基于地下水滲流場數(shù)值模擬的不同地基處理方案影響分析

范曉嶺 安靜 李長洙

1.北京交科公路勘察設計研究院有限公司 北京 100191

2.中國建筑業(yè)協(xié)會 北京 100055

1 引言

由于我國西部地區(qū)特殊的自然環(huán)境和地理位置等方面的原因，在實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的過程中，必須注重脆弱生態(tài)環(huán)境的保護，特別是公路、鐵路等線狀工程，在穿越濕地保護區(qū)時，工程建設方案應最大可能的減少對地下水徑流場的擾動，保護工程建設范圍內(nèi)的地下水資源。

新疆位于歐亞大陸腹地，在地質(zhì)構(gòu)造作用下形成了三山夾兩盆，具有典型的內(nèi)陸盆地氣候特征，其水的循環(huán)主要為內(nèi)循環(huán)，地下水通常為干旱區(qū)的主要供水資源[1]。

柴窩堡湖位于歐亞大陸腹地，屬典型溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫5.0℃，年降水量64mm，年蒸發(fā)量2716mm。其整體位于構(gòu)造斷陷盆地，盆地四周冰水型河流水系發(fā)育，是形成湖體的主要補給源。流域內(nèi)含有豐富的地下水資源，是烏魯木齊市供水的主要貯備水源[1]。近些年由于水資源開發(fā)利用過度，匯入湖體水量減少，目前主要接受地下水的側(cè)向徑流補給[2]，且湖泊水位出現(xiàn)不斷下降，面積不斷萎縮，生態(tài)環(huán)境極為脆弱[3]。

根據(jù)盆地內(nèi)水文地質(zhì)單元的劃分情況，湖體位于封閉的柴窩堡-鹽湖強烈沉降帶水文地質(zhì)區(qū)，沿洼地中心分布著條帶狀承壓-自流水帶，多見地下水溢出，是湖體的主要地下水補給來源之一[4]。該條帶狀在長期浸泡和緩慢水流作用下，是盆地范圍內(nèi)主要的軟弱土分布地帶，寬度2-4km不等，厚度約5-7m，見圖1。

圖1 柴窩堡盆地水文地質(zhì)略圖

公路等現(xiàn)狀工程在以路基形式穿越該條帶狀承壓-自流水帶時，需要進行軟弱土地基處理。在地基處理過程中不可避免對地下土體的滲透性產(chǎn)生影響，改變地下水的滲流場。在該條帶狀的地下水滲流作為柴窩堡湖主要的補給來源之一情況下，需要選擇合適的地基處理方式，最大限度的減少對地下水滲流場的影響。

2 工程概況

結(jié)合某高速公路穿越葦湖濕地工程方案開展研究，該工程建設位置及方案見圖2。受線路展線影響，線路同柴窩堡湖重要地下水補給帶呈小角度交叉，穿越里程約3.2km，其中跨越自流區(qū)域位置工程方案為橋梁，其他部分為路基，路基最大填高3.5m。該段場地主要為粉質(zhì)黏土、細中砂及角礫土等地層互層分布為主，其中淺部地層為粉質(zhì)黏土，厚度5-8m不等。該區(qū)域為地下水的自流區(qū)域，受長期地下水浸泡影響，淺部的粉質(zhì)黏土多呈軟塑、流塑狀，一般地基承載力在80kPa左右，根據(jù)路基填筑要求，需要對其進行加固處理。

圖2 線路穿越承壓-自流水帶工程方案

3 柴窩堡湖區(qū)域水文地質(zhì)條件

柴窩堡湖流域為山間盆地型閉流水系，受地形地貌控制，北側(cè)地下水總體由北向南東運移，柴窩堡湖東北，受三個山方向地下水側(cè)向徑流補給，地下水總體流向為南西向；在湖盆軸部，受多層結(jié)構(gòu)承壓水影響，地下水流向為東南方向，向洼地軸部及柴窩堡湖和鹽湖方向運移。

湖盆地層由山前沖洪積的粗顆粒土逐漸向湖盆中心過渡到土砂互層狀分布，地下水類型也由單一的豐富潛水過渡為潛水、承壓水等多層結(jié)構(gòu)。地下水主要接受山前地表徑流經(jīng)粗顆粒下滲后的側(cè)向補給，以蒸發(fā)和人工開采為主要排泄方式。

線路穿越位置為湖盆的軸部位置，同軸部夾角約為30°，見承壓地下水的溢出，流向東南，匯至柴窩堡湖，流速緩慢，地表多以飽和軟塑流塑狀粉質(zhì)黏土為主，承載力低，不滿足路基承載力要求。根據(jù)勘察揭露的地層情況，線路穿越位置淺部地層存在5-7m厚的軟塑狀粉質(zhì)黏土，其下部為8-10m的厚層角礫土和礫砂層，其中角礫土充填物的細中砂，滲透系數(shù)較高。共揭露一層地下水，靠近地表，為承壓水，含水層為軟塑狀粉質(zhì)黏土下部的角礫土和細中砂，承壓水頭約5-7m。

4 地基處理后地下水滲流演化過程及對公路路基邊坡穩(wěn)定性影響

4.1 計算模型與工況

目前常用的軟土地基處理方法包括碾壓、夯實、排水固結(jié)、換土墊層、擠密、振沖碎石樁、高壓噴射注漿、深層攪拌及鋪設土工聚合物等多種方法[5]-[9]。考慮不同地基處理方法對地下水滲流場的影響，建立包括地基處理后近似完全阻斷地下水滲流、以透水樁作為地下水滲流通道和部分阻斷地下水滲流等三種模式[10-11]，其中近似完全阻斷對應的地基處理方式為碾壓、夯實、換土墊層、擠密、深層攪拌、高壓噴射注漿，以透水樁作為地下水滲流通道對應的地基處理方式為振沖碎石樁，部分阻斷地下水滲流對應的地基處理方式為CFG樁、管樁等。計算橫斷面選取垂直與湖盆軸部的條帶狀承壓-自流水帶，計算模型分別見圖3和圖4，模型長度300m，高23m，共劃分2259單元，2393個節(jié)點。

圖3 不同滲透性地基處理方案地下水滲流計算模型

圖4 以透水樁作為地下水滲流通道計算模型

物理力學參數(shù)根據(jù)勘察成果、室內(nèi)試驗及經(jīng)驗給出，計 算采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，數(shù)值分析所用的計算參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學參數(shù)

4.2 不同地基處理方式對地下水滲流的影響

柴窩堡湖主要以條帶狀承壓-自流水帶的地下水滲流作為主要補給來源，本次模擬在正常滲流作用下，不同地基處理方式對地下水滲流的影響，模擬見圖5、圖6和圖7。

圖5 近似完全阻斷地下水滲流計算模型

圖6 以透水樁作為地下水滲流通道計算模型

圖7 部分阻斷地下水滲流計算模型

（1）根據(jù)圖5分析，當采用近似不透水地基處理方式時，地下水在含水層中靠近地基處理下部，單位流量由小變大，過渡不明顯，流量同下部位置變化近似相等。

（2）根據(jù)圖6和圖8分析，當采用部分阻斷地下水滲流的地基處理方式時，部分地下水在承壓水頭作用下沿地基處理位置運動至地表和路基位置；在地基處理位置靠近地下水滲流上游，單位流量出現(xiàn)較大的增加和突變，水平方向的流量大于垂直向上方向的流量，并沿地下水滲流方向逐漸減少。分析主要是由于地下水總流量在向上運動過程中損失了向下游補給的地下水水量。

圖8 X、Y水通量沿自流帶變化趨勢

（3）根據(jù)圖7分析，當采用透水樁的地基處理方式時，因透水樁滲透系數(shù)較大，地下水在承壓水頭作用下，主要沿透水樁由樁底運動至地表和路基位置。因地基處理一般情況下大于路基填筑范圍，在無路基壓覆位置，地下水自由滲出，有路基壓覆位置，地下水繼續(xù)在路基范圍內(nèi)發(fā)生滲流，且流量在路基壓覆起始位置沿地下水滲流方向逐漸降低，無路基壓覆位置，流量變化不大。分析主要是路基的壓覆作用延長了地下水的滲流通道，增大了路基中的孔隙水壓力。

4.3 不同地基處理方式對路基穩(wěn)定性影響

路基穩(wěn)定性一方面受填筑材料、地基及地下水的影響，另一方面，孔隙水壓力的存在也同時降低坡體的安全儲備系數(shù)，誘發(fā)滑動[12-13]。當采用不同地基處理方式時，地下水的滲流對路基邊坡穩(wěn)定性影響差異較大。因本次主要考慮地下水的滲流對路基邊坡的穩(wěn)定性，當采用近似不透水或部分阻斷地下水滲流的地基處理時，地下水滲流對路基邊坡影響較小，因此本次以透水樁地基處理方式為例，說明地下水滲流對路基邊坡的穩(wěn)定性影響，并進行了數(shù)值模擬，分別見圖8和圖9。

圖9 考慮滲流作用的路基邊坡穩(wěn)定性計算

根據(jù)圖9和圖10對比分析，在不考慮滲流的情況下，路基邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1.331-1.996，處于穩(wěn)定狀態(tài)，如考慮滲流，路基邊坡最大穩(wěn)定系數(shù)為1.145，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)圖9和圖10模擬對應的處理方式，圖9不考慮滲流作用的狀態(tài)即為采用近似不透水的地基處理方式，圖10即為采用透水樁作為地下水滲流通道的地基處理方式。當采用部分阻斷地下水滲流的地基處理方式，地下水的滲流對路基邊坡穩(wěn)定性的影響介于二者之間。

圖10 未考慮滲流作用的路基邊坡穩(wěn)定性計算

5 結(jié)論

項目在以路基形式穿越柴窩堡盆地條帶狀承壓-自流水帶時，通過數(shù)值模擬方法，建立了3種模型，分別模擬了不同地基處理方式對地下水滲流場的影響，以及滲流對路基邊坡穩(wěn)定性的影響。

（1）根據(jù)模擬結(jié)果，當采用碾壓、夯實、高壓噴射注漿、深層攪拌等近似不透水滲流模型時，對地下水的滲流影響相對較小，且對路基邊坡穩(wěn)定性影響最小。

（2）當采用振沖碎石樁等透水樁作為地下水滲流通道模型時，地下水滲流水流量在樁底位置變化較大，且隨著地下水沿透水樁向上滲流至路基邊坡位置，孔隙水壓力的增大降低了路基邊坡的穩(wěn)定性。

（3）當采用部分阻斷地下水滲流地基處理方式時，對地下水的滲流及路基邊坡的穩(wěn)定性介于上述兩者之間。

（4）項目處于干旱區(qū)，地下水的滲流補給受區(qū)域水資源利用及調(diào)蓄補給作用影響，滲流場的變化相對較復雜。文章采用的數(shù)值模擬方法主要依據(jù)現(xiàn)有的水文地質(zhì)條件進行研究，其適用時段有一定的局限性，必要時應通過水文地質(zhì)試驗獲得更加直觀的數(shù)據(jù)作為研究的參考依據(jù)。