強透水地層基坑降水對滲透變形和沉降安全的影響分析

摘 要：為解決二元結(jié)構(gòu)強透水地層基坑降水可能引發(fā)的滲透變形和地面沉降問題，以西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程渠首倒虹吸段開挖基坑降水工程為研究對象，開展現(xiàn)場微水振蕩試驗和室內(nèi)試驗，根據(jù)勘察資料和試驗結(jié)果獲取研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)。提出以明渠排水為主、明渠排水與防滲帷幕相結(jié)合的兩種降水方案并進行基于ＧＭＳ 的Ｄｒａｉｎ 數(shù)據(jù)包數(shù)值模擬，驗算不同方案下基坑滲透變形情況，同時對西北側(cè)鄰近的西霞院水利樞紐堤壩沉降安全進行分析。結(jié)果表明：兩種降水方案均不會引發(fā)滲透變形和地面沉降破壞，其中明渠排水與防滲帷幕相結(jié)合的方案更適用于滲透性強、與河流水力聯(lián)系密切的二元結(jié)構(gòu)地層基坑降水。

關(guān)鍵詞：強透水地層；基坑降水；微水振蕩試驗；滲透變形；沉降

中圖分類號：ＴＶ６２；ＴＶ８８２．１ 文獻標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．２５

引用格式：王長生，王浩楠，李良琦，等．強透水地層基坑降水對滲透變形和沉降安全的影響分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：１４３－１４９，１６０．

深基坑降水施工是各類大型工程興建過程中的重要工作，在水文地質(zhì)條件特殊的二元結(jié)構(gòu)強透水地層，地下水水位較高、含水層滲透性強，降水施工困難，易發(fā)生流土、突涌和地面沉降等現(xiàn)象［１］ 。深基坑降水施工措施不當(dāng)是導(dǎo)致強透水地層發(fā)生事故的主要原因［２－３］ 。南京市河西地區(qū)地鐵工程基坑開挖時，未進行抗管涌安全系數(shù)的驗算，僅憑經(jīng)驗進行施工，使基坑突發(fā)管涌，進一步造成臨近路面下沉、交通中斷［４］ ；福州市地鐵某車站基坑開挖位置處于地下水水位高、滲透性強的砂層，降水井布置不合理，對地下水進行強排時涌砂堵塞井內(nèi)抽水泵，導(dǎo)致涌水迅速擴散［５］ ；在長江階地區(qū)域內(nèi)對某基坑降水施工時忽略了特殊的地下水徑流條件，周圍水力聯(lián)系密切的地層發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致高層建筑物多處斷裂［６］ 。針對高富水、強透水地層的基坑降水問題，時鐘［７］ 建議采用水泥－水玻璃復(fù)合注漿加固地基在基坑內(nèi)設(shè)置淺井，采用基坑外回灌模式降排滯水，減小降水對地面沉降的影響；朱大鵬等［８］ 提出采取井點降水與集水溝明排方式，在基坑開挖過程中分多次排水，減小因降水產(chǎn)生的沉降對周圍地上建筑物的影響。可見，采用合理的降排水方案不僅會縮短施工周期，還能保證施工安全。

對于基坑降水方案設(shè)計，傳統(tǒng)的解析法難以滿足條件復(fù)雜的研究區(qū)基坑降水預(yù)測的需要，而數(shù)值模擬方法因其有可視化、預(yù)測精度高等優(yōu)點而應(yīng)用廣泛。宋彥輝等［９］ 運用Ｍｏｄｆｌｏｗ 軟件對羊曲水電站左壩肩單薄山梁進行了數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對下游地層水力坡降值進行了驗算，明確下游岸坡不存在滲透變形問題；吳紹明等［１０］ 運用數(shù)值模擬法對白云機場第二高速某基坑降水工程進行優(yōu)化，不僅控制了基坑底部的滲透變形，還避免了基坑周圍地表沉降的發(fā)生；周念清等［１１］ 運用ＧＭＳ 軟件模擬了上海地鐵工程地鐵站基坑降水施工，設(shè)置排水井進行連續(xù)抽水，達到了疏干含水層的目的，并預(yù)測了研究區(qū)的最大沉降量。

目前，基坑降水主要采取明渠排水、降水井結(jié)合防滲帷幕等方法。明渠排水是最簡單、經(jīng)濟的方案，但在以往研究中較少采用數(shù)值模擬方法模擬明渠排水，特別是在二元結(jié)構(gòu)強透水地層中更少。西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程渠首倒虹吸段下伏大粒徑卵石層，存在降水井成井困難、單井涌水量過大問題。本文針對研究區(qū)特殊的地質(zhì)條件，結(jié)合勘察資料和現(xiàn)場微水振蕩試驗、室內(nèi)試驗的結(jié)果，使用ＰＥＳＴ．工具對模型進行反演，得到合理的模擬參數(shù)，使用Ｄｒａｉｎ 數(shù)據(jù)包模擬明渠排水結(jié)合防滲帷幕的降水方案，并對降水施工中基坑邊坡的水力比降和西霞院水利樞紐堤壩沉降安全進行研究，以期為類似地質(zhì)條件的基坑降水?dāng)?shù)值模擬提供新思路。

１ 強透水地層基坑降水滲流－沉降數(shù)學(xué)模型建立

１．１ 地下水水流運動數(shù)學(xué)模型

研究區(qū)地下水類型為潛水，其控制方程為

２ 研究區(qū)水文地質(zhì)數(shù)值模型構(gòu)建

２．１ 研究區(qū)概況

西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程位于河南省黃河北岸，為國家１７２ 項重大水利建設(shè)項目之一。其中渠首倒虹吸段（樁號０＋０００—１＋２７５）位于黃河濕地保護區(qū)內(nèi)，采用分段式開挖方式開挖渠道。本研究對象是位于樁號０＋５０６—１＋０１８ 的基坑，基坑平面呈矩形，長約５１２ ｍ，基底寬約２０ ｍ，水平段底板高程１１１．２ ｍ。研究區(qū)位置示意見圖１，在研究區(qū)試驗孔ＳＹ－１ 至ＳＹ－５中開展了微水振蕩試驗，試驗過程中重點關(guān)注基坑開挖涌水量、基坑周圍地層滲透變形情況和西霞院水利樞紐堤壩沉降量。

２．２ 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地形開闊平坦，地面高程為１２２．１９～１２４．５５ ｍ。研究區(qū)地層為具有二元結(jié)構(gòu)的第四系全新統(tǒng)沖積層，上層砂壤土層厚２．５～３．４ ｍ，砂壤土層下伏砂礫石層，礫石粒徑為３～１０ ｃｍ；地層下部為卵石層（卵石粒徑大于２０ ｃｍ），卵石層強度高，因此將建基面設(shè)置在卵石層；地層底部為紫紅色粉砂質(zhì)黏土巖與泥巖互層。研究區(qū)地下水為第四系松散層孔隙潛水，受地面降雨及東南側(cè)黃河水補給，研究區(qū)地下水主要賦存于砂礫土層和卵石層中，地下水水位為１２１．３７～１２１．９９ ｍ。砂壤土層具有中等透水性，砂礫石層具有強透水性，卵石層具有極強透水性，底層黏土巖透水性差。

２．３ 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

水文地質(zhì)參數(shù)的選取是進行數(shù)值模擬和后續(xù)計算的重要基礎(chǔ)。為確定研究區(qū)各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，除參考勘察資料外，還分別開展了現(xiàn)場微水振蕩試驗和室內(nèi)試驗。微水振蕩試驗參數(shù)計算常用的理論模型有Ｋｉｐｐ 模型、ＣＢＰ 模型、Ｈｖｏｒｓｌｅｖ 模型和Ｂｏｕｗｅｒ－Ｒｉｃｅ 模型等［１４］ ，其中Ｋｉｐｐ 模型采用無量綱因子和參變量將單井內(nèi)水流振蕩微分方程轉(zhuǎn)換為無量綱形式并求解得出一組標(biāo)準(zhǔn)曲線，相較于其他模型，Ｋｉｐｐ 模型標(biāo)準(zhǔn)曲線更具區(qū)別性，相應(yīng)的計算方法也更加成熟，因此采用Ｋｉｐｐ 模型對研究區(qū)５ 個水位觀測孔中開展的微水振蕩試驗進行參數(shù)計算。得出試驗過程中水位觀測孔水位變化量與時間的關(guān)系，將實測曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進行擬合，擬合曲線見圖２（以ＳＹ－１ 試驗孔擬合情況為例，ζ 為阻尼系數(shù)，α 為儲水系數(shù)）。可以看出，微水振蕩試驗實測曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線能很好地擬合，表明微水振蕩試驗取得了良好效果，從中選取合適的匹配點進行滲透參數(shù)計算，結(jié)果見表１。

對研究區(qū)各地層剖面取土樣進行室內(nèi)試驗，采用密度試驗、顆粒分析試驗和常水頭滲透試驗對所取土樣進行分析，土樣顆粒級配曲線和砂礫土粒組頻率曲線分別見圖３、圖４，所得參數(shù)見表２。

對無黏性土滲透變形類型的判別方法如下：不均勻系數(shù)＞５ 且級配不連續(xù)的土，滲透變形類型由細顆粒含量（Ｐ）來確定，當(dāng)Ｐ＜２５％時為管涌；不均勻系數(shù)＞５且級配連續(xù)的土，采用孔隙直徑法與細料含量法進行綜合研判；不均勻系數(shù)≤５ 時為流土。

２．４ 地層劃分與邊界確定

研究區(qū)地下水潛水埋深為１．８ ～２．０ ｍ，初始水位取研究區(qū)平均地下水水位１２１．６８ ｍ。為滿足數(shù)值模擬計算要求，結(jié)合勘察資料、現(xiàn)場微水振蕩試驗和室內(nèi)試驗結(jié)果，依據(jù)地層滲透系數(shù)以及建基面高程將研究區(qū)地層劃分為砂壤土層（高程１１９．９２～１２２．８７ ｍ）、砂礫土層（高程１１１．２ ～ １１９．９２ ｍ）、卵石層（高程９９．６１ ～１１１．２ ｍ）以及黏土巖層（揭露厚度為０．４ ｍ，未揭穿），各層頂?shù)装甯叱倘∮煽辈熨Y料獲取的高程均值。砂壤土層和砂礫土層結(jié)構(gòu)疏松且位于地下水水位以下，穩(wěn)定性差，易發(fā)生滲透變形，不利于邊坡穩(wěn)定，因此分別在砂壤土層底部（高程為１１９．９２ ｍ）和建基面（高程為１１１．２ ｍ）處采用設(shè)置馬道和放坡開挖的方式進行施工。本次開挖降水分為兩次，為滿足施工要求，第一次開挖降水至１１９．４２ ｍ，第二次開挖降水至１１０．７ ｍ，研究區(qū)基坑橫剖面見圖５。

基坑?xùn)|南側(cè)緊鄰黃河，在模擬工期內(nèi)根據(jù)實測黃河水位分別在黃河上、下游河段設(shè)置相應(yīng)的定水頭邊界；基坑西北側(cè)為西霞院水利樞紐堤壩，堤壩已做防滲處理，與地下水水力聯(lián)系弱，將其視為隔水邊界；底層黏土巖層透水性差，可視作隔水邊界；其余邊界依據(jù)基坑降水影響半徑公式進行確定，水頭設(shè)為研究區(qū)初始水頭，公式為

式中：Ｒ 為基坑降水影響半徑，ｍ；ｋ 為地層等效滲透系數(shù)，ｃｍ／ ｓ；ｓ 為水位降深，ｍ；Ｍ 為含水層厚度，ｍ；Ｈ１為基坑位置地面標(biāo)高，ｍ；Ｈ２為坑底標(biāo)高，ｍ；ＨＤ為水位埋深，ｍ。２．５ 網(wǎng)格剖分為確保后期降水方案的基坑降水影響半徑不會波及邊界，依據(jù)計算結(jié)果適當(dāng)延長影響半徑。將模型各層剖分成８ ３２２ 個單元格，見圖６。模擬區(qū)地層高程起伏小，視水平分層處理，垂向上分為３ 層，３ 層厚度共２３．２６ ｍ，基坑位置設(shè)置在３Ｄ 網(wǎng)格左側(cè)，見圖７。

２．６ 數(shù)值模型校正

為保證模擬的初始流場符合研究區(qū)的實際情況，對模型輸入初始數(shù)值后在基坑周圍按實際位置設(shè)置觀測井，調(diào)用ＧＭＳ 內(nèi)置ＰＥＳＴ．模塊對模型進行參數(shù)反演。結(jié)合勘察資料、現(xiàn)場微水振蕩試驗與室內(nèi)試驗的滲透系數(shù)取值情況，同時依據(jù)反演結(jié)果，在給定參數(shù)范圍內(nèi)不斷調(diào)整各參數(shù)大小直至模型收斂，優(yōu)化后的參數(shù)取值見表３，水位的模擬值與觀測值對比見圖８。圖８ 顯示了觀測井的水位觀測值與模擬值能很好地吻合，說明了優(yōu)化調(diào)參的有效性。

３ 基坑降水方案設(shè)計

基坑所在地層為典型的二元結(jié)構(gòu)，下伏與黃河水力聯(lián)系密切的礫、卵石層，在河岸旁設(shè)置防滲帷幕可減少河流對地下水的補給。卵石層局部漂石直徑為０．６～０．８ ｍ，基坑開挖至卵石層后，基底成井工藝復(fù)雜，以往類似的引水渠基坑開挖工程設(shè)置降水井時，降水井施工困難，排水工期長，經(jīng)濟性差。同時，砂壤土與砂礫土結(jié)構(gòu)疏松，卵石層結(jié)構(gòu)空隙大，降水過程中受滲流影響內(nèi)部細砂可能會被帶出，不利于邊坡穩(wěn)定。因此，采用明渠排水方案，放坡開挖，加大基坑開口寬度、減小坡比。

３．１ 方案一：基于Ｄｒａｉｎ 數(shù)據(jù)包的明渠排水方案

運用Ｄｒａｉｎ 數(shù)據(jù)包并結(jié)合逐層開挖、逐層排水的工況對方案一進行模擬。Ｄｒａｉｎ 數(shù)據(jù)包的作用是按照一定的導(dǎo)水速率將高于排水渠高程的地下水帶離含水系統(tǒng)，使低于排水渠高程的地下水不會受到影響。排水渠高程均設(shè)置在層底以下１ ｍ 處，以保證坡面和底板的地下水進入排水溝。

３．２ 方案二：基于Ｄｒａｉｎ 數(shù)據(jù)包的明渠排水＋防滲帷幕方案

方案二模擬河岸邊設(shè)置的防滲帷幕對基坑降水產(chǎn)生的影響，帷幕位置見圖９。通過減小帷幕所在單元格的滲透系數(shù)來模擬帷幕作為弱透水介質(zhì)的性質(zhì)，帷幕滲透系數(shù)設(shè)為１×１０－７ ｃｍ／ ｓ。

３．３ 不同方案對比分析

為比較不同方案的降水效果，先依據(jù)現(xiàn)場施工的實際排水能力設(shè)置不同排水量的降水方案（見圖１０、圖１１），再對達到干場施工要求時所需排水流量工況的不同方案降水效果進行比較，以評價出最優(yōu)方案。降水施工中總降水時間為９０ ｄ，模擬各排水層降水時以４５ ｄ作為一個降水周期。在一個降水周期內(nèi)，兩次開挖過程中方案二分別較方案一減排４．０５×１０６、７．８７５×１０６ ｍ３的水量，表明防滲帷幕的設(shè)置有效減少了黃河水向研究區(qū)的補給，從而減少了排水施工的成本。

根據(jù)各次降水開挖達到干場施工要求時的排水流量（方案一中第一次降水開挖排水流量為３．３×１０５ ｍ３ ／ｄ，第二次降水開挖排水流量為５．５×１０５ ｍ３ ／ ｄ；方案二中第一次降水開挖排水流量為２．４×１０５ ｍ３ ／ ｄ，第二次降水開挖排水流量為３．７５×１０５ ｍ３ ／ ｄ），得到不同降水方案下研究區(qū)水位分布情況，見圖１２～圖１５。

由圖１２ 和圖１３ 可知，以基坑為降水中心，各開挖層水位雖均大幅度下降，但基坑中心局部位置水位仍高出目標(biāo)水位１０ ｃｍ 左右。同時，從黃河邊界向內(nèi)陸方向水位由高到低分布，這是由于研究區(qū)地質(zhì)條件特殊，下層卵石層滲透性極強，與黃河水力聯(lián)系密切，地下水受黃河水不斷補給，給基坑內(nèi)的排水工作帶來困難。若采取加大排水流量的強排措施，會增加施工成本，還可能因基坑內(nèi)外較大的水頭差帶來工程災(zāi)害。為保證降水有效性，有必要減弱研究區(qū)地下水與黃河的水力聯(lián)系。

由圖１４、圖１５ 可知，布設(shè)防滲帷幕后明顯減少了黃河水向研究區(qū)地下水的補給，設(shè)置更小的排水流量可以使基坑內(nèi)各點水位降至所在層底以下，完全符合干場施工要求。

４ 安全風(fēng)險分析評價

４．１ 基坑邊坡滲透變形分析

研究區(qū)特殊的地質(zhì)條件導(dǎo)致基坑開挖后涌水量大，內(nèi)外水頭相差懸殊，極易出現(xiàn)滲透問題，影響施工安全，因此需對排降水過程中基坑邊坡滲透變形進行分析。依次對不同降水方案實施后的基坑中心橫剖面［圖１２（ｂ）中標(biāo)注的ａ—ｂ 剖面］水位進行分析，見圖１６、圖１７。

由圖１６ 和圖１７ 可知，雖然在兩種方案下各層的基坑中心水位均大幅下降，但基坑周圍邊坡水位曲線斜率較大，表明邊坡附近存在較大的水力梯度，極易誘發(fā)基坑邊坡滲透變形，因此需對基坑邊坡的安全性進行分析。結(jié)合勘察資料和室內(nèi)試驗結(jié)果計算兩種方案下各地層的最大水力比降值，結(jié)果見表４。

由表４ 可知，采取不同方案進行降水施工后的各地層水力比降值均小于允許值，說明以合適的排水流量進行施工時，方案一和方案二不會產(chǎn)生基坑邊坡滲透變形。

４．２ 沉降安全分析

研究區(qū)位于黃河濕地保護區(qū)內(nèi)，基坑中心點距堤壩直線距離約３７０ ｍ，堤壩已做防滲處理。在基坑排水施工過程中，會對堤壩所處位置的地下水位產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致地面沉降。為保證堤壩穩(wěn)定安全，運用ＳＵＢ 模塊對兩種方案下研究區(qū)沉降情況進行模擬分析。依據(jù)以往研究經(jīng)驗值和反演結(jié)果，各地層參數(shù)取值見表５，方案一與方案二下研究區(qū)總沉降量云圖見圖１８。在降水施工期間，砂壤土層和砂礫土層主要發(fā)生沉降，卵石層沉降量極小，這是由于卵石層壓縮模量較大以及卵石具有骨架作用，這種特點導(dǎo)致了卵石層極難被壓縮變形、支撐作用好，這也是渠底設(shè)置在該層的原因之一。

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（ＤＬ／ Ｔ ５３９５—２００７）［１５］ 對堤壩沉降量的規(guī)定：竣工后的總沉降量（包括壩基及壩體）一般不宜大于壩高的１％。西霞院水利樞紐堤壩壩高２０．２ ｍ，允許沉降量應(yīng)小于２０２ ｍｍ。因研究區(qū)降水施工引起的西霞院水利樞紐堤壩壩軸線總沉降量見表６。

由表６ 可知，對于兩種降水方案引起的壩軸線的平均沉降量小于５ ｍｍ，總沉降量最大值和平均值均遠遠小于規(guī)定的沉降值，說明兩種降水方案下壩軸線各處均不會因基坑降水發(fā)生沉降，在降水施工期間堤壩處于安全狀態(tài)。

西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程渠首倒虹吸段分段式開挖基坑緊鄰黃河與西霞院水利樞紐堤壩，地層條件特殊，卵石層滲透系數(shù)極大，綜合研究區(qū)地質(zhì)條件、施工工期以及數(shù)值模擬結(jié)果，應(yīng)當(dāng)先設(shè)置防滲帷幕減弱研究區(qū)與黃河之間的水力聯(lián)系，再采取放坡開挖與明渠排水相結(jié)合的措施（方案二）對渠首倒虹吸段（樁號０＋５０６—１＋０１８）基坑進行施工。

５ 結(jié) 論

（１）本文以西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程渠首倒虹吸段分段式開挖基坑為研究對象，在充分了解研究區(qū)條件后，對研究區(qū)試驗孔開展了微水振蕩試驗，并采集土樣進行了室內(nèi)土工試驗，獲取了研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)，以此為基礎(chǔ)對具有二元結(jié)構(gòu)強透水地層的研究區(qū)進行了數(shù)值模擬。

（２）使用ＰＥＳＴ．工具對模型進行反演，得到合理的模擬參數(shù)。運用Ｄｒａｉｎ 數(shù)據(jù)包模擬明渠排水，得到不同降水方案下研究區(qū)水位分布情況，并結(jié)合基坑剖面水位曲線驗算基坑內(nèi)外的水力比降值。在合理的排水量下兩種方案都不會造成基坑邊坡滲透變形。

（３）運用ＳＵＢ 模塊對兩種降水方案引起的西霞院水利樞紐堤壩地面沉降情況進行模擬預(yù)測，兩種降水方案均不會對地面沉降產(chǎn)生嚴重影響，壩軸線總沉降量在安全范圍之內(nèi)。

（４）比較兩種降水方案的模擬結(jié)果，方案二更適用于滲透性極強、與河流水力聯(lián)系密切的二元結(jié)構(gòu)地層基坑降水。在河流與基坑間設(shè)置防滲帷幕能有效減弱地下水與河流的水力聯(lián)系，在一個降水周期內(nèi)，兩次開挖過程中方案二分別較方案一減排４． ０５ × １０６、７．８７５×１０６ ｍ３的水量，方案二能更好地提高基坑排水效率。同時方案二結(jié)合放坡開挖、明渠排水等措施，既在一定程度上保證了施工安全，又保證了工程的時效性與經(jīng)濟性，為類似的降水工程提供了參考。

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【責(zé)任編輯 栗 銘】