大厚度強(qiáng)透水地基河床干施工止水方案分析

魏 蕓，袁 琳

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

佳木斯某河床因特殊目的需要滿足干施工條件，場(chǎng)地有厚度大于50 m的礫砂類強(qiáng)透水層，實(shí)現(xiàn)干施工的止水排水方案面臨很大的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)擬采用圍堰+止水體+管井降水的方案，這里圍堰本身的設(shè)計(jì)不予討論，重點(diǎn)對(duì)止水體+管井降水的設(shè)計(jì)思路加以論述。止水方案重點(diǎn)需要確定止水體插入深度，該插入深度直接影響圍堰斷面的滲透穩(wěn)定和圍堰總涌水量，之后通過總涌水量確定管井布置方案。

1 有限元滲流量計(jì)算準(zhǔn)確性分析

滲流分析共采用三種方法，其中前兩種為傳統(tǒng)公式算法，涉及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，最后一種是有限元算法。由于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)及公式本身有一定的局限性，本報(bào)告中僅限于驗(yàn)證有限元模型的正確性，最終圍堰滲流量以軟件計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

1）《水利水電工程施工手冊(cè)》第5卷虛擬厚度法

工程所在位置典型鉆孔的抽水試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 典型抽水試驗(yàn)成果

由以上地勘報(bào)告可知，④礫砂、⑤圓礫、⑥礫砂、⑦圓礫、⑧礫砂、⑨圓礫、⑩礫砂層滲透系數(shù)接近，且總厚度占透水層厚度的95 %左右，選取任何一層作為控制滲流的主要層次均可，這里選取⑨圓礫層作為控制滲流的主要層次。

實(shí)際厚度 51.5 m，換算厚度Ti=45.6 m，將ki=0.166 cm/s及Ti代入單層結(jié)構(gòu)公式求解：

2）按照《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 252-87）附錄九計(jì)算

由于這種計(jì)算方法不適用于堤身透水且無(wú)止水體情況，假設(shè)止水體插入透水層50 %且堤身不透水，計(jì)算如下：

式中：

q為滲流量（m3/s·m）；

T為基底透水層厚度；

Hs為圍堰內(nèi)外水頭差；

L’為滲透輪廓的等效總長(zhǎng)度（m）；

k為地基滲透系數(shù)，取透水層滲透系數(shù)平均值0.0016 m/s；

∑ls為滲透輪廓的水平段長(zhǎng)度（m）；

∑lc為滲透輪廓的垂直段長(zhǎng)度（m）；

∑lx為滲透輪廓傾斜段等效長(zhǎng)度之和（m）；

l1為滲透輪廓傾斜段的水平投影長(zhǎng)度（m）；

l2為滲透輪廓傾斜段的垂直投影長(zhǎng)度（m）；

m’為計(jì)算滲流量時(shí)的垂直滲徑等效系數(shù)，單板樁情況采用1.3～1.5，取1.3。

代入以上數(shù)值，計(jì)算得：q=0.0044 m3/(s·m)。

3）seep/w分析

首先，為驗(yàn)證軟件計(jì)算精度，對(duì)上述兩種方法的計(jì)算工況進(jìn)行復(fù)核，如圖1。

圖1 有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證模型示意

由計(jì)算可知：不設(shè)止水體時(shí)，圍堰的單寬滲流量為0.007 m3/s，虛擬厚度法計(jì)算結(jié)果0.0075 m3/s，誤差6.7 %；止水體打至透水層的50 %時(shí)，軟件計(jì)算為 0.00489 m3/s，應(yīng)用《干船塢設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式計(jì)算單寬滲流量為 0.0044 m3/s，誤差為11.14 %。

2 滲流量有限元分析

根據(jù)上邊的分析結(jié)果，有限元計(jì)算滲流量方法可行。下面用此方法分析止水體插入深度不同時(shí)的滲流量。

1）模型邊界的確定

為研究斷面寬度選取對(duì)涌水量的影響，計(jì)算了以下幾種工況。

工況一：水頭75 m，止水體底高程50 m；

工況二：水頭78 m，止水體底高程50 m；

工況三：水頭78 m，止水體底高程37 m。

本工程止水體擬采用高壓噴射灌漿體，其滲透系數(shù)確定根據(jù)《水利水電工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5200-2004）表5.0.3高噴墻墻體性能指標(biāo)中止水體滲透系數(shù)范圍可取1×10-6～9×10-5cm/s，此處分析取1×10-6cm/s。

將不同位置的涌水量作統(tǒng)計(jì)見圖2。

圖2 涌水量分布

由以上分析可以得出如下結(jié)論：

①堤身出逸點(diǎn)以外約8 m范圍（即堤腳位置）涌水量占斷面涌水量的80 %以上，堤身范圍涌水量約占13 %，其余范圍（堤腳外推60 m）涌水量不足10 %；

②該規(guī)律不受止水體打設(shè)深度及內(nèi)外側(cè)水位差影響。

基于以上結(jié)論，當(dāng)兩排圍堰內(nèi)側(cè)堤腳直線距離小于60 m時(shí)必須考慮滲流場(chǎng)的對(duì)沖疊加效應(yīng)。數(shù)值分析建模需采用全斷面。

2）滲流的全斷面分析

圍堰內(nèi)側(cè)堤腳所圍區(qū)域是一個(gè)長(zhǎng)為 225.5 m，寬為51.15 m的長(zhǎng)方形，因此圍堰所圍區(qū)域按長(zhǎng)度和寬度兩個(gè)方向做全斷面滲流分析。根據(jù)實(shí)際情況，外側(cè)水頭取79.6 m，內(nèi)側(cè)按干開挖考慮，水頭取原泥面71.5 m，長(zhǎng)度方向橫斷面對(duì)h=50 %，60 %，70 %，80 %，90 %，95 %，100 %時(shí)的七種工況進(jìn)行了計(jì)算，用h表征止水體插入深度與總透水深度之比，計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果匯總

可見，止水體滲透系數(shù)由1e-6增大到9e-5（增長(zhǎng)了 90倍）時(shí)，相對(duì)于止水體插入透水層的相對(duì)厚度為50 %，60 %，70 %，80 %，90 %，95 %，100 %時(shí)，總涌水量分別增加1.0 %，1.4 %，2.0 %，4.5 %，5.0 %，6.8 %和84.4倍。可見當(dāng)止水體不打穿透水層時(shí)，總涌水量對(duì)止水體的滲透系數(shù)敏感性較低，當(dāng)打至不透水層時(shí)，涌水量的增加量（90倍）與止水體的滲透系數(shù)增加倍數(shù)（84.4倍）基本相當(dāng)。

3 最大允許水力比降確定

止水體的深度首先要依據(jù)滲透變形的類型及其所允許的最大水力比降確定。對(duì)提取長(zhǎng)度方向斷面h=50 %，60 %，70 %，80 %，90 %，95 %，100 %，堤腳處i=0.25，0.2，0.15，0.14，0.10，0.02的七種工況的滲流進(jìn)行了計(jì)算，得到其水力比降等值線，局部示意見圖3（此處僅呈現(xiàn)部分圖）。

圖3 長(zhǎng)度方向斷面不同工況下的水力比降等值線分布局部示意（部分）

按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）附錄 G，本工程場(chǎng)地土屬巨厚層的碎石類土，易發(fā)生管涌。在無(wú)試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上依據(jù)表G.0.7確定允許水力比降為0.1～0.25。在滲流出口有反濾層時(shí)可取大值0.25（經(jīng)計(jì)算，當(dāng)止水體插入深度占透水層厚度的 42 %時(shí)堤腳處最大水力比降為 0.3）。

4 止水帷幕+管井降水方案設(shè)計(jì)

為確實(shí)保證圍堰內(nèi)側(cè)干施工條件，需要在圍堰內(nèi)側(cè)布置降水井，涌水量通過降水井抽出。因此設(shè)計(jì)采用止水帷幕+管井降水相結(jié)合的方案，降水井的設(shè)計(jì)決定了單井出水量，通過總涌水量和單井出水量確定降水井?dāng)?shù)量。

依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）管井的單井出水能力：

式中：

q為單井出水能力（m3/d）；

rs為過濾器半徑（m）；

l為過濾器進(jìn)水部分的長(zhǎng)度（m）；

k為含水層滲透系數(shù)（m/d）。

根據(jù)該規(guī)范，降水井?dāng)?shù)量n=1.1Q/q。

由上面的分析可知，本設(shè)計(jì)采用止水體插入相對(duì)深度為50 %和60 %均可滿足滲透穩(wěn)定性要求，因此，可針對(duì)這兩種插入深度在考慮工程造價(jià)之后綜合確定管井?dāng)?shù)量。

5 結(jié) 論

通過該項(xiàng)目的實(shí)施及研究可得到如下結(jié)論：

1）當(dāng)止水體不穿透整個(gè)透水層時(shí)，涌水量受止水體插入深度控制，止水體本身的滲透性影響不大；

2）止水體打穿整個(gè)透水層時(shí)，涌水量與止水體的滲透系數(shù)之間基本成正比；

3）止水體的插入深度在滿足滲透穩(wěn)定的前提下，需綜合考慮經(jīng)濟(jì)性因素確定；

4）本項(xiàng)目勘察報(bào)告中注水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)的平均值分別為10 m/d和130 m/d，根據(jù)實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)反推實(shí)際的滲透系數(shù)比抽水試驗(yàn)的結(jié)果小，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于注水試驗(yàn)的結(jié)果。因此，直接采用注水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)計(jì)算涌水量肯定是不合適的，但利用抽水試驗(yàn)的滲透系數(shù)計(jì)算的涌水量又偏大，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)有待在以后的工程中進(jìn)一步積累。