基于Visual Modflow軟件的基坑降水設計及影響分析

呂善國

（南京南大巖土工程技術有限公司，江蘇 南京 21 1800）

0 引言

隨著全國各地城市建設的發展，在各種復雜含水系統中開挖的基坑工程越來越多，如何處理好地下水就成為工程建設順利實施的關鍵。基坑降水工程既是基礎工程順利進行的先決條件，同時也會造成周邊地面的不均勻沉降，對周圍建筑物造成危害[1]。

本文以揚中市某建設項目為例，基于Visual Modflow 軟件對該項目基坑降水進行設計，并對降水可能引起基坑周邊地面沉降進行預測，并提出預防地面沉降的措施和建議。

1 工程概況

該項目位于揚中市核心地段，西至港東南路，北至揚子東路，東側及南側為河濱路。基坑形狀呈三角形，地下室為二層滿堂地下室。基坑開挖面積約11850m2，支護周長約465m，普遍開挖深度為13m。基坑四周為地下管網密布的市政道路，周邊緊臨多棟已建3～7 層老舊建筑物，西側通江河流三茅大港與擬建場地僅有港東南路相隔。基坑總平面圖見圖1。

圖1 總平面圖

圖2 基坑支護平面布置圖

2 水文地質條件

根據勘察揭示的土層結構特征分析，本場地地下水為孔隙潛水，賦存于場地內各土層中，水量豐富。

地表①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。②-1 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，其余②-2～④層均飽含地下水，透水性較強。場地地下水主要受大氣降水補給，以逕流、蒸發形式排泄，潛水水位隨季節變化明顯，年變幅0.5～1.0m 左右。勘察期間測定的地下水穩定水位埋深：0.6～2.0m，水位高程+1.68～+2.30m。

本場區抽水試驗報告給出的土層綜合滲透系數K=15m/d，影響半徑R=500m 以上。

表1 水文地質模型豎直地層

2 基坑降水數值模擬計算

3.1 Visual Modflow 軟件簡介

Visual Modflow 是一種三維地下水流和溶質運移模擬評價的標準可視化專業軟件系統，它可以仿真模擬深基坑降水過程中地下水位的變化情況[2]。

3.2 基坑降水數值模型的建立

3.2.1 模型假定

為了便于滲流軟件計算，現對數值模型作如下假定：

1、降水井影響區域含水層等厚、均質、水平各向同性；

2、邊界含水層水頭恒定；

上式中除了參考距離d0可以人為擬定外(本次實驗設置d0=1m)，其它參數的估計需要用到已知數據，即通過已知數據來估計路徑損耗指數n和參考信號強度P0。

3、坑內降水井按定流量進行降水。

3.2.2 模型建立

現對場地水文地質條件進行概化，建立本工程水文地質概念模型。根據本項目巖土工程勘察報告及現場抽水試驗所提供的地質和水文資料，本次基坑降水數值模型以基坑位置為中心確定整個模擬范圍為2km×2km 區域，深度取為93 米，基坑區域網格進行加密，以提高計算精度（如圖3、圖4、圖5 所示）。土層根據鉆孔資料劃分為7 個模擬層，土層滲透系數取現場抽水試驗提供的土層綜合滲透系數。止水帷幕采用邊界防滲墻來模擬，厚度輸入0.85m，滲透系數取1×10-9m/s[3]。模型邊界按定水頭計算，定水位取地勘報告提供的最高水位高程+2.30m。

圖3 模型分層剖面圖

圖4 三維數值模型立體圖

圖5 基坑范圍網格劃分平面圖

3.2.3 模擬方案

采用Visual Modflow 軟件按三維非穩定流模型進行降水工程模擬，綜合考慮基坑施工期間的不確定因素，模擬周期取至800d。采用防滲墻模擬基坑四周長度為30 米的止水帷幕。根據工程經驗，坑內先按200m2/口左右布置降水井，共需布置58 口，設計井深28 米，通過在模型中輸入不同的單井抽水量反復試算，直至數值模擬的坑內地下水位降至設計水位為止。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 基坑涌水量預測

因基坑周邊采用三軸深攪樁作為止水帷幕，對地下水滲流具有一定的繞流阻水作用，解析公式無法適用該類條件下的涌水量計算，本文基于Visual Modflow 軟件采用三維有限差分法數值模擬技術，充分考慮三軸深攪樁的影響，對基坑涌水量進行預測。

通過反復試算，模擬得出當單井抽水量取250m3/d 時基坑內水位降至標高-10.7m（模型取地面標高為+3.0m，坑內設計水位標高-11.0m），數值模擬坑內水位近似達到設計降深。降水模擬結果詳見圖6 和圖7。從而近似預測本基坑的總涌水量約為14500m3/d。

3.3.2 基坑周邊地下水水位降深模擬

根據數值模擬結果，坑內水位降至設計標高后，基坑周邊地下水水位標高最低為+0.32m，水位降深最大約為2m。具體詳見圖7、圖8。

圖6 降水水位等值線圖

圖7 降水水位云圖

圖8 降水水位剖面云圖

3.3.3 降水對基坑周邊地面沉降影響分析

根據數值模擬計算出的基坑周邊各點的水位降深值，采用分層總和法[4]，通過確定壓縮層厚度，計算各層自重應力、附加應力、兩者平均值和壓縮量等，計算出基坑周邊各點累計沉降量[5]。

通過計算，預測基坑四周地面沉降量在0～35mm 之間。數值模擬結果表明基坑降水對周邊地面沉降具有較大影響，實際施工過程中應采取相應的減小地面沉降的預防措施。

5 結論

本文基于Visual Modflow 三維有限差分軟件以非穩定滲流理論為基礎，對基坑工程降水進行設計，為基坑降水設計增加了一種新的可行方法。根據數值模擬結果進一步分析了基坑降水可能對坑外地面產生的影響，并得出如下結論：

1）因現有的基坑降水設計大多采用大井法，基坑涌水量計算結果與實際抽水量偏差較大，本文基于Visual Modflow 軟件，利用現場抽水試驗得到的水文地質參數，模擬了有止水帷幕阻隔，降水井口數一定（58 口），以坑內地下水降至設計水位為條件，經多次模擬試算，得出單井抽水量約為250m3/d，預測本基坑的總涌水量約為14500 m3/d。

2）模擬計算結果與實際數據可能會出現一定程度的差異，因此，還需要根據實際情況和實際監測結果對降水方案進行動態調整[5]。

3）數值模擬結果表明基坑降水對周邊地面沉降具有較大影響，實際施工過程中應結合土方開挖計劃做到按需降水，嚴格控制地下水的抽排量，施工過程中密切觀測坑內外水位變化情況，及時采取回灌井回灌等措施減小地面沉降。