基坑止水帷幕參數(shù)敏感性分析研究

劉 影

(北大荒農(nóng)墾集團有限公司，哈爾濱 150036)

0 前 言

滲流作為基坑工程失穩(wěn)的眾多因素之一，在地下水滲流造成事故的占比近22%，可見，地下水的滲流會嚴重威脅基坑的安全穩(wěn)定[1]。不同的基坑工程根據(jù)深度和面積設計參數(shù)，在巖土工程或水利工程中施工標準要求不同，所以基坑設計應根據(jù)實際工程的具體情況考量，同時作為影響因子之一的土體滲透系數(shù)，其參數(shù)變化及與不均勻分布性，使得工程情況復雜多變。

1 有限元原理

有限元軟件的溫度場模塊中，溫度場和滲流場比擬原理是基于溫度流體和熱體的運動相似性。借Thermal模塊中可模擬滲流場，其計算原理[2]如下：

溫度場控制分析方程表達式為：

(1)

邊界條件滿足：

θ|S1=θ

(2)

(3)

式中：θ為溫度；kx、ky、kz為三向傳導率；qB為熱源密度；S1、S2為兩類已知邊界；qS為邊界熱源密度。

滲流模擬時，以滲流水頭h代替溫度，三向滲透系數(shù)kx、ky、kz替代熱傳導系數(shù)，令qS=0，簡化為：

(4)

2 工程實例

2.1 工程概況

某工程基坑長52m，寬30m，開挖深度16m。基坑支護采用磚砌擋墻+護坡樁+錨桿支護體系，護坡樁采用φ600鋼筋混凝土灌注樁，樁長4.8-18.6m，樁間距1.0-1.5m，錨桿長度8-21m，間距1.2m[3]，降水方式采用抽取和疏干相結合的層間潛水來降低承壓水。基坑開挖幾何模型見圖1。

圖1 基坑幾何模型

2.2 力學參數(shù)

基坑的不同材料類型力學參數(shù)見表1[4]。

表1 材料參數(shù)表

2.3 計算結果

設定基坑模型的止水帷幕深度26 m，寬度1 m，止水帷幕滲透系數(shù)分別選取1.25×10-6m/s、1.25×10-7m/s、1.25×10-8m/s、1.25×10-9m/s四個不同工況的參數(shù)取值來進行基坑滲流模擬[5]。隨著止水帷幕滲透系數(shù)的變化，基坑壓力水頭云圖如圖2所示。

(a)

從圖2可知，隨著滲透系數(shù)不斷變小，基坑地下水位不斷降低，當系數(shù)值從工況一變化至工況二時，出露點高度降低0.84 m；從工況三變化為工況四時，出露點高度減少0.23 m。表明當滲透系數(shù)減小到特定恒值時，地下水下降變化不大。地下水下降高度與止水帷幕滲透系數(shù)變化關系如表2所示。

表2 地下水下降高度與止水帷幕滲透系數(shù)對應關系

基坑的滲流速度計算結果如圖3所示：

從圖3可知，工況1的基坑外側地下水滲出位置在坑腳處，該處滲流速度最大，隨距離坑腳位置變化，滲流速度逐漸降低；工況2的絕大多數(shù)地下水進入基坑內側；工況3、工況4的全部地下水進入基坑內側，此時的止水帷幕將水隔絕，滲流速度最大值在距基坑側壁1.6 m處。滲流速度與基坑側壁距離的對應關系如圖4所示。

(a)

圖4 滲流速度與基坑側壁距離的對應關系

基坑滲流通量計算結果見圖5：

從圖5可知，工況1的地下水通過坑腳滲入基坑，此時未繞過止水帷幕；工況2下有少量地下水水透過止水帷幕進入基坑，產(chǎn)生顯著的“繞流”現(xiàn)象；工況3、工況4時的繞流現(xiàn)象更顯著。不同滲透系數(shù)的基坑滲流流量與基坑側壁距離關系如圖6所示。

圖5 不同滲透系數(shù)止水帷幕的滲流通量等值線圖

圖6 滲流流量與基坑側壁距離的關系

當止水帷幕滲透系數(shù)值降低，基坑地下水位線和滲流速度存在一定變化，限定在基坑土體的10-3-10-4范圍內時，對地下水的阻滯作用效果顯著，超過或不足時，阻滯作用降低，可見止水帷幕滲透系數(shù)是影響其止水效果的重要因素。

3 結 論

文章基于Thermal模塊的滲流場與溫度場相似原理，有限元模擬基坑工程不同工況下的滲流場變化，以滲透系數(shù)為控制參數(shù)，通過壓力水頭、滲流速度和滲流流量的模擬計算，結果表明：當止水帷幕的滲透系數(shù)為基坑土體的10-3-10-4數(shù)量級時，其止水效果良好，超出或不足該取值范圍，滲流效果將明顯下降。