止水帷幕對深基坑降水效果影響數(shù)值模擬

張玲秋,程　森,張　柳（.鄒平縣住房保障和房產(chǎn)管理局,山東鄒平5600；.山東省海河流域水利管理局,濟(jì)南5000；.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,濟(jì)南5006）

止水帷幕對深基坑降水效果影響數(shù)值模擬

張玲秋1,程森2,張柳3
（1.鄒平縣住房保障和房產(chǎn)管理局,山東鄒平256200；2.山東省海河流域水利管理局,濟(jì)南250100；3.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,濟(jì)南250061）

在地下水豐富的地區(qū)開展深基坑工程，需要采用止水帷幕來降低降水對周圍環(huán)境的影響。通過對深基坑降水工程中無止水帷幕及插入不同深度止水帷幕共6種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同工況下的孔隙水壓力云圖，以此分析止水帷幕對降水效果的影響；同時(shí)分析止水帷幕對基坑涌水量的影響。

深基坑；降水；止水帷幕；基坑涌水量；數(shù)值模擬

1引言

在基坑進(jìn)行開挖支護(hù)之前，需要將地下水位降低到基坑坑底標(biāo)高以下，從而保證整個開挖面的干燥狀態(tài)，保證基坑安全。但是由于地下水的滲流連續(xù)性，基坑內(nèi)部地下水位的降低勢必會引起基坑外側(cè)的水位下降，從而造成基坑外側(cè)地面沉降，對周邊的建筑物產(chǎn)生不利影響。因此在深基坑降水工程中常需要采用止水帷幕。常見的止水帷幕有高壓旋噴樁、深層攪拌樁及地下連續(xù)墻止水帷幕等，一般設(shè)置在基坑側(cè)壁外側(cè)。止水帷幕根據(jù)其是否插入隔水層又可以分為懸掛式止水帷幕和落地式止水帷幕。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者對深基坑降水的數(shù)值模擬分析日趨成熟，并取得顯著的成果。本文將采用abaqus有限元軟件著重分析采用潛水非完整井降水時(shí)止水帷幕對深基坑降水效果的影響。

2帷幕的止水作用研究

2.1工程概況

模擬基坑大小為90m×50m，假設(shè)地面標(biāo)高為0，初始水位-3m，-3m～-30m為潛水層，-30m～-32m為隔水層。止水帷幕厚300mm，繞基坑一圈成封閉型態(tài)。降水井和疏干井深18m，井管直徑500mm，成孔700mm，共計(jì)16個降水井、8個疏干井，井的平面布置如圖1。

2.2模型概況

相對于降水井的尺寸，整個基坑的計(jì)算模型過大。若以整個基坑進(jìn)行計(jì)算分析，必然會由于網(wǎng)格數(shù)過多而使計(jì)算時(shí)間過長。考慮到基坑及降水井布置的對稱性，數(shù)值模擬時(shí)可僅取基坑的四分之一部分。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)降水的影響范圍大致為100m～180m，本模型帷幕外側(cè)范圍取200m，計(jì)算深度為32m。模型總長250m，寬230m，深32m；基坑部分長45m，寬25m。網(wǎng)格采用具有孔壓自由度的8節(jié)點(diǎn)六面體單元(C3D8P)，單元全局尺寸為3m，共劃分為72509個單元、80946個節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型如圖2。

2.3邊界條件

不考慮土體的變形，故約束模型所有方向的位移及轉(zhuǎn)角自由度。假定基坑外側(cè)200m開外水位不受降水影響，將邊界1、邊界2設(shè)為定水頭邊界；假定降水井、疏干井自由出水，固定孔壓為0；其余邊界為不透水邊界。

2.4計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算模型共考慮了六種工況，分別是無止水帷幕(工況1)及止水帷幕深18m(工況2)、21m(工況3)、24m(工況4)、27m(工況5)、30m(工況6)，計(jì)算總時(shí)長60天。圖3為六種工況下降水60天之后的孔壓云圖。

工況2、3、4、5為懸掛式止水帷幕，工況6為落地式止水帷幕，各工況下基坑內(nèi)外水位及降水影響范圍（取水位降深1m的范圍）如表1所示。

表1　各工況降水效果

由圖3及表1可見，無止水帷幕時(shí)降水效果差，影響范圍大，降水漏斗曲線連續(xù)；存在止水帷幕時(shí)，由于帷幕的“隔斷”作用，降水漏斗曲線在帷幕兩側(cè)不連續(xù)、發(fā)生突變，帷幕兩側(cè)產(chǎn)生水頭差；增加止水帷幕的深度，可以延長滲徑，提高止水帷幕對基坑內(nèi)的降水效果和帷幕外側(cè)的止水效果；采用懸掛式止水帷幕并不能顯著控制遠(yuǎn)處地下水位的下降，其地下水位的影響范圍為138m～154m，相比無止水帷幕時(shí)僅減少4.3%～14.3%；落地式止水帷幕由于深入到隔水層，完全封堵了基坑與周邊的水力聯(lián)系，降水和止水效果顯著。各工況降水60天后的單井出水量如表2所示。

表2各工況單井出水量

由上表可見：采用止水帷幕能明顯降低基坑涌水量；同一工況降水井及疏干井的單井出水量相差不大；增加止水帷幕的深度能較明顯地減少出水量；當(dāng)止水帷幕深入隔水層時(shí)，基坑內(nèi)外水力聯(lián)系被完全阻隔，單井出水量大大減少，此時(shí)可以適當(dāng)?shù)販p少降水井和疏干井的數(shù)量。當(dāng)采用懸掛式止水帷幕時(shí)，由于止水帷幕未深入到隔水層，基坑內(nèi)、外的地下水仍有水力聯(lián)系，將對基坑周邊環(huán)境造成不同程度的影響。

3結(jié)論

通過對深基坑降水的數(shù)值模擬分析，研究了止水帷幕的不同插入深度對基坑降水的影響，得到以下結(jié)論：

落地式止水帷幕的綜合止水效果好，對周圍環(huán)境影響非常小，在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮。懸掛式止水帷幕并不能明顯地減少降水影響范圍，但能降低基坑內(nèi)水位并較好地控制基坑涌水量。

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