悬挂式止水帷幕对基坑降水的影响(1)

第20卷第4期2006年8月
土　工　基　础
Soil Eng.and Foundation
Vol.20No.4
Aug.2006悬挂式止水帷幕对基坑降水的影响
冯晓腊1,谢武军1,卢智强23,王超峰
(1.中国地质大学工程学院,湖北武汉430074;2.中铁隧道集团,河南洛阳)
摘　要:在广泛分析目前深基坑降水的设计计算理论和施工的基础上,建立了三维渗流的有限元模型,编制了三维有限元计算程序,并以武汉长江隧道武昌盾构井深基坑降水工程为例进行计算。

通过将有无悬挂式帷幕两种工况的水头降深计算结果与实际存在悬挂式止水帷幕的实际监测值进行对比,定量说明悬挂式止水帷幕对基坑降水的影响。

关键词:悬挂式帷幕,基坑降水,三维有限元法
中图分类号:TU46 文献标识码:B 文章编号:100423152(2006)0420033204
1　引言
长江中下游沿岸大都位于长江一级阶地之上,地基土呈典型的二元结构。

上部由透水性弱、强度低的粘性土层组成;下部由强度高、透水性强的砂、砾、卵石层组成,富水性好,在两层结构之间,间或出现厚度不一的粉砂过渡层,抗渗强度低[1,2]。

这样更增加了地下工程支护与施工的难度,开挖深基坑时必须进行降水。

目前,对于深基坑井群降水渗流场的分析计算主要是采用解析方法[3],对基坑渗流场的分析大多是二维的,这是对实际情况的简化,而利用三维有限元对复杂基坑进行模拟,也多停留在稳定渗流的水平[4]。

文[5]采用二维有限元法对某水坝悬挂式帷幕周围的渗流场进行了模拟。

本文以里兹有限单元法为基础,建立地下水流动的三维渗流模型进行计算,预测有无止水帷幕工况下基坑各处水头降深,并与实际工程中存在悬挂式止水帷幕的降水监测数据进行对比,并阐明悬挂式止水帷幕在基坑降水中的影响。

2　渗流模型的建立及求解
基坑降水中各向异性承压含水层中地下水三维不稳定流问题,若考虑x、y和z轴的取向与含水层介质各向异性的主方向一致,则该状况的地下水流动规律可用以下三维模型表达[6]:
9
9x(K xx
9H
9x)+
9
9y(K yy
9H
9y)+
9
9z(K zz
9H
9z) =μs
9H
9t
(x、y<Ω)
H|t=0=H0(x,y,z)
H|B
1
=H b
[K xx
9H
9x co s(n,x)+K yy
9H
9y cos(n,y)+ K zz
9H
9z cos(n,z)]B2=
ν
(1)式中:Ω为渗流区域,B1为研究区的第一类边界(定水头边界),B2为研究区的第二类边界(定流量边界),ν为第二类边界B2处的渗流速度,K xx、K yy、K zz分别为x、y、z方向上的渗透系数。

对上述定解问题可以引进求泛函E(H)的极小值来求解,其中E(H)=µΩ{12[K xx(9H9x)2+K yy(9H9y)2+
K zz(
9H
9z)
2]+μs H9H
9t}dx d y dz-κB2qH ds(2) 该泛函的极值可通过三维有限元法求解。

将渗流区域剖分为一系列四面体单元,对整个问题的求解就集中为对每个单元体的求解,对单元体内任意一点用线性插值法得其水头[6,7,8]。

依照上述步骤,采用DIESEL迭代法,由FOR2 TRAN语言编制三维有限元计算程序,求解水头。

下面用该程序对武汉长江隧道武昌盾构井基坑降水
　收稿日期:2006201206
　3卢智强参加本文工作。

工程进行计算。

3　工程应用
3.1　工程概况
武汉长江隧道武昌盾构始发井基坑位于武昌武
汉理工大学三角路校区体育场内,平均开挖深度为19.7m ,最深处达21.3m 。

始发井属长江南岸一级
阶地地貌,地层主要除地表有呈松散状态的人工填土(杂填土或素填土)和局部分布有第四系湖积层外,上部由第四系全新统冲积软～可塑粉质粘土,中部由第四系全新统稍密～密实粉细砂组成,下部基岩为志留系泥质粉砂岩夹砂岩、页岩。

承压水主要赋存在粉细砂层及下部中粗砂层中,与长江有较密切的水力联系,水量较大,是本文考虑的重点。

承压含水层可概化为层状各向异性含水层。

该工程采用地下连续墙支护、止水,地下连续墙厚0.8m ,深度38m 。

采用深井降水法降低承压水位,降水井深度
有30m ,32.5m 、35m 三种类型,滤管顶面深度均为25m ,观测井深度25m ,场区降水井及观测井布置如图1。

图1　降水井及观测井布置图
3.2　计算过程
根据工程地质资料,计算模型的渗流初始条件为定水头边界,具体为:平面上内边界为已知流量边
界(降水井),外边界为定水头边界;底边界为隔水边界。

含水层在x 、y 方向上假定为均质各向同性,在空间上为非均质各向异性;降水井为承压非完整井。

有限元计算参数包括:表1,渗流区地层参数(通过现场抽水试验及室内试验综合取值);表2,降水井位置、流量及初始水头;表3,止水帷幕的位置及深度。

表1　地层参数表
土层名称厚度
(m )水平渗透系数K x
(cm ・s 21)垂直渗透系数K y
(cm ・s 21)给水度l
(m 21)弹性模量
(MPa )填土 3.177×10242×10240.087.5粉质粘土11.082×10254×10260.035 6.35粉土夹粉质粘土 5.142×10245×10250.0710.14粉细砂9.075×10237×10240.1115.94中粗砂19.025×10223×10220.1418.45卵砾石
2.97
9×1021
8×1021
0.16
17.1
表2　各降水井坐标及流量
井号
x (m )
y (m )
流量
(m 3/d )初始水头(m )
1487.9508.11920-42487.3502.71200-43487.3497.91920-44487.3492.01920-45493.6492.01200-46497.1493.11200-47503.0493.11200-48506.3492.01200-49512.2492.01920-410497.1493.11200-411512.2502.71200-412487.3492.01200-413507.2508.11920-414
492.9508.11920-4观测井M1
500.0507.00-4观测井M2
499.0
494.7
-4
表3　止水帷幕点坐标
帷幕点号
x (m )y (m )
1487.1488.22518.3188.23518.3511.74
487.1
511.7
3.3　计算结果与分析
在地层参数,井位坐标,抽水量等参数给定后,利用三维有限元程序计算出不同时段任一单元处的水头降深,从而可得出降水影响范围内任一点受抽水井影响的水位降深结果。

下面取抽水30天后无
43土　工　基　础 2006　
止水帷幕和有止水帷幕两种工况下基坑内25m 深度处水头等值线图及立面分布图,见图2(a ),图2
(b ),图3(a ),图3(b )。

图2a 无帷幕30d 水头等值线图
图2b 无帷幕30d 水头立面图
图3a 有帷幕30d 水头等值线图 图3b 有帷幕30d 水头立面图
通过对比图2,图3可以发现抽水30天后,无
止水帷幕工况下,基坑内沿基坑边界的水头大约为-16m ,降深12m 。

由于降水井基本沿y 轴呈对称
分布,其等值线也大约沿y 轴呈对称分布,沿降水井周围等值线分布密集。

基坑内大部分区域水头为-20m 水平,降水井分布较密集的5、6、7、8号井周围区域水头达到-22m 水平。

由于各降水井影响范围有限而13、14号井间距较大,其间的水头等值线向基坑内弯曲。

有止水帷幕工况下,基坑内等水头线分布比较均匀,沿帷幕内边缘等值线密集,降水井周围则比无帷幕时分布均匀。

基坑内水头均在-20m 以下,大部分区域在-24m 以下,水头降深比不无止水帷幕时大2～4m 。

因为有帷幕的影响,图3(a )中13、14号降水井之间的等值线向基坑内弯曲的趋势明显减缓。

由于基坑外没有布置施工水位观测井,故无法将监测值与计算值作比较。

通过对比计算结果与现场监测数据,做出观测井M1,M2水头变化历时曲线如图4(a ),图4(b )。

由图4(a )、
(b )可以看出,
计算结果显示在有止水帷幕工况下,水头变化的趋势与实测数据实比较吻合的,在降水10天后水头曲线接近平滑,地下水
图4a 观测井M1水头历时曲线
图4b 观测井M2水头历时曲线
5
3　第4期 冯晓腊等:悬挂式止水帷幕对基坑降水的影响
渗流基本达到动态平衡状态。

计算存在止水帷幕的水头降深比无帷幕时大2～4m,在基坑内不同区域影响不一样,实测水头降深与计算存在帷幕的结果吻合的比较好。

其原因为:该含水层地层各向异性,其水平向渗透系数大于垂直向渗透系数,在止水帷幕深度大于降水井深度时,由于基坑外地下水水平向的入渗补给受到帷幕的阻挡,故基坑外地下水主要通过绕渗的方式由垂直向补给,这就导致了补给方向的改变和渗流路径的增加,由水力学和达西定律可知,此时基坑内的水头也会因此而降低。

由于实施降水过程中受基坑施工及其它因素(如长江水位)的影响,实测水头值比计算值离散性稍大。

4　结论
武汉长江隧道武昌盾构井基坑规模大,技术要求高,场地工程地质,水文地质条件复杂。

实践证明,武汉长江隧道武昌盾构井基坑降水方案是合理的,满足了基坑施工的要求。

通过研究,得出以下几点结论:
(1)根据长江隧道工程的工程地质条件与水文地质条件建立了承压水不稳定流三维渗流模型,并采用三维有限元方法对有无止水帷幕时基坑降水分两种工况进行了模拟计算。

(2)计算结果表明,有悬挂止水帷幕所得的水头降深比无帷幕时的水头降深大,与水位实际监测值吻合良好,证明所采用的数学模型和计算方法是适当的,说明在基坑施工采用深井降水时,悬挂止水帷幕对基坑外承压水的阻隔作用改变了地下水渗流场,影响了抽水过程中基坑内外的承压水运动均衡,对基坑降水起着积极的作用,帷幕对降水的影响由工程条件决定。

(3)本文针对悬挂帷幕对基坑降水的影响程度问题进行了定量计算,可以为基坑降水的设计及施工提供决策依据。

文中有限元计算时将井布置在节点上并将其作为点井来简化处理,忽略了井径大小对渗流场的影响,所以井的处理尚待进一步研究。

参考文献
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[8]　傅鑫谊,万力,田家良.有限元数值模拟技术应用于基坑降水
设计和结构防浮分析[J].水文地质工程地质.2003.1
The Infection of Pensile Curtain to Foundation Pit De w atering
FEN G Xiao la1,XIE Wu jun1,L U Zhi qiang2,WAN G Chao feng2
(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan Hubei430074;2.China Tunnel Group,Luoyang Henan,China)
Abstract　Based on an extensive analysis to the design theory and construction of the dewatering of deep foundation pit excava2 tion.The32dimensional finite element seepage model is established and the32dimensional finite element program is accom2 plished.Dewatering engineering of the deep foundation pit of the shield well in the project of the Changjiang River tunnel in Wuhan is taken as an example to calculate.Through comparing the calculate results with the measured data of the water level in the following two status that have pensile curtain or without,to illustrate quanitvely the infection of pensile curtain to seepage on foundation pit dewatering.
K ey w ords　pensile curtain,foundation pit dewatering,32D finite element method
63土　工　基　础 2006　。