基于抽水試驗的基坑滲漏有限元分析

羅志華

（1.上海勘察設計研究院（集團）有限公司，上海 200093；2.上海巖土與地下空間綜合測試工程技術研究中心，上海 200093；3.上海市巖土工程專業技術服務平臺，上海 200093）

0 引言

隨著城市地下空間開發深度不斷增加，深基坑工程也不斷涌現。基坑施工過程中，受施工技術水平、人員管理等因素影響，圍護結構往往會出現不同程度的滲漏，并進一步導致圍護水平變形增大、周邊建筑管線沉降開裂等問題［1，2］，直接影響工程進度和施工安全，因此，基坑開挖前對基坑滲漏情況進行檢測具有重要意義。目前基坑圍護滲漏檢測方法大致可以分為鉆孔檢測方法、無損物探檢測方法［3-7］和抽水檢測法。抽水檢測法是基坑圍護及止水帷幕施工完畢后及開挖之前，利用抽水試驗坑內外水位變化結果來檢驗基坑圍護及止水帷幕的止水效果。假設基坑圍護沒有質量缺陷，基坑內降水將不會造成坑外地下水位的大幅下降；反之，若基坑圍護及止水帷幕發生滲漏，則該處坑外的地下水位必然發生比較大的變幅。利用這個原理可以在基坑開挖前對基坑圍護及止水帷幕施工缺陷進行初步的判定，結合其他無損物探檢測方法，可以更準確地判斷基坑滲漏位置和滲漏情況。隨著基坑開挖及降水運行過程的進行，對于隨基坑開挖和坑內外水頭壓力差變大而逐步發展形成的地下連續墻滲漏也能在坑外地下水位的變化上反映出來。本文通過已發生滲漏的基坑抽水試驗工程案例，分析研究基坑存在滲漏時，通過抽水試驗的水位變化情況；同時結合滲漏基坑工程案例中抽水試驗數據對滲漏基坑進行有限元分析。

1 工程概況

上海某地鐵車站周邊為成熟地塊，包括居住區、商業用地、道路管線、管溝、已建地鐵車站及盾構隧道等，最近距離僅 5.6 m，基坑開挖對周邊環境影響較大，環境保護要求高。該場地涉及土層主要為第四系飽和黏性土、粉性土和砂土，涉及承壓水層為第 ⑦ 層粉砂層以及第 ⑨ 層粉砂層，滲透系數約 1h10-4～1h10-2（cm·s-1），第 ⑦ 層頂埋深約 28.5 m，⑦⑨ 層相互連通，水量豐富，承壓含水層初始水頭埋深約 5.6 m。由于該項目 ⑦⑨ 層連通，存在巨厚承壓含水層，開挖施工過程中若基坑圍護發生滲漏，將直接威脅基坑及周邊環境安全。

該地鐵車站南端頭井基坑挖深 26.4 m，采用1 200 mm 厚地下連續墻圍護（中隔墻為 1 000 mm 厚），圍護深度 48 m，同時該端頭井地連墻外側距離 1.2 m處設置了 TRD 止水帷幕，深度 60 m，厚度 800 mm。基坑地連墻圍護以及 TRD 止水帷幕未隔斷 ⑦⑨ 層承壓水，為懸掛式止水，地層分布以及基坑圍護剖面如圖 1 所示。

圖1 工程地質剖面及基坑圍護示意圖

基坑降水井平面布置圖如圖 2 所示，坑內 3 口降水井，坑外 7 口觀測井（其中 H-5 觀測井失效），井深均為 48 m（與地墻同深），濾管位于第 ⑦ 層，長度 15 m。

圖2 基坑承壓水層降水井布置平面圖

2 抽水試驗數據分析

基坑開挖前進行了抽水試驗，抽水試驗開啟基坑內 WA2 和 WA3 井，抽水歷時 24 h，其中，WA2 井平均出水量約 7.87 m3/h；WA3 井平均出水量約 5.27 m3/h，抽水試驗期間及停止后水位變化曲線如圖 3、圖 4 所示，抽水結束后觀測井實測降深如表 1 所示。

表1 第一次 WA2 和 WA3 抽水試驗后觀測井實測降深

圖3 抽水試驗期間觀測井水位埋深變化曲線

圖4 抽水停止后觀測井水位埋深變化曲線

從抽水試驗階段觀測井降深數據可以發現，坑外 H2 觀測井水位明顯異常，其次為 H1，因此可初步估計止水帷幕滲漏發生在觀測井 H2 附近，該處為拐角地墻的接縫處，滲漏風險較大。

為進一步判斷基坑圍護及止水帷幕滲漏情況，進行了第二次抽水試驗，抽水試驗開啟基坑內 WA1 井，并對坑外 H1、H2、H3 井進行觀測，抽水 5 h 后，各觀測井水位實測降深如表 2 所示。結合第一、二次抽水試驗結果基本可以判斷基坑圍護及止水帷幕在 H2 觀測井附近存在滲漏，因此在 H2 附近進行了 RJP 注漿加固止水。RJP 完成后，為判斷加固止水效果，進行了第三次抽水試驗驗證，仍開啟坑內 WA1 井，對坑外 H1、H2、H3 井進行觀測，抽水 5 h 后，各觀測井水位實測降深如表 3 所示。從第三次抽水試驗驗證結果可以看出，經過加固后坑外水位下降明顯減小，說明坑外 H2 附近確實存在滲漏，且經過 RJP 加固后，起到了明顯的止水效果。

表2 第二次 WA1 抽水試驗后坑外觀測井實測降深

表3 第三次 WA1 抽水試驗后坑外觀測井實測降深

3 有限元滲漏模擬分析

3.1 模型建立

為更深入地研究地連墻圍護滲漏對抽水水位的影響，采用 Midas GTS 巖土工程數值分析軟件，結合實際工程概況并考慮整體車站基坑，建立三維有限元模型，如圖 5 所示。土體本構采用修正-摩爾庫倫模型；基坑圍護及止水帷幕均采用三維實體單元模擬，地連墻厚度 1 200 mm（鄰近標準段基坑為 1 000 mm厚），TRD 止水帷幕厚度 800 mm，材料參數設置如表 4 所示，圍護及止水帷幕均設置為不透水。由于滲流與土體應力變形為耦合關系，為充分評估抽水試驗結果，計算時采用滲流應力完全耦合控制方程。抽水試驗模擬采用節點流量方法，在相應降水井的濾管深度位置設置節點流量邊界條件。

表4 圍護及止水帷幕參數信息

圖5 三維有限元模型

為模擬圍護及止水帷幕滲漏對抽水水位降深的影響，根據抽水試驗初步判斷的滲漏位置，將該位置對應第⑦層深度的圍護及止水帷幕單元設置為可透水，稱之為滲漏單元，滲漏單元尺寸為 2 mh3.5 m，如圖 6 所示。

圖6 基坑圍護及止水帷幕滲漏單元設置

3.2 計算結果分析

1）滲漏單元滲透性對水位降深的影響。設置 WA2 和 WA3 降水井位置的節點流量，模擬抽水過程，同時調整滲漏單元的滲透系數，得到不同的水位降深結果，圖 7 是 H2 位置處降深-滲漏單元滲透系數與原狀土滲透系數之比的變化關系曲線。從圖 7 中可以看出，隨著滲漏單元滲透系數增加，坑內抽水對坑外水位影響逐漸增大并趨緩。圖 8 則是滲漏單元滲透系數為原狀土 0.6 倍時總水頭（水位埋深）云圖，從圖 8 中可見，總水頭分布與第一次抽水試驗各觀測井實測降深較接近，因此抽水試驗各工況模擬時設置滲漏單元滲透系數為原狀土的 0.6 倍。

圖7 滲漏單元滲透系數大小與 H2 水位降深關系曲線

圖8 滲漏單元滲透系數為原狀土 0.6 倍時總水頭云圖

2）抽水試驗模擬結果。根據實際抽水試驗工況，分別進行抽水試驗模擬，水位降深模擬結果與實測結果對比如表 5～7 所示。從模擬結果對比可以看出，模擬降深與實測降深基本匹配，說明數值模型中滲漏單元尺寸以及滲透參數設置是合理的。通過有限元反演方法來模擬基坑滲漏，可以用于輔助判斷基坑滲漏情況，如基坑滲漏位置及滲漏大小。

表5 WA2 和 WA3 抽水時模擬降深結果與實測降深對比

表6 第二次 WA1 抽水時模擬降深結果與實測降深對比

表7 第三次 WA1 抽水時模擬降深結果與實測降深對比

4 結語

以某地鐵車站端頭井基坑抽水試驗為工程背景，對抽水試驗過程中坑內外水位變化結果進行了分析和數值模擬，得到基坑圍護、止水帷幕滲漏對抽水水位變化的影響規律。主要結論包括以下三方面內容。

1）基坑懸掛式止水帷幕滲漏導致坑內抽水時鄰近滲漏處的坑外水位明顯下降，可通過水位變化初步判別基坑滲漏情況，并進一步采用抽水試驗驗證。

2）采用有限元數值分析方法，通過設置滲漏單元可以模擬水位異常變化情況，與實測水位降深較為匹配。

3）數值模擬滲漏單元滲透性越大，鄰近滲漏處的坑外水位降深越大，通過與實際抽水試驗水位變化對比，可進一步輔助判斷基坑滲漏情況。Q