異形落底式地下連續墻阻滲作用分析?

楊彥子，唐 紅，黃云浩

（武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430081）

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程的加速，城區面積不斷擴大，人口密度急劇增大，現代高層建筑更加重視立體空間的使用。 建設垂直空間的重點之一為地下空間建設，地下圍護結構可為地下空間阻水、擋土。 其中，落底式地下連續墻為我國常用的超高層建筑地下圍護結構［1］，其優點為機械施工振動較小、噪聲低、墻體剛度大、防滲性能優異、適用多種地基條件、能充分利用土地資源、貼近建筑紅線，因此城市高層建筑地下結構設計常常選擇地下連續墻作為建筑擋水結構。 而當今發展條件下，城區內施工環境日益復雜，使用矩形地下連續墻會損失部分土地使用率，造成土地資源的浪費；矩形結構的地下連續墻雖然施工方法簡單成熟，但容易破壞地下水滲流路徑，對長江重補給城市地下水資源造成阻礙。

現階段對于異形落底式地下連續墻的研究有所欠缺，目前常見的仍為矩形地下連續墻。 孫淑賢［2］基于理論數學模型和試驗的方式研究發現，增加止水帷幕的插入深度會增加地下水的繞滲路徑，且地下水在止水帷幕下方的繞滲速度加快，流速高造成水頭損失加大，易發生流砂現象；同時基坑下部產生較大水力坡度，而基坑外水頭損失不大，從而形成相當大的滲流力，對基坑底部的穩定性不利。 黃阜等［3］基于有限差分法分析了地下水滲流效應對基坑開挖的影響，并且用有限差分法對地下水滲流場進行了模擬。 顧健［4］和趙宇亭［5］基于工程實例與現有施工工法分析了異形地下連續墻的施工難點，特別是異形槽段開挖階段轉角的處理問題。 張凱華［6］根據鉆孔抽水試驗計算出地下水滲流造成滯水區時對周邊土體的影響半徑及形成“池盆效應”可能造成的破壞。 秦明霞［7］根據工程案例設計了一套地下水加壓試驗系統，根據試驗得出基坑施工過程中地下水滲流對土的抗剪強度的影響，其中土體顆粒在滲流作用下會產生一定的固結錯位移動，提升了土顆粒間的連鎖效應，增強了破壞力。 地下水滲流的速度變化與水壓差對落底式地下連續墻周邊土體造成的影響是不可忽視的，而地下連續墻的建設反過來又會影響地下水的滲流路徑，造成地下滯水區的形成，加劇了流速差值與水壓差值的變化。 異形落底式地下連續墻在幾何形狀上為防止破壞地下水滲流路徑而設計，在截斷地下水流通路徑問題上盡量削弱影響，保護周邊地表建筑，最大程度利用建筑紅線內的土地資源。 隨著新技術的出現，異形落底式地下連續墻的施工方案在經濟成本和時間成本上的劣勢也得以改善，因此是一種值得研究的地下連續墻結構設計思路。

本文對比了不同異形地下連續結構在地下水影響作用下產生的滲透力，以分析不同幾何結構對水土流失及工程風險的改善作用。

1 阻滲分析

1.1 模型設計

利用COMSOL 有限元軟件進行模擬，以長800m、寬300m 的矩形土層作為模擬的基礎流場，以長164m、寬130m、墻厚2m 的落底式地下連續墻為基礎地下結構，并在四角分別進行不同程度的切角與倒圓角，形成止水帷幕形狀不同的數種工況。

實際工程中的滲流多為平面問題，故建立二維滲流模型。 流場內地下水滲流規律符合達西定律的慢速滲流狀態，土體模型忽略氣體對水流的影響，故為飽和土。 根據不可壓縮流體的假設和水流連續條件，在體積不變的條件下，飽和土流入微單元的水量必須等于流出的水量［6］。 與異形落底式地下連續墻聯合后的水土聯合體采取流固耦合-固定幾何的模擬接口，刪除微小影響因子，著重分析異形幾何結構對地下水的阻滲效果，具體評估標準為滲透變形量和滲流速度。 因存在江堤等構筑物阻擋，故不考慮湍流情況；固體力學接口不考慮地下水對落底式地下連續墻的力學作用，只分析幾何結構對地下水的截流阻滲效力，故設定為剛體無滑移外壁。

1.2 無切面矩形落底式地下連續墻

地下連續墻設計模型如圖1 所示。

地下連續墻四周土體為滲流場發生區域，將模型的層流場和固體力學部分進行全耦合，形成的模擬滲流場如圖2 所示。

圖2 無切面矩形地下連續墻滲流場（單位：m／s）Fig.2 Seepage field of no cut surface rectangular drop-bottom diaphragm wall （unit： m／s）

地下水滲流在經過地下結構時，地下水的滲流路徑被大幅度改變，地下水的流速在迎水面上大幅度減小，在迎水面的轉角處則大幅度增加，最大流速為18.372×10－4m／s，迎水面最小流速接近于停滯且存在回流，流速為－6.64×10－4m／s，可能存在蓄水區，滲流速度差為25.012×10－4m／s。 滲流水在迎水面會出現較大的流速差值，產生因流速不一致而出現的滲透力。

輸入孔隙水壓力后，結果如圖3 所示。 由圖可知，無切面落底式地下連續墻結構四周的孔隙水壓力梯度值為－108 ～－213N／m3，最大值與最小值的差值為105N／m3，存在滲透破壞的風險。

圖3 無切面矩形落底式地下連續墻孔隙水壓力場（單位：N／m3）Fig.3 Pore water pressure field of no cut surface rectangular drop-bottom diaphragm wall （unit： N／m3）

1.3 異形落底式地下連續墻

1.3.1 模型建立

模擬以切除矩形結構四角為基礎，構造異形落底式地下連續墻，其幾何特征為一次切面、二次切面及全圓弧面。 其中，墻體厚度與深度和原矩形地下連續墻相同，并放入相同的滲流場中，輸入達西流數值后，模擬滲流影響。

模擬時，由于只考慮滲流場影響，故不定義幾何體本身屬性，如滲透系數、材料剛度、滑移度等數值，著重考慮幾何體對滲流路徑及孔隙水壓力的影響。 建模形成3 種異形落底式地下連續墻，如圖4所示。

圖4 不同形式的落底式地下連續墻Fig.4 Different forms of drop-bottom diaphragm wall

1）第1 種是將無切面矩形落底式地下連續墻的4 個角等邊切除，縮進半徑為20m，形成一次切面的異形落底式地下連續墻。

2）第2 種是將一次切面的異形落底式地下連續墻的折角再次等邊切除，縮進半徑為17.5m，形成二次切面的異形落底式地下連續墻，其設置目的是為了試驗極端設計下的幾何結構是否存在邊界效應，以優化設計并得到工程造價、工期與結構效能之間互相平衡后的最優解。

3）第3 種是將無切面矩形落底式地下連續墻的4 個角設置成圓弧面，形成全圓弧面異形落底式地下連續墻，設置目的是模擬環形地下結構對地下水滲流路徑的影響。

1.3.2 達西速度場模擬

將3 種異形落底式地下連續墻的幾何模型放入低速流場，水頭差設置為長江豐水期最大承壓水位，以考慮極限狀態，模擬結果如圖5 所示。

根據模擬結果可知，滲流在經過一次切面異形落底式地下連續墻時的流速相較于無切面矩形落底式地下連續墻的流速差值有所改善，其迎水面切面折角處最大流速為16.176×10－4m／s，最小流速為－5.94×10－4m／s，滲流速度差為22.116×10－4m／s，相較于矩形無切面落底式地下連續墻，滲流速度最大值與最小值的差值下降11.58%。

在經過二次切面異形落底式地下連續墻時，其地下水滲流流速差值進一步減小，其迎水面切面折角處最大流速為 13.027 × 10－4m／s， 最小流速為－6.019×10－4m／s，滲流速度差為19.046×10－4m／s，相較于一次切面落底式地下連續墻下降13.88%，與矩形地下連續墻相比，滲流速度的最大值與最小值的差值下降23.85%。

全圓弧面落底式地下連續墻的情況并未使達西流的流速差下降，其迎水面圓弧面處最大流速15.48×10－4m／s，最小流速為－6.395 5×10－4m／s，滲流速度差為21.875×10－4m／s，與二次切面異形地下連續墻相比流速差有所上升，滲流速度的最大值與最小值的差值下降14.9%。

1.3.3 孔隙水壓力模擬

將3 種模型接入孔隙水壓力環境，結果如圖6所示。

圖6 地下連續墻孔隙水壓力場（單位：N／m3）Fig.6 Pore water pressure field of diaphragm wall （unit： N／m3）

在同等單元體大小的情況下，一次切面落底式地下連續墻結構四周的孔隙水壓力在－107 ～－173N／m3，最大值與最小值之間的差值為66N／m3，對比無切面矩形地下連續墻的數據，壓力差值下降了37.1%，有效改善了因壓力差值產生的顆粒對水阻力，同時降低發生滲透破壞的風險。

二次切面落底式地下連續墻結構四周孔隙水壓力在－105 ～－143N／m3，最大值與最小值之間的差值為38N／m3，對比一次切面落底式地下連續墻，壓力差值下降了42.4%，對比無切面矩形落底式地下連續墻，壓力差值則下降了63.8%，高低壓力差值進一步下降，且下降幅度明顯，大幅度改善了地下水滲透環境。

全圓弧面落底式地下連續墻結構四周的孔隙水壓力梯度值為－104 ～－142N／m3，最大值與最小值之間的差值為38N／m3，對比二次切面落底式地下連續墻結構并沒有變化，說明改善效果存在邊界效應，在制造成本與結構性能間存在平衡。

2 地下結構群對環境的影響

武漢位于長江中下游地區，長江對武漢城區地下水、周邊地下工程施工以及地下結構物滲漏的影響是不可忽視的，尤其是超高層建筑的地下工程。

對于臨江地下工程而言，孔隙承壓水主要賦存于場區中部砂土層中，工程基坑邊線距長江親水平臺臨水側距離較近，場區孔隙承壓水與長江水體存在密切的水力的聯系，水量豐富，在長江豐水期，江水補給地下水，反之地下水補給江水，年變幅隨距江邊距離的增大而減小。 在1—3 月承壓水位較低，枯水期（2 月）承壓水位一般為11.600 ～15.000m，7—9 月承壓水位較高，豐水期（8 月）承壓水位一般為20.400 ～22.800m［8］。 地下水徑流相應表現為每年豐水期地下水由長江向階地內側流動、反之地下水從階地向長江流動，在長江平水期，地下水的徑流速度極為緩慢。 在一般的臨江工程項目中，每年長江枯水期是地下水排泄的主要時段。

隨著臨江建筑的不斷修建，地下結構呈現加深且密集化的趨勢，對地下水的滲流路徑造成影響，在長江豐水期影響地下水由長江向城區補充，而枯水期則影響地下水由城區向長江回流。 當長江進入豐（枯）水期時，地下水滲流量增加，臨江地下結構物會對地下水的滲流路徑造成阻擋，使局部孔隙水壓力提高，壓力差擴大，相對滲流速度差值變化較大，從而使長江兩岸土地的地下水環境劣化，且在地下結構周邊的低速滲流會造成一定程度的地下積水，對周邊土體造成影響，可能使其性狀較工程勘測時期發生改變，留下隱患。 因此，地下結構在設計之初，應適當考慮地下結構對地下水滲流路徑及周邊地下水環境的影響，在環境保護與經濟效益之間尋求平衡點，以減少隱患，并達到環境友好的目的。

3 案例分析

楚商大廈由1 棟超高層主塔樓及裙房組成（見圖7），項目規劃總用地面積29 193.41m2，總建筑面積548 338.28m2。 其中主塔樓108 層，地面以上高475.90m；裙房為19 層，地面以上高79.50m。

圖7 楚商大廈效果Fig.7 Effect of Chushang Mansion

場地地下水類型主要有上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。 上層滯水主要賦存于第1 層填土中，該層地下水與下部砂性土層中的孔隙承壓水被黏性土阻隔，主要來自大氣降水及城市管道滲漏補給［9-10］，水位受季節性控制，隨季節而變化，無統一水位線，水量不大。 勘察期間測得上層滯水水位埋深0.300 ～3.500m，水位標高22.990 ～23.480m，根據區域水文地質資料及臨近場區施工經驗，場區內的孔隙承壓水水位標高年變化幅度一般為3.000 ～5.000m，洪水期水位標高年變化幅度可達到8.000～10.000m。

楚商大廈采用地下連續墻作為止水帷幕，地下連續墻布置如圖8 所示，因考慮復雜地下水環境，落底式地下連續墻的西北、西南角采取切面設計，考慮到地下水滲流路徑的疏導作用以防止地下積水造成的路面下陷，還考慮了最大化使用紅線內的用地面積，減少土地浪費，且使用了TRD（trench cutting re-mixing deep wall method）工法樁，在保證施工質量與效率的同時，完成異形結構的施工。

圖8 楚商大廈地下連續墻平面Fig.8 Diaphragm wall plane of Chushang Mansion

4 結語

通過對3 種不同幾何結構的異形落底式地下連續墻的多物理場進行模擬和對比，主要得出以下結論。 當優化幾何結構時，地下結構對周圍土體地下水流速的影響可以降低，其中一次切面落底式地下連續墻周圍土體的地下水滲流速度差的峰值相比于矩形落底式地下連續墻下降11.58%，有效減小滲流速度差，減少了低速滲流造成積水區的風險，減少了長江向地下水重補給過程的干擾；而孔隙水壓力差值相比于矩形落底式地下連續墻下降37.1%，有效降低了地下水對土體骨架的滲透力影響，降低了滲透破壞的風險。 二次切面落底式地下連續墻周圍土體的地下水滲流速度差的峰值相比于矩形落底式地下連續墻下降23.85%，進一步降低了滲流速度差，對地下水滲流路徑的干擾進一步減小；孔隙水壓力差值相比于矩形落底式地下連續墻下降63.8%，效果相較于一次切面落底式地下連續墻更為明顯。 而全圓弧面落底式地下連續墻對地下水滲流速度差的優化程度與二次切面接近，對孔隙水壓力差值優化程度與二次切面近乎相同，說明地下連續墻的幾何結構改進效果存在邊界效應，在優化效果與施工成本之間可以取一個平衡點，不用一味追求幾何結構上的改變。

隨著武漢沿江地區開發的不斷深入，高層和超高層建筑在沿江區域的不斷建設，地下結構的密度和深度也不斷增加，同時，新型施工工法與施工機具也日益更新換代。 相較于普通的矩形落底式地下連續墻，異形落底式地下連續墻在施工難度上已經降低，采用TRD 或MJS 等工法來進行施工，在控制成本與進度的同時對環境更加友好。