进行了分析讨论,验证了计算方法的可靠性.

3) 采用所提计算方法分析了基坑水平封底帷幕渗透系数比、厚度和帷幕与基坑底的距离对基坑渗流的影响规律.结果表明,水平封底帷幕的渗透系数比对基坑涌水量和基底水压的影响最为显著,帷幕厚度影响较小,帷幕距基坑底的距离对基坑渗流几乎没有影响.

4) 根据不同水平帷幕设计参数下基坑涌水量和坑底水压的计算结果,建议强透水地层基坑水平帷幕的渗透系数比不宜高于0.01,水平帷幕的厚度不宜小于4 m.