抽水試驗及數值模擬在基坑工程中的應用

張 興

（北京中巖大地科技股份有限公司，北京 100041）

0 引言

基坑施工過程中，為避免產生流砂、管涌、坑底突涌，防止坑壁土體的坍塌，保證施工安全和減少基坑開挖對周圍環境的影響，當基坑開挖深度內存在飽和軟土層和含水層及下部承壓水對基坑底板產生影響時，就需選擇合適的降低地下水水位或水頭的方法對基坑進行降水。

隨著我國大中城市的發展，與地下空間開發利用緊密相關的基坑降水越來越受到重視。基坑降水導致其周邊水位波動，減小了土粒間的浮托力；同時水頭壓力改變，土層中產生水頭梯度，增加了滲透壓力，導致有效應力增加，從而引起地層壓密而產生的地面沉降[1?3]。

在淺部疏干土層中地下水和局部的、大幅度的、暫時性的降低下部承壓水水頭的過程中，控制由于降水引起的周圍地面沉降和建（構）筑物的變形，更需得到重視。由于大量抽汲地下水，國內許多地區已先后出現嚴重的地面沉降。如何合理地開發、利用地下水并控制地面沉降，是亟待解決的重要課題之一[4?10]。

降水工程設計應進行多方案對比分析后選擇最優降水方案，降水工程設計應重視工程環境問題，防止產生不良工程環境影響[11]。數值模擬能夠對地下水控制方案進行合理的預測分析，針對基坑降水工程危害采取有效措施加以防范[12?14]。

1 工程概況

1.1 場地概況

本項目位于江西省宜春市袁河一級階地內，南側高、北西側低，地面高程92.22～99.71 m，最大高差約7.5 m；場地西側及南側為居民區，樓層4～7層，距離基坑邊線8～20 m；北側及東側緊鄰市政道路，距離基坑邊線8～12 m。擬建項目的基坑支護工程呈L形，場地±0.00的高程為91.0 m，基坑設計深度9.0～16.8 m，周長約820 m，占地約2.91×104m2。

根據地勘報告，在鉆探深度范圍內，該場地土層為第四系雜填土、素填土（Q4ml）、含礫粉質黏土、粗砂、礫砂（Q4al-pl），粉質黏土、含礫粉質黏土、礫砂、碎石土、溶洞充填物（Q4pl），下臥二疊系石灰巖（P12），覆蓋層與下臥巖層為不整合接觸。各巖土層巖物理力學參數見表1。

表1 各巖土層物理力學參數

1.2 工程水文地質條件

上層滯水含于①1雜填土及①2素填土層中，初見水位埋深0～2.6 m，連通性較差，滲透性能在平面上也不均勻，無連續的水位，水位及水量受季節性變化影響大，主要為大氣降水補給、蒸發排泄。

具承壓性的孔隙性潛水及巖溶裂隙水，含于③粗砂層及以下土層中，穩定水位埋深4.2～7.5 m。主要分布在早期河床沖刷沉積層中層狀分布，水量較大。補給方式主要受秀江（距離基坑北側約200 m）河水側向徑流排泄及補給及場地周邊蘊含水層補給影響。

1.3 基坑支護設計概況

支護結構總體采用了鉆孔灌注樁+錨桿+上部放坡支護形式，局部剖面大放坡。基坑主要支護形式為樁錨體系，護坡樁樁徑1.0 m，樁間距1.3 m，樁長16.0～28.0 m，入中等風化巖層1.0～6.5 m，錨桿1～2道。地下水控制采用樁間旋噴+坑外減壓井+坑內疏干井，旋噴樁樁徑1.0 m，樁間距1.3 m，坑外設減壓井間距30 m，坑內設疏干井間距35.0 m，井深16～17 m（入巖不小于0.5 m）。

1.4 基坑施工概況

基坑工程于2013年12月開始施工，2014年8月基坑開始降水，2014年11月在施工至?9.0 m處時坑內涌水量劇增，坑內疏干井由最初的19口增至27口，日抽水量達10000 m3以上，直接導致周邊近百米范圍內建筑物及道路均出現不同程度的沉降及裂縫，樁頂位移持續發展，最大值已到達116 mm（位于基坑西側），遠超基坑設計預警值30 mm，基坑安全性越來越低。為保證周邊環境安全，2015年1月基坑進行回填處理，西區回填至絕對標高87.0 m，中區回填至81.5 m，東區回填至83.0 m，東側靠近護坡樁處回填至86.0 m以壓穩坡腳，回填后周邊建筑物及道路沉降趨于穩定，裂縫不再發展。

根據現場調查結果，基坑涌水量之所以如此巨大，從客觀上看，30 m深度范圍內找不到連續隔水層；基底以碎石、礫質粉黏、礫砂等透水性較好土層為主；基坑緊鄰古河道，內外水力相連、水源補給非常充分。從主觀上看：實際施工止水帷幕樁時，因地層變化劇烈，引起止水帷幕樁位、樁間距、垂直度產生較大偏差，導致帷幕樁與護坡樁咬合不良，存在大量滲水、出水的情況，帷幕體系基本失效。

地下水控制為該基坑支護的關鍵問題，為準備基坑二次開挖，將通過現場抽水試驗以及數值模擬重新確定基坑地下水控制方案。根據現場情況，基坑出水量應控制在5000 m3/d。

2 抽水試驗

2.1 試驗井布置

依據場地調查結果，于施工區域內布置9口試驗井，井深在11～19 m，井底標高在69.5～71 m，水井成孔直徑1.2 m，井管全長采用426橋式濾水管，外裹兩層80目尼龍網，用編制竹皮包裹，全部采用通長包裹，一次安裝，整體吊裝安裝工藝，井管外填充粒徑5～10 mm碎石，空壓機和水泵配合洗井。各試驗井的位置如圖1所示。

圖1 各試驗井的布置圖

2.2 試驗方案

抽水試驗分東、西兩個區域，每個區域分兩步進行試驗，第一步進行單井抽水試驗，兩個井同時進行單井試驗的最小間距不小于50 m，每眼單井試驗抽水檢測的時間間隔分為：5 min、10 min、15 min、15 min、30 min、30 min、60 min、60 min，水位穩定時間不小于2 h，按照規定時間不能穩定水位的，繼續每60 min檢測一次，直到穩定水位在2 h以上，同時，在各時間間隔內采用水表讀取出水量，記錄并填寫記錄表。當各區域單井檢測完成后，進行區域井檢測，東區4口井，為W6?W9，西區5口W1?W5，西區根據單井檢測結果，采取抽取W7井，同時觀察W6、W8、W9水位變化，東區采取抽取W1、W4，觀察W2、W3、W5的水位變化，區域抽水檢測數據采集時間間隔為0.5 h、0.5 h、1 h、1 h、1 h、1 h、2 h、2 h、2 h、2 h、3 h、3 h，再按10 min、30 min、30 min、30 min、30 min的時間間隔觀測各井的水位恢復情況直至水位恢復至初始值，結束抽水試驗。各試驗井附近的土層剖面及其結構大樣如圖2所示。

圖2 各試驗井結構及地層示意圖（單位：m、mm）

2.3 試驗結果

抽水試驗數據統計及承壓水情況如表2所示。根據試驗結果：除W1、W2關聯性較強，其他各試驗井之間關聯性較差；W1、W2和W6水井區域為承壓水區域；W7、W8為承壓水和溶洞層間水混合區域；W3、W4、W5為溶洞水區域；W9為灰巖水區域。

表2 試驗井數據統計及承壓水情況表

抽水試驗反映了場地土層的復雜情況，不同區域土層差異很大，地下水補給方式極為復雜。在場地內抽水時，地下水補給方式既有水平向徑流補給又有豎直向的承壓水補給，且含水層透水性強，地下水徑流量較大。

3 有限元數值分析

3.1 模型的建立

采用Midas GTS程序建立基坑滲流模型，模型尺寸600 m×600 m，高50 m。模型如圖3所示。

圖3 基坑滲流模型圖

3.2 模型參數的選取

滲流系數為滲流模型的關鍵參數。數值模型通過不斷調整土層滲透系數，將模擬得到的試驗井穩定水位處的流量與抽水試驗的結果相比較，選取二者接近時的滲流系數作為模型參數。最終的數值模擬結果與抽水試驗出水量對比如表3所示，各土層滲流系數取值與地勘建議值對比如表4所示。

表3 出水量結果對比

表4 各土層滲透系數取值對比

3.3 模擬基坑滲流過程

為尋求合理的地下水控制方案，將分別模擬計算無帷幕、止水帷幕、分區止水帷幕+局部封底三種方案的坑底出水量。分區止水帷幕以及局部封底區域根據擬建建筑物情況以及抽水試驗結果確定，分區如圖4所示，其中W1、W2所在的二區以及W6、W7、W8所在的七區做旋噴封底處理，封底厚度為5 m。

圖4 場地分區圖

4 數值模擬結果及分析

4.1 無帷幕方案

無帷幕方案的數值模擬結果如圖5所示，坑底出水量為0.278 m3/s，即24000 m3/d。根據已有數據，抽水量10000 m3/d，已嚴重危及周邊環境，無帷幕方案顯然不可行。

圖5 無帷幕方案坑底出水量及總水頭云圖

4.2 止水帷幕方案

于回填作業面重新補打止水帷幕，典型支護剖面如圖6所示。不同帷幕長度的計算結果如表5所示，止水帷幕長度為25 m的數值模擬結果如圖7所示。根據計算結果，止水帷幕長度不應少于50 m。

圖6 補強后典型支護剖面示意圖

表5 出水量數值模擬結果

圖7 止水帷幕方案坑底出水量及總水頭云圖

4.3 分區止水帷幕+局部封底方案

分區止水帷幕+局部封底方案，止水帷幕長度為25 m，其支護剖面是在圖6的基礎上于坑底增加5 m高壓旋噴封底。數值模擬結果如圖8所示，坑底出水量為0.048 m3/s，即4150 m3/d。各分區坑底出水量如圖9所示。該方案坑底出水量大大減少，同時可以根據擬建建筑物工期計劃，分時分區進行基坑開挖，能夠進一步控制抽水量，減輕抽水對周邊環境的影響程度。

圖8 分區止水帷幕+局部封底方案坑底出水量及總水頭云圖

圖9 各分區坑底出水量圖

4.4 模擬結果分析

通過對三種方案的模擬結果，可以得知，止水帷幕方案，帷幕長度超過50 m，施工質量和經濟性都不易實現，故分區止水帷幕+局部封底方案最為合理，既能減輕抽水對周邊環境的影響程度，也避免了大面積封底造成經濟上的浪費。同時為保證基坑安全，基坑內設置減壓井，控制承壓水水頭，防止基坑側壁水壓力及封底區浮力過大，減壓井間距15 m，局部封底區域減壓井井底標高位于坑底以下14 m，未封底區域減壓井井底標高位于坑底以下8 m，減壓井結構僅成孔直徑縮小為800 mm，其它與試驗井結構相同。考慮場地的復雜地層條件，止水帷幕采用咬合樁。故本工程的地下水控制方案為4.3節給出的方案：咬合樁分區止水帷幕+局部封底+坑內控制性減壓降水井。根據后期的實施效果，基坑周邊的沉降穩定，裂縫不再發展。

5 結論

（1）水文地質參數是基坑降水設計中不可缺少的因子，它直接影響到基坑降水設計的準確、合理與可靠程度，現場抽水試驗實測的水文地質參數是制定地下水控制方案的有力依據。

（2）通過Midas GTS軟件的滲流模型模擬基坑降水過程，能夠對地下水控制方案進行合理的預測分析，針對基坑降水工程危害采取有效措施加以防范，用于指導基坑支護施工。

（3）對于復雜的地質水文條件，基坑工程應采用綜合性的地下水控制方案，因地制宜，分區治理，做到安全適用、保護環境、經濟合理，同時施工過程中要精心準備、嚴格監控。