抽水示踪法探测地下连续墙渗漏的试验及数值模拟研究

牛若歆，董海洲，2，*

(1.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210024；2.河海大学岩土工程研究所，江苏 南京 210024)

0 引言

在城市建设快速发展的进程中，城市轨道交通基坑工程呈现“大”、“深”、“紧”、“近”等特点。受城市周边环境和施工场地土层条件的复杂性以及施工质量等因素的影响，因地下水渗流引起的支护结构渗透变形、基坑突涌以及邻近建筑物沉降等事故频发，严重危及基坑的安全施工[1-3]。周红波等[4]总结了52例城市轨道交通车站基坑事故，分析指出“渗流破坏、支撑失稳、坑内滑坡”为3类最常见的事故，其中“渗流破坏”事故占比高达62%。地下连续墙作为广泛采用的防渗支护结构常出现渗漏现象，进而可能引发严重的渗水事故。Ni等[5]通过地下水水压变化研究分析了台北及高雄地铁车站发生的4起大规模漏水事件，发现事故主要的渗漏部位为相邻墙幅接缝处及墙身混凝土缺陷或薄弱位置。

因此，地下连续墙渗漏检测工作意义重大。传统的地下连续墙质量检测方法包括钻孔取芯法、静载试验及声波透射法等[6]。但钻孔取芯法检测周期长，且会破坏混凝土结构；静载试验成本高，无法连续检测；声波透射法则需提前预埋声测管。近年来，学者们研究提出了各式地下连续墙检测新方法，如声呐法[7]、微测电法[8]、超高密度电阻率法[9]、分布式光纤测温技术[10-11]、光纤布拉格光栅传感技术[12]、跨孔声波测井法[13]、温度示踪法[14]以及弹性波法[15]等，以满足现代工程高精度的要求。但上述方法均属于物探方法，通过测量间接参数对地下连续墙渗漏位置进行研判，无法直接判定渗漏位置，且其判断结果在一定程度上依赖于直接或间接经验，精准度难以保障。

本文在抽水试验及示踪法的基础上，提出地下连续墙渗漏抽水示踪联合探测方法，采用温度、电导等天然示踪结合地下水流速人工示踪测定技术，通过对非抽水天然状态和抽水条件下各参数的综合分析，确定地下连续墙渗漏缺陷的具体位置。同时，依据现场资料建立基坑二维有限元模型，模拟得出不同渗漏条件下观测孔流速的变化规律，并与现场实测结果进行对比验证。

1 工程概况

苏州市轨道交通8号线工程土建施工项目(第2批)位于苏州市相城区和姑苏区，共计2站4区间，线路总长3.77 km。车站为地下2层岛式车站，基坑围护结构采用深度30 m、厚度0.8 m的地下连续墙，接缝形式采用工字钢接头。在施工过程中，编号为WQ1-36的1幅墙体存在水下混凝土浇筑欠方现象，有可能造成地下水渗漏隐患，故需要查明该幅墙体的渗漏情况，以便在基坑开挖前进行防渗处理。

施工现场周边环境条件较为复杂，场地地层由上至下为杂填土①1、黏土③1、粉质黏土③2、黏质粉土③3、粉砂④2、粉质黏土⑤1、黏土⑥1、粉质黏土⑥2、黏质粉土⑥t、粉质黏土⑥2、粉质黏土⑦1、黏质粉土夹粉质黏土⑦2及粉质黏土⑦3。各土层工程特性见表1。场地地下水主要为潜水含水层、浅部④2层微承压含水层以及中部⑥t层、深部⑦2层中的承压含水层。

表1 土层工程特性表

2 现场试验及分析

2.1 渗漏探测过程

本次探测采用钻孔抽水试验结合天然示踪及单孔稀释法测定地下水水平流速的综合探测方法。具体探测过程：钻孔完成后，首先对非抽水条件下各钻孔的整孔天然温度、电导率进行探测和天然示踪分析，并在钻孔中进行人工示踪流速测试；随后进行单孔抽水试验，抽水试验期间观测各钻孔的水位变化，并再次对所有观测孔进行1次流速探测；最后综合对比分析观测孔水位、天然示踪数据以及2次流速探测结果，并以此判断地下连续墙的渗漏情况，了解场地地下水渗流和运动规律，确定地层渗透性分布状况。

试验历经2021年1月及2021年3月2个阶段，共布设5个钻孔，包括4个观测孔(孔1、孔2、孔3、孔4)和1个抽水孔，钻孔布设情况及尺寸见图1。其中，观测孔均布设在基坑外，孔1、孔2及孔3的中心连线与地下连续墙边线平行，孔2及孔4中心对应该幅地下连续墙中心。

(a)钻孔平面布置

2.2 渗漏探测结果分析

2.2.1 抽水试验分析

抽水试验第1阶段开始于2021年1月26日T 9:44:55，1月29日停泵，历时4 780 min；抽水试验第2阶段于2021年3月13日T 10:16:01开始，3月16日停泵，总历时4 339 min。

抽水试验第1阶段首日的各观测孔水位变化情况见图2(a)。从观测结果可以看出：观测孔和抽水孔虽分别位于地下连续墙的两侧，但在抽水试验期间所有观测孔水位均受到抽水影响而下降，且其水位在抽水开始后立即产生变化，说明其对基坑内抽水响应迅速，亦说明观测孔与抽水孔之间存在较强的水力联系，表明可能存在地下水直接穿过地下连续墙的渗漏通道。图中的局部水位波动是由于示踪探测仪器放入钻孔造成的，如14:24及16:48附近的水位波动。

抽水试验第2阶段首日的各观测孔水位变化情况见图2(b)。由图可知，同抽水试验第1阶段相同，各观测孔水位在抽水开始后随即响应，说明观测孔与抽水孔之间存在较强的水力联系。图中的局部水位波动亦是由于示踪探测仪器造成的。

(a)抽水试验第1阶段(2021年1月26日)

2.2.2 天然示踪分析

本文采用的天然示踪方法包括温度示踪和电导率示踪，通过分析温度和电导率沿钻孔深度的变化规律，并根据两者的异常分布定性判断是否存在地下水渗漏以及渗漏的位置和深度。

2个阶段试验各观测孔天然温度分布曲线如图3所示。所有观测孔在2个试验阶段的温度-高程分布曲线变化趋势相似，即随着高程的变化，其温度先逐渐上升后趋于平稳。根据一般地层温度变化规律可知，随着深度的增加，钻孔内地下水温度应逐渐升高；而各观测孔地下水温度在-5 m高程以下逐渐趋于平稳，且温度较峰值低，这并不符合地层温度分布的一般规律，表明存在较强的地下水侧向活动。其中，孔1在1月及3月的温度-高程曲线在高程-6 m附近出现温度异常；而孔2、孔3及孔4在2个试验阶段的温度分布曲线均在高程-7 m附近出现异常。因此推测各观测孔温度在这些深度附近受到了地下水渗漏的影响。

(a)孔1

与温度示踪的原理相似，电导率示踪也是利用其曲线分布的异常来判断地下水的渗流。图4示出了抽水试验2个阶段各观测孔天然电导率分布曲线。总体上，各观测孔在2个试验阶段的天然电导率分布大致呈现相同的变化趋势，即1月的整孔电导率分布较为平稳，3月的整孔电导率随高程的变化先保持平稳后逐渐上升。孔1浅层高程-2 m以上电导率较低，推测其并未受地下水渗流的影响，而是由于地表雨水流入造成的。值得注意的是，在3月人工示踪探测投放示踪剂之前的天然状态下，各观测孔底部的电导率均较高，推测是1月示踪试验残留的盐分，这说明钻孔底部地下水渗流较弱。

(a)孔1

2.2.3 人工示踪分析

本次钻孔地下水渗透流速测试选用饱和氯化钠溶液作为示踪剂。根据测量各观测孔中地下水的电导率获得示踪剂稀释曲线，并计算流速。

(1)

式中：Vf为达西渗透速度；r为滤水管内半径；α为流场畸变校正系数；t为测量时间差；n0为t=0时的电导率；n为t时刻的电导率。

图5示出了1月各观测孔抽水前后的流速对比。由图可知：1)孔1、孔2及孔4抽水前流速分布均呈“峰”状，且以孔1的峰值流速最高为0.008 m/d；2)抽水后孔1、孔2及孔4的流速分布规律不变，且均出现不同程度的增幅，其中，孔1在高程-4～-7 m段增幅最大，孔2在-5～-10 m增幅最大，孔4在-6～-10 m增幅最为明显，说明高程-6 m附近存在较强的地下水渗流，推断地下连续墙渗漏缺陷位于该处的可能性较大；3)孔3整孔流速分布无明显“峰”状特征，抽水后流速虽略有升高，但整体上流速较缓，表明孔3所处位置地下水渗流并不明显，其距离地下连续墙渗漏缺陷位置较远。

(a)孔1

图6示出了3月各观测孔抽水前后的流速对比。整体上，各观测孔在3月的流速分布与1月呈现大致相同的规律。其中，孔1、孔2及孔4的流速分布仍呈“峰”状，且峰值流速较大；抽水后，孔1流速增幅以-4～-10 m段最为明显，孔2则在-6～-10 m段增幅最大，表明此处地下水渗流较强；由于抽水期间孔4的现场测量数据较少，其抽水后流速较抽水前小但相差不大，故未在图中画出。经观察孔4抽水后流速同抽水前流速处于同一量级且变化较小，推断其所处位置地下水渗流相对较弱；孔3抽水前后流速分布仍无明显“峰”状特征，且流速值较小，抽水后流速增幅较小，亦说明地下水渗流较弱。

(a)孔1

综合2个试验阶段各观测孔的流速探测结果可知，各观测孔流速在抽水前后均发生了变化，以高程-4～-7 m段流速增幅最大，且孔1的流速增幅最为明显，孔2流速增幅次之。结合温度示踪探测结果，推测孔1及孔2孔所处位置均受到较强的地下水渗流影响，判断地下连续墙渗漏位置在孔1及孔2之间，且可能的渗漏位置位于高程-6 m附近。

3 数值模拟及分析

3.1 数值模拟软件

Geostudio有限元软件是常见的岩土数值分析软件，主要包含8个分析模块。根据不同模块的功能特点并结合实际工程，选取SEEP/W(渗流分析)模块对地下连续墙渗漏进行模拟分析。

SEEP/W模块主要用于多孔介质渗流问题，其基于达西定律对渗流问题进行分析。除饱和渗流问题外，该模块还可对饱和-不饱和时变问题进行分析。

3.2 模型建立

为进一步验证示踪方法的探测结果，根据基坑围护结构的相关设计资料，建立基坑二维有限元模型，对抽水试验第2阶段条件下不同地下连续墙渗漏情况的渗流状态进行模拟，分析不同工况下基坑外侧观测井的流速分布情况，并与现场实测结果进行对比。

现场试验结果显示，地下连续墙可能渗漏的位置在孔1与孔2之间，考虑到二维模型的局限性，本次模拟将渗漏缺陷设于地下连续墙中线位置，重点模拟不同渗漏高程下孔2及孔4的流速变化规律。

所建模型以地下连续墙内侧边缘与地表面的交点为坐标原点，水平向右为x正方向，竖直向上为y正方向，模型整体尺寸为50.8 m×52.0 m，以地下连续墙内边缘为标准向x正方向延伸20 m，以地下连续墙外边缘为标准向x负方向延伸30 m，模型断面及其有限元计算网络见图7。地下连续墙厚度、深度，观测井内径、深度以及布设部位依据现场试验数据设置。

图7 数值模型二维断面与有限元计算网格

依据相关设计资料确定不同地层渗透系数，具体数值见表1。地下连续墙渗透系数设为1.0×10-20cm/s，以高度为0.5 m的透水材料模拟渗漏缺陷，其渗透系数为10 cm/s。

整个模型仅施加水位边界条件和降水边界条件，通过在抽水孔抽水部位设置水位边界条件模拟降水，在基坑内部开挖面设置排水边界条件。

3.3 模拟工况设置及模拟结果分析

本次模拟通过改变渗漏缺陷位置，即透水材料的埋深，模拟地下连续墙不同部位渗漏时的地下水渗流情况。本次地下连续墙渗漏模拟共设置7种不同的地下连续墙渗漏工况，详见表2。

表2 渗漏模拟工况

3.3.1 模拟结果分析

图8为观测孔2及观测孔4在工况1—6情况下的流速对比图。由图可知，在相同渗漏工况条件下，孔2及孔4的流速分布呈现相同的分布规律。其中，除工况2呈现明显的“多峰”状分布外，其余工况条件下观测孔的流速分布均呈“单峰”状，分析工况2出现“多峰”的原因在于：该工况渗漏位置处于黏土层，地层渗透系数较相邻地层小；当该位置发生渗漏时，其流速与相邻地层流速差异不大，甚至低于相邻地层的流速。

(a)工况1(高程1.2～0.7 m段渗漏)

随着地下连续墙渗漏位置埋深的增加，观测孔流速峰值所处高程呈现下降趋势，不同渗漏工况条件下观测孔的流速峰值均不相同。整体上，工况5的流速峰值最大，为0.117 42 m/d；工况2为最小，为0.000 58 m/d，而其峰值流速产生差异的原因与地下连续墙渗漏位置所处地层渗透系数有关。

由图8还可看出，距地下连续墙不同距离的观测孔地下水流速分布虽呈现类似规律，但是随着观测孔距地下连续墙距离的增加，其流速峰值有所下降，即观测孔距地下连续墙的距离也是影响其流速大小的重要因素之一。

3.3.2 模拟与实测结果对比分析

将不同渗漏工况条件下孔2及孔4的流速结果与现场实测结果进行对比发现，在工况1与工况2情况下模拟及实测流速相差较大，而在工况3至工况6情况下模拟流速与实测流速均呈现“峰”状。为进一步对比模拟及实测结果，对模型在由实测结果所得地下连续墙可能渗漏深度位置设置渗漏缺陷(即工况7)，其中观测孔2的实测流速与模拟流速对比见图9。

(a)实测值

综合分析模拟流速可以发现：工况5、6、7与实测流速的分布规律类似。为更精准地对比实测流速与模拟流速的差异，分别计算了3种工况下模拟流速与实测流速的均方误差，分别为1.63×10-3、1.86×10-3及1.18×10-3，得出工况7与现场实际情况最为符合。由图9可知，孔2在工况7条件下的模拟流速与实测流速分布规律相近，故可推测地下连续墙渗漏缺陷位置应在高程-6 m附近，表明模拟结果与现场抽水示踪联合探测方法推断结果一致，验证了该方法用于地下连续墙渗漏探测的适用性和准确性。

4 结论与讨论

1)由抽水试验观测孔水位监测数据可知，各观测孔水位对抽水孔抽水响应迅速，表明基坑内外存在较强的水力联系，判断地下连续墙墙身存在渗漏通道。

2)各观测孔温度在高程-5 m以下趋于平缓，不符合地层温度分布的一般规律，推测此处地下水渗流较强；抽水后各观测孔流速均有增高，其中孔1及孔2的增幅较大，推测地下连续墙渗漏缺陷位于孔1与孔2之间，且可能的渗漏位置位于高程-6 m附近。

3)若地下连续墙渗漏位置的埋深增加，模拟流速峰值逐渐下降，且以埋深10～10.5 m(高程-6.8～-7.3 m)为最大。对比模拟结果与实测结果发现，渗漏位置在埋深9～9.5 m(高程-5.8～-6.3 m)时的模拟流速与实测流速分布情况更为接近，推测地下连续墙的可能渗漏位置在-6 m高程处，与现场试验所得结论相同，亦验证了抽水示踪联合探测方法的可行性。

4)模拟流速峰值与渗漏位置所处地层的渗透特性有关。当地下连续墙渗漏处于土层渗透系数较大的位置时，其峰值流速与渗漏位置有明显的对应关系；而当其渗漏位置处于渗透性较弱的地层时，其对应关系则不明显。单从模拟流速峰值难以确定渗漏位置，建议将实测流速与模拟流速变化规律进行综合对比分析，以便更精准地判定地下连续墙的渗漏位置。