富水深厚砂層超深地連墻滲漏的示蹤劑遷移過程模擬

于富來,王國林,于維鶴,張智軍,東 盼,元熹翔,姜耘石,劉宏偉,田豐博

(1.中鐵上海工程局集團市政環保工程有限公司，上海 201906；2.沈陽工業大學建筑與土木工程學院，沈陽 110870；3.西安石油大學地球工程與科學學院，西安 710065)

隨著我國城市化進程不斷加快，以往僅發展地面資源的道路難以實現可持續發展。為增強我國國民福祉，開發利用地下空間是一條有效的途徑。在開發利用地下空間進程中，地下連續墻因具有剛度大、整體性能好的特點，在深基坑工程中受到廣泛的應用[1]。目前，各學者利用各種模擬軟件對基坑開挖過程分析較多，針對富水深厚砂層下的超深地連墻滲漏問題的有限元模擬較少。羅志華[2]對抽水試驗過程中坑內外水位變化結果進行了數值模擬和分析，得到基坑圍護、止水帷幕滲漏對抽水水位變化的影響規律；李琳[3]對基坑開挖和降水的模擬結果進行了比對，總結了基坑降水對深基坑變形的影響，并分析了地連墻存在漏水問題對基坑內外水位的影響。為判斷地連墻上是否存在滲漏薄弱處，探尋滲漏點的存在對基坑內外滲流場的影響，建立了位于富水深厚砂層深基坑的二維有限元模型，模擬分析砂土中超深地連墻發生滲漏時現場實施墨水試驗的可行性，探尋滲漏對地下水滲流的影響。

1 工程概況

1.1 地鐵車站概況

該站為地下四層雙柱三跨島式車站，主體結構采用蓋挖逆作法施工。該站主體標準段底板埋深33.55 m，盾構井段底板埋深35.45 m，較常規車站深約10～15 m，圍護結構采用1.2 m厚地連墻，進行坑內降水，并輔以坑外泄壓降水。

1.2 水文地質概況

該車站處地下水主要存在于中粗砂、礫砂土層中，屬第四系孔隙潛水。設計初見水位埋深約為17.70～18.30 m，穩定水位埋深為16.50～17.00 m。基坑開挖范圍內由上到下分別為雜填土、中粗砂層、礫砂層、圓礫層、粉質黏土層、礫砂層和泥礫層。

2 地下連續墻滲漏的有限元模擬

2.1 示蹤劑遷移試驗

為判斷地連墻是否存在滲漏薄弱處，查清基坑內外地下水滲流路徑，采用有色示蹤劑進行示蹤劑遷移過程模擬。因有色墨水在遷移過程中可始終保持性質穩定，故選用有色墨水作為示蹤劑，在特定泄壓井內壓入高濃度墨水，使其作為溶質溶解在地下水中，以地下水為載體沿著滲流路徑進行遷移，觀察從相鄰疏干井內抽出水的顏色，通過顏色變化情況判斷相近地連墻是否存在滲漏點，為下一步采取有針對性的施工措施和降水井運行調度提供科學依據。

2.2 考慮滲漏影響的基坑二維有限元模型

采用有限元軟件ABAQUS依據基坑施工現場情況建立二維流固耦合數值模型。在ABAQUS中設定多孔介質材料，基于總孔壓進行建模，劃分網格時使用特定的孔隙水壓力單元，對模型進行穩態的線性滲流計算。計算時將有限元的網格固定在土體骨架上，地下水流過網格，地下水在滲流過程中滿足二維非穩定流的滲流運動方程。地連墻滲漏模擬共4個分析步[4]，依次為初始分析步、地應力平衡分析步、滲漏分析步、降水分析步。

3 計算結果分析

3.1 抽水及示蹤劑遷移過程模擬

通過ABAQUS軟件建模分析，模擬坑內的疏干井持續抽水時，將坑外其它泄壓井關閉，向特定泄壓井內注入有色墨水，得到當地連墻完整情況下的水流速度矢量(圖1)及存在滲漏情況下的水流速度矢量(圖2)。從圖2中可以看出，滲漏點的存在使坑內外產生了水力聯系，形成水頭差，處于坑外地下水中的有色染色劑會以地下水為載體滲入到基坑內部，從疏干井內被抽出，驗證了使用示蹤劑遷移試驗在實際工程中判斷地連墻滲漏的可行性。

3.2 滲漏點破壞程度對基坑滲流場的影響

改變滲漏點的滲透系數，將滲漏點滲透系數從2.5×10-4m/h擴大至2.5 m/h時，坑外水位從每天下降0.29 mm增加到每天下降260 mm，坑內水位從每天上升0.86 mm增加到每天上升610 mm，滲漏速度與地連墻滲漏程度呈正相關。當滲漏點的滲透為2.5×10-4m/h時，坑外水位每天下降0.29 mm，坑內水位每天上升0.86 mm，繼續減少滲漏點的滲透系數，水位變化不再明顯。

當滲漏點的滲透系數k≥0.25 m/h時，坑外孔隙水壓力隨時間變化呈凹形，坑內孔隙水壓力隨時間變化呈凸形，內外水位變化會隨著時間的推移而逐漸變緩，其原因是滲漏點的滲透系數大，即地連墻破壞程度大，坑內疏干井的出水量小于從坑外涌入坑內的進水量，坑內水位上升，坑內外水頭差減小，導致坑外地下水涌入坑內的速度變緩。當滲漏點的滲透系數k<0.25 m/h時，其孔隙水壓力隨時間變化呈直線形。因地連墻的破壞程度較小，滲漏點在短期內對基坑內外的水頭差的影響較小，滲漏速度幾乎不發生改變。

3.3 滲漏點尺寸對基坑滲流場的影響

滲漏尺寸與坑外側形成漏斗面積呈正相關，漏斗形狀隨著滲漏尺寸的增大而逐漸明顯。相同條件下，不同滲漏尺寸下孔壓變化規律大致相同。尺寸大小與涌入基坑內的地下水含量呈正相關。滲漏尺寸為0.8 m時，坑外孔壓變化量是滲漏尺寸為0.3 m時的1.75倍；以滲漏尺寸0.8 m為例，隨著時間的變化孔壓變化速度從0.524 Pa/s降低到0.083 Pa/s，水位下降速度隨著坑內外水頭差的減小而逐漸趨于平緩。

3.4 滲漏點深度對基坑滲流場的影響

滲漏點所處地連墻的位置同樣會導致坑內外水位變化規律的改變。滲漏點所處位置不同對坑內外孔壓變化的影響如圖3、圖4所示。通過比對可以發現，地下水向基坑內滲漏速度與滲漏位置的深度總體呈正相關。當滲漏點位置從距坑內水位以下0.75 m增加到3.25 m，坑外孔壓下降量增加了6.469 9 kPa；坑內孔壓上升量增加了9.278 kPa。坑外孔隙水壓力變化曲線均為凹形，坑內外的凹、凸形曲線是由于滲漏導致水頭差的減小導致的。滲漏點不同位置對坑內外孔壓變化影響規律一致，且隨著滲漏位置的加深，孔壓變化量呈上升趨勢。

3.5 地連墻滲漏條件下滲漏點后續破壞分析

當地連墻存在滲漏點時，從坑外源源不斷涌入坑內的水會對滲漏點產生進一步破壞。模擬分析結果表示，地鐵車站基坑模型滲漏點處地下水流速最大，且滲漏點上側流速約為下側流速的1.1～1.3倍。

隨著滲漏點位置的變化，滲漏點的最大流速和最小流速也隨之變化，最大流速、最小流速均與滲漏點所處深度呈負相關，但最大流速變化量會隨著滲漏點深度的增加而逐漸趨于平緩，最小流速變化量則會隨著滲漏深度的增加而越發陡峭。

將滲漏點上下兩側流速差值隨滲漏點深度變化繪成曲線，流速差值與滲漏點位置曲線總體呈凹形，且存在流速差值最小位置。對數據進行擬合分析，得到擬合曲線如圖5所示。

由擬合曲線可知，滲漏點部位上下兩側流速差值隨滲漏點位置的降低，呈現先降低后升高的趨勢，在位于坑內水位以下1.84 m時達到最小，為0.228 m/h；位于坑內水位以下3.25 m時達到最大，為0.778 m/h。由此可以判斷，距離坑內水位小于1.25 m的滲漏點和距離坑內水位超過2.75 m的滲漏點，滲漏產生的后續破壞，其上側破壞程度要大于下側破壞程度，且滲漏點在距坑內水1.84 m處時上下兩側的破壞情況較為均勻。

4 結 論

論文依據沈陽某地鐵工程，利用ABAQUS建立處于富水深厚砂層的地鐵車站基坑模型，結合工程現場實際問題，判斷了示蹤劑遷移試驗在判斷地連墻滲漏問題上的可行性，研究了滲漏點各因素對基坑內外滲流場的影響，提出滲漏治理措施。

a.通過向地連墻外側的降水井注入有色染色劑，通過觀察疏干井抽出的地下水顏色變化可以作為判斷地連墻是否存在滲漏的一種方法。

b.當地連墻存在滲漏時，滲漏速度與滲漏程度呈正相關。當滲漏點的滲透系數為2.5×10-4m/h時，坑內外水位單天下降量均遠小于1 mm，繼續減少滲漏點的滲透系數，水位變化不再明顯。可將滲透系數2.5×10-4m/h作為衡量地連墻堵漏施工是否有效的標準。

c.滲漏尺寸大小與漏斗面積呈正相關。滲漏尺寸為0.8 m時坑外孔壓變化量是滲漏尺寸為0.3 m時的1.75倍。故現場水位檢測數據若出現異常且變化幅度較大時，可以考慮是否因附近地連墻產生了尺寸較大的滲漏點，導致附近水位變化異常。

d.水位之下滲漏點的深度與地下水滲漏速度呈正相關。基坑內外地下水滲漏的速度會隨著水頭差的減小逐漸趨于平緩。現場可通過坑內外水位變化情況初步確定地連墻是否存在滲漏點以及滲漏點的可能標高。

e.地連墻存在滲漏時滲漏點處地下水流速最大且滲漏點上側的地下水流速約是下側地下水流速的1.1～1.3倍。滲漏點上部的滲漏程度將更加嚴重。在對滲漏點進行補漏時，應對滲漏點上部進行額外加強處理，滲漏點所處位置越深，越應予以重視。