基坑止水帷幕参数敏感性分析研究

刘 影

(北大荒农垦集团有限公司，哈尔滨 150036)

0 前 言

渗流作为基坑工程失稳的众多因素之一，在地下水渗流造成事故的占比近22%，可见，地下水的渗流会严重威胁基坑的安全稳定[1]。不同的基坑工程根据深度和面积设计参数，在岩土工程或水利工程中施工标准要求不同，所以基坑设计应根据实际工程的具体情况考量，同时作为影响因子之一的土体渗透系数，其参数变化及与不均匀分布性，使得工程情况复杂多变。

1 有限元原理

有限元软件的温度场模块中，温度场和渗流场比拟原理是基于温度流体和热体的运动相似性。借Thermal模块中可模拟渗流场，其计算原理[2]如下：

温度场控制分析方程表达式为：

(1)

边界条件满足：

θ|S1=θ

(2)

(3)

式中：θ为温度；kx、ky、kz为三向传导率；qB为热源密度；S1、S2为两类已知边界；qS为边界热源密度。

渗流模拟时，以渗流水头h代替温度，三向渗透系数kx、ky、kz替代热传导系数，令qS=0，简化为：

(4)

2 工程实例

2.1 工程概况

某工程基坑长52m，宽30m，开挖深度16m。基坑支护采用砖砌挡墙+护坡桩+锚杆支护体系，护坡桩采用φ600钢筋混凝土灌注桩，桩长4.8-18.6m，桩间距1.0-1.5m，锚杆长度8-21m，间距1.2m[3]，降水方式采用抽取和疏干相结合的层间潜水来降低承压水。基坑开挖几何模型见图1。

图1 基坑几何模型

2.2 力学参数

基坑的不同材料类型力学参数见表1[4]。

表1 材料参数表

2.3 计算结果

设定基坑模型的止水帷幕深度26 m，宽度1 m，止水帷幕渗透系数分别选取1.25×10-6m/s、1.25×10-7m/s、1.25×10-8m/s、1.25×10-9m/s四个不同工况的参数取值来进行基坑渗流模拟[5]。随着止水帷幕渗透系数的变化，基坑压力水头云图如图2所示。

(a)

从图2可知，随着渗透系数不断变小，基坑地下水位不断降低，当系数值从工况一变化至工况二时，出露点高度降低0.84 m；从工况三变化为工况四时，出露点高度减少0.23 m。表明当渗透系数减小到特定恒值时，地下水下降变化不大。地下水下降高度与止水帷幕渗透系数变化关系如表2所示。

表2 地下水下降高度与止水帷幕渗透系数对应关系

基坑的渗流速度计算结果如图3所示：

从图3可知，工况1的基坑外侧地下水渗出位置在坑脚处，该处渗流速度最大，随距离坑脚位置变化，渗流速度逐渐降低；工况2的绝大多数地下水进入基坑内侧；工况3、工况4的全部地下水进入基坑内侧，此时的止水帷幕将水隔绝，渗流速度最大值在距基坑侧壁1.6 m处。渗流速度与基坑侧壁距离的对应关系如图4所示。

(a)

图4 渗流速度与基坑侧壁距离的对应关系

基坑渗流通量计算结果见图5：

从图5可知，工况1的地下水通过坑脚渗入基坑，此时未绕过止水帷幕；工况2下有少量地下水水透过止水帷幕进入基坑，产生显著的“绕流”现象；工况3、工况4时的绕流现象更显著。不同渗透系数的基坑渗流流量与基坑侧壁距离关系如图6所示。

图5 不同渗透系数止水帷幕的渗流通量等值线图

图6 渗流流量与基坑侧壁距离的关系

当止水帷幕渗透系数值降低，基坑地下水位线和渗流速度存在一定变化，限定在基坑土体的10-3-10-4范围内时，对地下水的阻滞作用效果显著，超过或不足时，阻滞作用降低，可见止水帷幕渗透系数是影响其止水效果的重要因素。

3 结 论

文章基于Thermal模块的渗流场与温度场相似原理，有限元模拟基坑工程不同工况下的渗流场变化，以渗透系数为控制参数，通过压力水头、渗流速度和渗流流量的模拟计算，结果表明：当止水帷幕的渗透系数为基坑土体的10-3-10-4数量级时，其止水效果良好，超出或不足该取值范围，渗流效果将明显下降。