楊泗港長江大橋錨碇基礎滲流數值計算分析

周思全

(武漢天興洲道橋投資開發有限公司 武漢 430011)

楊泗港長江大橋為大跨徑懸索橋，錨碇是懸索橋主要的承力結構物。錨碇基礎采用地下連續墻，錨碇基礎采用外徑98 m、壁厚1.5 m的圓形地下連續墻加環形鋼筋混凝土內襯支護結構。錨碇基礎由地連墻、帽梁、內襯、底板及填芯混凝土組成。

其中，漢陽側地下連續墻嵌入泥質砂巖約6 m，總深度為59 m。武昌側地下連續墻堅硬黏土層不小于7 m，總深度為66 m。為保證地連墻開挖階段受力及剛度的需要，在地連墻頂面設置剛度較大的帽梁。帽梁為鋼筋混凝土圓形結構，帽梁高3 m、寬度5.0 m。武昌側及漢陽側基礎周邊均有重要構筑物，但從開挖深度相比，武昌側錨碇基坑比漢陽側錨碇基坑開挖深度深，施工風險相對較大，且處于武金堤和武昌大堤之間，距離兩邊大堤不超過20 m。考慮最不利因素，本文以武昌側錨碇為研究對象，采用數值模擬的方法，針對地連墻墻底繞流進行計算，分析錨碇基坑滲流場分布、滲流量及滲透穩定性，同時分析考慮地連墻局部滲漏情況下基坑滲流場分布及分析設計方案的防護效果。

1 武昌岸錨碇基礎水文地質條件和滲控措施

楊泗港大橋武昌岸錨碇處覆蓋層中上部為全新統松散或中密狀粉、細砂，軟塑狀粉質黏土及流塑狀淤泥質粉質黏土；覆蓋層中部為密實狀礫砂(③1)、圓礫土(③2)；覆蓋層中下部為硬塑～堅硬狀黏土(④1)夾密實狀圓礫土；下部為硬塑～堅硬狀黏土(④1)；基巖埋深大于90 m，主要為白堊～第三系泥質砂巖。

工程施工區地下水主要為上層滯水、第四系孔隙承壓水和基巖裂隙水。上層滯水賦存于人工填土及上部黏性土中，水量一般較小；第四系孔隙承壓水主要賦存于全新統第②大層、中上更新統③、⑤大層的粉細砂、中粗砂、卵礫石層中，為主要地下水含水層，由于長江下切，河床達此砂層中，因而江水與沿岸沖積層之間地下水存在互補關系，水力聯系密切，水位動態隨季節性變化，水量較豐富；另外在中～上更新統的黏性土中存在分布不連續的細、中、礫砂、圓礫土層，由于其厚度較小，連通性差，故該含水層水量一般不大。下伏基巖主要為白堊～第三系泥巖、泥質砂巖，基本屬于微透水層，其水量受節理裂隙發育程度控制，水量一般不大。

武昌岸錨碇基礎采用地下連續墻，地下連續墻[1]本身是基礎的一部分，是較理想的基坑支護結構，同時也起隔水作用。地下連續墻可以采取的封水抗滲措施有：①地下連續墻外側設置自凝灰漿擋水帷幕，在平面上與地連墻呈同心圓環布置；②地連墻下采用底部帷幕灌漿；③根據地下連續墻施工質量和檢查情況，確定是否需要對地連墻槽段間接縫處外側采用高壓注漿封水處理。

2 滲流數值模擬方法和計算條件

2.1 滲流數值模擬方法

根據連續性方程與達西定律產生的穩定滲流微分方程，可以得出連續介質中三維飽和穩定滲流控制方程[2]如式(1)。

(1)

式中：h為水頭；kxx、kyy、kzz為3個主軸方向的飽和滲透系數。

當考慮二維飽和滲流問題時，其控制方程見式(2)。

(2)

邊界條件為已知水頭條件(第一類邊界)：

h(x,y)|Γ1=f(x,y,z) (x,y,z)∈Γ1

(3)

式中：h為已知函數，若曲面Γ1上點的水頭相等，上游水位邊界、下游水位邊界及滲出段為給定水頭h邊界(第一類邊界)。

已知流量條件(第二類邊界)：

(4)

式中：n為Γ2的外法線方向，不透水層面則屬于定流量q邊界(第二類邊界)，其法向流量為0。

滲流計算分析采用國際通用的大型地下水流模擬系統軟件GMS,對于基坑涌水問題，應用GMS中的MODFLOW模塊求解，目前大量的基坑降水設計采用MODFLOW進行計算。

2.2 滲流計算模型概化

綜合分析現有資料，對武昌側錨錠區進行水文地質概化,得出滲流數值模型[3]平面示意圖(見圖1)及地連墻南北對稱剖面示意圖(見圖2)。錨錠區北(左)側為長江，由于長江與覆蓋層的砂層相通，因此，模型中的北(左)邊界作為定水頭邊界。工程所在河道右岸設計洪水位為27.83～27.93 m，取模型上游水位為27.93 m。北(左)邊界距離南錨錠基坑中心約464 m。模型中的南(右)邊界距離錨錠基坑中心1 000 m，地面高程約22 m，考慮地下水位埋深1～2 m，取下游水位21.0 m。模型的東、西邊界(上、下邊界)分別距基坑中心1 000 m，作為零流量邊界。由于基巖埋深較大，計算模型的底部邊界取至高程-70.0 m處，作為隔水邊界，模型中基坑底部的地下水位因施工降水而降低，基坑內地下水位取基坑底面以下1 m。經建模得出滲流計算三維網格剖分圖見圖3。

圖1 滲流數值模型平面示意圖(單位：m)

圖2 地連墻南北對稱剖面示意圖

圖3 滲流計算三維網格剖分圖

2.3 滲流計算參數和計算方法

結合工程地勘資料和試驗成果及類似工程經驗，對模型中地層的滲透性分區進行了適當概化，模型中地層參數考慮為各向同性。各土層滲透系數參照楊泗港長江大橋地勘報告中主要巖土設計參數建議值進行取值，地勘報告中未提供建議值的部位，如地連墻、高壓注漿等的滲透系數，根據工程經驗取值，得到地層滲透系數取值見表1。

表1 地層滲透系數取值

根據施工方案，地連墻施工完成后開挖基坑，基坑內土體分層開挖。當開挖到基坑底部且尚未封底時，地連墻兩側的水頭差最大，這種條件下的滲流場分布對錨碇基坑具有控制意義。本文基坑滲流穩定性計算分析[4]中對錨碇基坑封水的措施考慮了5種工況，滲流計算工況見表2。

表2 滲流計算工況

工況Fn1為基本計算工況，地連墻截斷透水層進入底部深厚黏土層，無質量缺陷；工況Fn2為地連墻未穿過河床覆蓋層下部圓礫土層，分析地連墻嵌入深度的影響；工況Fn3為在工況Fn1的基礎上考慮地連墻在圓礫土層中出現1 m寬的開叉，分析地連墻完整性的影響；工況Fn4在工況Fn1的基礎上考慮地連墻底部存在沉渣層，以及地連墻與周圍土體接觸不良產生縫隙，且縫隙與透水層貫通；工況Fn5在工況Fn4的基礎上考慮對地連墻滲漏部位進行注漿加固，分析注漿措施的封水效果。

3 武昌側錨碇基礎滲流計算結果分析

基坑抗浮穩定性按式(5)計算。

Kh=D×γ/(hw×γw)

(5)

式中：Kh為基坑突涌穩定安全系數；D為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度；γ為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度；hw為承壓含水層頂面的壓力水頭高度；γw為水的重度。

基底黏土重力密度按楊泗港長江大橋地勘報告中主要巖土設計參數取為20.9 kN/m3。通過建立三維地下水模型進行計算，5種工況下滲流計算結果見表3，基坑開挖面滲流等勢線分布見圖4。

表3 5種工況下滲流計算結果

圖4 基坑開挖面滲流等勢線分布圖(單位：m)

1) 由圖4a)可知，工況Fn1的基坑周邊水頭等值線發生彎曲，有繞滲現象，等勢線在地下連續墻內密集，水頭削減明顯，表明地下連續墻可以有效降低基坑內外水力聯系，起到較好的隔滲效果。根據滲流量計算結果可知，當地連墻進入底部深厚黏土層且無質量缺陷時，基坑流量為16.59 m3/d。由計算統計結果可知，基坑底黏土層滲透比降為0.02，基坑底黏土層抗浮穩定系數為2.508，滿足滲透穩定和抗浮穩定性要求。這是主要依靠地連墻的隔滲作用,以及基坑降水措施的運行避免開挖面土層的滲流出逸，確保了基坑的滲透穩定性，同時降低基坑底部圓礫土層的承壓水頭，確保了基坑的抗浮穩定性。

2) 由圖4b)可知，工況Fn2是考慮地連墻以圓礫土層為持力層，而未穿透基底下方的圓礫土層。由于地連墻未全封閉，基坑降水漏斗范圍擴大，地連墻內水頭等值線不密集，其承擔的水頭損失降低。與工況Fn1相比較，本工況下基坑流量為473.47 m3/d，相較工況Fn1基坑流量急劇增大，基底黏土層滲透比降增大為0.67，基底黏土層抗浮穩定性依靠基坑降水措施降低承壓水頭可以得到滿足。由此可見，基底的黏土層不宜作為防滲依托層。工況Fn2也可以看作是地連墻在圓礫土層中由于礫石含量出現垂直度控制不足等情況而大范圍開叉漏水的影響，因此在地連墻施工過程中應嚴格控制施工質量。

3) 由圖4c)可知，工況Fn3是在Fn1的基礎上考慮地連墻在基坑底部圓礫土層中出現開叉，設叉縫位于臨江一側，叉縫寬度1 m。本工況與工況Fn1滲流場的主要差異在地連墻開叉處，水頭等值線在該處附近有一定程度往臨江方向突出，由于地連墻外圍擋水帷幕的作用，等值線擴散范圍不大。由于地連墻在叉縫處未全封閉，基坑流量有所增大，本工況下基坑流量為53.1 m3/d，約為工況Fn1的3.2倍。開叉位置附近的滲透比降達到1.21，有可能發生滲透變形。

4) 由圖4d)可知，工況Fn4是當地連墻施工中其底部存在沉渣層，以及地連墻與周圍土體接觸不良產生縫隙，且縫隙與透水層貫通時，地連墻底部的沉渣層的滲透比降是最大的，達到了5.6，如果臨基坑一側有貫穿縫，則沉渣層及裂隙中的細顆粒可能被水流帶出至基坑底，此時基坑開挖面滿足不了滲透穩定要求。基坑流量則為149.93 m3/d，相對無缺陷工況時，流量增加了約9倍。

5) 由圖4e)可知，工況Fn5是針對地連墻周邊的裂縫和沉渣層采用注漿加固，此時地連墻起到較好的封水作用，基坑流量減少至24.9 m3/d，基坑滿足滲透穩定和抗浮穩定性要求，因此地連墻底采用高壓注漿加固對基坑的滲流安全有利。

由此可知，錨碇基礎采用地下連續墻的基坑支護結構形式，同時也起隔水帷幕作用。通過對滲流數值計算分析，其結果表明，采用深地連墻封水方案，能夠起到較好的隔滲效果，同時結合深井降水的聯合措施，可以滿足基坑的滲透穩定要求，注漿加固措施對于錨碇基坑的局部滲漏問題具有較好的封水作用。對于存在承壓含水層的條件，基坑在開挖過程中需要采取超前排水措施，同時降低承壓水頭，以防止出現基坑底面突涌事故。

4 結論

本文以武漢楊泗港長江大橋武昌側錨碇基礎地下連續墻方案為研究對象，通過建立三維地下水模型對錨碇基坑滲流情況進行計算分析，得到如下結論。

1) 采用深地連墻方案，即地連墻嵌入覆蓋層下部的深厚黏土層，同時結合深井降水的聯合措施，能夠起到較好的封水效果，可以滿足基坑底部的滲透穩定性要求。

2) 通過比較地連墻的嵌入深度的滲流計算結果表明，地連墻不穿過河床覆蓋層下部圓礫土層比進入底部深厚黏土層，其基坑流量和基底滲透比降都有較大幅度的增大，因此地連墻嵌入底部黏土層較為合適。

3) 對于具有承壓水頭的地層，基坑在開挖過程中需采取超前排水措施，以防止出現基坑底面突涌事故。通過基坑降水措施的運行來避免開挖面土層的滲流出逸，確保基坑的滲透穩定性，同時降低基坑底部的承壓水頭，確保基坑的抗浮穩定性。

4) 深地連墻方案是安全可靠的，基坑流量也較小，但須在施工過程中注意施工質量，防止槽段接縫出現薄弱環節，并及時處理變形引起的墻與周圍土體的接觸縫問題。如果在基坑開挖前或開挖過程中發現地連墻墻體滲漏，應在注漿加固處理完畢后方可進行下一土層的開挖。此外，應盡量避免在高江水位期間施工。