揚中金源時代購物中心基坑降水數值模擬分析

葛 鵬，胡 遠，左新明

(1.江蘇地質基樁工程公司，江蘇 鎮江 212000；2.江蘇科技大學土木工程與建筑學院，江蘇 鎮江 212000；3.河北省地礦局第五地質大隊，河北 唐山 063000)

0 引言

地下水控制是基坑工程的重要組成部分，越來越多的深基坑工程涉及降水問題，特別是在建筑物密集區，基坑降水會引起周圍一定范圍內的地表沉降，嚴重時會造成鄰近建(構)筑物破壞[1-3]。因此，基坑降水方案是否合理可行，關系到后續基坑工程的正常施工。在基坑工程中，降水方案達不到預期效果不僅可能導致整個基坑倒塌，而且可能波及周圍建筑物，造成嚴重的工程事故。因此，有必要對基坑降水方案進行安全性評估。在降水方案設計時，土體的滲透系數是最基本的設計參數，其值的準確與否將對基坑降水方案的設計產生重要影響。一般工程項目降水方案中水文參數的選取都是基于地勘報告中土體室內試驗獲得的滲透系數，其值往往小于現場原位試驗獲得的土體滲透系數[4-6],因此，在基坑抽水方案設計時需要對地勘報告中的土體滲透系數進行一定調整，以滿足基坑降水的要求。本著合理降水、按需降水的原則，提出了通過現場降水試驗反演場地水文地質參數的分析方法。

針對基坑降水參數如何取值問題，國內外眾多學者對其進行了廣泛研究。王江思[5]在平面二維承壓含水層內，采用不同方法求解滲透系數K，并對計算結果差異性進行了研究。結果表明，在含水層不滿足各向同性、等厚，邊界無限遠假設條件時，Theis圖解法、Jacob 直線圖解法求解的有效滲透系數與真實場均值滲透系數相差較大，且不能較好的反映含水層的非均質性。而地質統計法和pest參數優化法可以有效的反映含水層非均質性。毛喜云等[6]利用Aquifer-Test軟件對抽水試驗進行了數值模擬研究，結合Mod Flow三維滲流軟件對含水層水文地質參數進行數據擬合、反演，最終獲得了較為準確的弱透水層和隔水層相關水文地質參數。殷寶兵等[7]利用MIDAS/GTS數值分析軟件建立三維滲流模型，通過對現場單井抽水試驗進行模擬分析，綜合地勘滲透系數和抽水試驗，反向推演出了符合工程實際的滲流邊界函數和滲透系數。然后通過單井反演獲得的土體滲透系數，建立基坑降水分析模型，對降水方案進行設計和指導。結果表明，采用反演獲得的土層滲透系數建立的基坑降水分析模型，能夠很好的指導基坑降水工程的施工。閆峭等[8]根據回灌過程中水文地質參數的特點，建立相應的反演優化模型，利用改進遺傳算法求解，提出了將滲透系數設為隨時間衰減而變化的優化模型。通過與現場監測結果對比，表明優化模型能夠很好的模擬基坑降水、回灌過程。

本文以揚中金源時代購物中心基坑降水工程為例，以地勘報告中的土體滲透特性參數為基礎，結合現場單井、雙井抽水試驗結果，反演出數值分析模型中的土體滲透特性參數。然后以反演獲得的土體滲透系數為基本參數，結合基坑降水、止水、回灌設計方案，對基坑降水方案進行分析和評估。

1 工程概況

擬建項目金源時代購物中心位于江蘇鎮江揚中市最繁華的商業核心地段，西至文化路，北鄰江州西路，南隔揚子中路，東接前進路，基坑長277 m，寬210 m，周長約960 m，總用地面積約5.5萬m2。地面以上有7棟高層住宅樓，1棟30層酒店，4層裙樓，3層地下室，基坑開挖深度約14 m。該區域為典型長江漫灘區地貌，根據地質鉆探揭示的場地地層依次為：雜填土、淤泥質粉質粘土、粉砂夾粉土、粉砂、粉細砂、中粗砂混礫石層。場地地下水為孔隙水，賦存在場地各土層，水量豐富。基坑支護結構采用鉆孔灌注樁加2層砼支撐，基坑外圍采用直徑850 mm、間距1200 mm、長度28.5 m的三軸深攪樁形成封閉止水帷幕(樁間土采用二重管高壓旋噴處理)。降水采用管井并結合排水溝加集水坑明排方式降低地下水。

本工程基坑開挖面積大，降水范圍影響廣，場地地層水平分層較為明顯，砂層較厚，土體滲透系數較大。因此，降水方案設計的合理性將對基坑工程和周邊環境產生重大影響。降水井平面布置如圖1所示。

現場基坑降水設計投入285口降水井，并在基坑四周設置59口水位監測兼回灌作用的管井。降水井深31 m，成井孔徑600 mm，井管采用?273 mm鋼管，濾料為中粗砂，過濾段長度21 m,沉淀管長度1 m。過濾管類型為橋式濾管，外包80目錦綸，過濾管外填中粗砂。現場單井抽水試驗設置JS1、JS2、JS3三口試驗井，三井間距分別為15和16 m，管井結構和降水井相同。

2 降水參數反演

根據勘察揭示的土層結構特征分析，地下水為孔隙潛水，賦存于場地內各土層中，水量豐富。地層雜填土較為松散，賦水性及透水性好，大氣降水極易滲入到下部土層中。地層淤泥質粉質粘土夾粉土飽含地下水，整體透水性弱，水平向稍強，基坑開挖施工涉及其余土層均飽含地下水，且透水性較強。現場測定的地下水穩定水位在地表以下1 m。

圖1基坑降水井平面布置
Fig.1Layout of foundation pit dewatering wells

殷寶兵等[7]指出，地勘報告提供的土層滲透系數是通過現場取樣、室內試驗所得，與場地實際值有所差別。考慮到本工程周邊環境復雜，降水效果對工程進度影響嚴重，需通過現場抽水試驗反演基坑降水設計參數，并結合反演的參數對基坑降水方案進行設計。

2.1 MIDAS /GTS軟件介紹

在對地下水基本運動規律進行研究時，地下水在巖土體空隙中隨時間的運動軌跡難以得知。故對地下水的流動狀況予以簡化，僅對地下水總體流向進行關注，忽略其它滲流路徑，不考慮固體顆粒對地下水流動的影響，這種假想的流動稱為滲流。

在MIDAS/GTS軟件分析基坑降水時，為考慮基坑降水的時間效應，可采用考慮時間效應的非穩定滲流分析理論。流動法則采用達西定律，具體方程如下：

式中：H——總水頭；t——時間；kx——x方向的滲透系數；ky——y方向的滲透系數；kz——z方向的滲透系數；Q——流量；Θ——體積含水率。

該方程表示任意位置、任意時刻，微小體積水體的流入和流出變化量。通過MIDAS/GTS軟件建模時，主要輸入參數包括土層滲透系數、節點水頭及節點流量。

(1)節點水頭。在MIDAS/GTS中，節點水頭不但可以準確模擬抽水管井的位置，還可以通過穩態的常量水頭或瞬態的變化水頭模擬基坑地下水的回灌。

(2)節點流量。在MIDAS/GTS中，節點流量可以用來對井點抽水(回灌)流量進行模擬。在管井的節點水頭位置處通過輸入流量，可用于描述降水井抽水(回灌)的實際狀態。

對于流量隨時間變化的瞬態分析，可以用函數定義。使用函數時，按輸入的值乘以一定的場地系數后反映到分析中，用于描述抽水井流量與時間的變化關系。

2.2 抽水試驗方案

試驗過程分為2個抽水階段，JS1單井抽水和JS1、JS3兩井同時抽水試驗。首先進行單井抽水試驗，JS1井作為抽水井，進行連續24、36、48 h抽水，觀測記錄JS2、JS3井內水位變化情況。然后進行雙井抽水試驗，同時開啟JS1、JS3井抽水，觀測記錄JS2井內水位變化。觀測記錄結果如表1所示。

表1 抽水試驗過程記錄結果Table 1 Records of the pumping test results

2.3 有限元參數反演

本文根據地勘報告提供的初始水文參數(見表2)，利用MIDAS/GTS軟件建立如圖2所示三維滲流數值模型。依據現場抽水試驗水位降深觀測記錄，對各個地層的水文地質參數進行反演。計算時模型邊界條件的給定應與實際工程一致，水頭高度按照現場監測的穩定水位取值(地下1 m)。

表2 各土層水文地質參數反演結果Table 2 Inversion results of soil layer hydrogeological parameters

圖2 單井抽水試驗模型Fig.2 Single well pumping test model

為了降低模型尺寸對模擬結果的影響，本文單井、雙井抽水試驗計算模型為：長 500 m，寬 500 m，高80 m，模型共計實體單元80500個。基坑降水模型邊界設置參考文獻[9-15],文中計算模型設置邊界為排水條件，邊界水頭按照現場測量的井內初始水位，設置邊界水頭為58.5 m。降水井根據現場抽水泵出水量統計結果取值51 m3/h。

降水井抽水時間與觀測井的實際水位變化關系如圖3所示。利用MIDAS/GTS建立的三維滲流分析模型，通過反演計算獲得水位變化如圖4所示。

圖3 水位降深與抽水時間關系Fig.3 Relationship between water level drawdown and time

如圖3、4所示，通過對比單井與雙井數值模擬的降水水位與實際監測的降水水位結果，反復調整數值模擬中的土層參數，最終得到的反演結果如表2所示。

3 基坑降水效果模擬計算分析

3.1 有限元模型

圖4 水位變化的數值模擬結果Fig.4 Numerical simulation results of the water level change

利用MIDAS/GTS建立基坑降水三維滲流分析模型，模型設置如圖5所示。結合現場監測井水位深度，模型初始水位深度定義為地下1 m，各土層水文參數采用表2反演結果。根據基坑平面尺寸、層特點及基坑降水設計方案，本次降水設置285口降水井，出水量根據單井抽水試驗水泵出水總量求得平均單井出水量120 m3/d；回灌井一共設置59口，分別圍繞在基坑止水帷幕的外側；止水帷幕采用板單元模擬，厚度取0.85m，長度取28.5m，滲透特性設置為不透水。

圖5 基坑降水三維滲流模型Fig.5 3-D seepage model of foundation pit dewatering

3.2 基坑降水效果模擬

根據項目施工計劃，在支護樁和止水帷幕施工完畢后即開始基坑降水施工。考慮到場地中包含滲透系數較大的砂卵石層，本次基坑降水方案采用“一降到底”的設計方案，即一次性將水位降低至坑底的設計要求，然后進行基坑開挖。同時，為了減少因為基坑降水導致的周邊沉降，在止水帷幕的外側按照設計方案添加回灌井，以補充地下水的流失[8,9,11]。基坑降水效果隨時間變化的三維分析結果如圖6所示。

3.3 基坑降水效果分析

(1)如圖6所示，原始考慮回灌井的設計方案能夠有效的降低地下水位，抽水井和回灌井同時工作20 d基本能夠滿足基坑挖深條件下的水位降低要求，抽水24 d降低的水位高度能夠滿足基坑開挖最大設計深度的要求。

(2)28.5 m止水帷幕的設計能夠很好的滿足基坑開挖止水的要求。在降水計算過程中，由于降水深度較深，使得基坑的影響半徑達到了250 m。因此在基坑降水施工過程中，應對回灌井的回灌效果和周邊場地的沉降進行監測，防止基坑降水對周邊環境產生影響。

(3)根據單井和雙井抽水試驗資料，采用反演分析法計算土體最大滲透系數為23.18 m/d，基坑涌水量較大，因此在施工過程中應密切關注抽水井的工作情況和止水帷幕的止水效果，保證基坑工程的安全施工。

圖6 不同施工階段水位等值線Fig.6 Water level contours in different construction stages

4 現場實際效果

揚中金源時代購物中心基坑降水工程嚴格按照設計方案進行施工，期間共進行了12次觀測，觀測到的降水深度與有限元計算結果誤差在-0.5～1.2 m范圍內，很好的滿足了基坑開挖降水的要求。現場開挖效果如圖7所示。

圖7 基坑施工現場Fig.7 Foundation pit construction site

5 結論

本文采用MIDAS/GTS軟件，通過先反演計算模型參數，后進行數值分析的方式對揚中金源時代購物中心基坑降水工程進行研究，獲得以下結論：

(1)深基坑支護必須重視降水工作，尤其是在土體滲透系數較大、地下水位較高、飽和性砂土層較厚的地區更應引起重視。

(2)利用現場單井和雙井的抽水試驗監測結果，結合地質勘探報告中的土層滲透系數的相關資料，反演計算出MIDAS/GTS基坑三維降水計算的相關土層參數。

(3)采用MIDAS/GTS對揚中金源時代購物中心基坑降水工程進行數值模擬分析，評估了考慮回灌井基坑降水方案的合理性，并指導基坑降水工程的施工。

(4)基坑降水施工后，通過監測數據與模擬數據的對比，驗證了采用數值模擬方法進行降水效果模擬的正確性。