止水帷幕作用下基坑渗流场特性分析

第２卷 第３ １ 期 ２ １年９ ０ １ 月
洛阳理工学 院学报（ 自然科学版）
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测 点到 基 坑 ・ 心 的水 距 离 厂 ｐ Ｆ ｍ
水 平 距 离 ／ 珂
图 ｌ 固定帷幕宽 度的地下水流速图 Ｏ
图 ｌ 固定帷幕 １
分析 。吴林 高 围护 结构 周 围地 下水 渗 流特 征分 为３ 情况 ，并 指 出隔 水 帷幕 周 围 地下 水渗 流特 征 与 将 种 场 地水 文地 质条 件 、 围护结 构 的插 入深 度 、降水井 的位 置有 关 。 本文 利用 有 限差分 数值 模拟 软 件Ｆ Ａ ３ Ｌ Ｃ Ｄ，对 止水 帷幕 作用 下 的基坑 开 挖进 行 三维 流 固耦合计 算 ，描 绘 出基坑 渗流特 性 。通 过 改变 止水 帷幕 的 宽度和插 入 深度来 揭 示止 水帷 幕 的作 用机 理和 止 水效 果 。
向坑 底流 动 ，所 以 ，基坑底 部产 生 隆起 。 图３ 为基 坑 开挖 中心 以下 １ｍ处孔 隙水压 力 的变 化 历史 曲线 。孔 隙水 压力 出现 了３ 应力 平衡 ，这 与 计 次 算 时将整 个 过程 分 为３ 有关 系 。开始 时将 渗 流模 式 打开求 解 初始 应 力 平衡 ，孔 隙水压 力 也趋 于稳 定 。 随 步
１ Ｆ ＡＣ Ｄ的流 固耦合功能 Ｌ ３
１ 模 型特性Ｉ ． １
Ｆ ＡＣ Ｄ具 有强 大 的渗流 计 算功 能 ，可 以解决 完全饱 和 及有 地下 水 变化 的渗 流 问题 。其 渗流 计算具 有 Ｌ ３
以下特点：１ ）不同区域可 以具有不 同的渗流模型和渗流参数 ；２ ）可 以指定流体压力 、流量和不可渗透边
两 种 流 体流 动 计 算 方 法 ；５ ）材料 的 力 学 本构 模 型 可 以 同流 体 模 型 一 起 使 用 ；６）提 供 了 丰 富 的 结 构 单
元 ，可 以方便地 模拟 基坑 的围护 结构 和支 撑等 。
１ 模 型的建立 ． ２
选 取典 型 的基 坑形 式 作 为 计算 模 型 ，模 型 的大 小
界条件 ，从 而可 以较好 地模 拟地 下 水 的流 动 ；３ ）流 源 既 可 以作为 点源 也 可 以作 为 体 积源 嵌 入 到材 料 中 ，这
些源 头 同所 指定 的流 体流 入 或 流 出相对 应 且 随 时间 变 化 ，从 而 可 以模 拟 降水 井 点 ；４ ）提 供 了显 式和 隐 式
收稿 日期： ０ １０ －０ ２ １－７２
图１ 计算模型图
作 者简介 ： 余永 ￣（９２ ， 河南商城人， １７一男， ） 博士后 ， 授， 副教 硕士生导师， 从事岩土与地下 工程方 面的研 究． 主要
第３ 期
余永强 等 止水帷幕 作用下基坑渗流场特 性分析
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１ 边界条件 、本构模 型的选择及计算 过程 Ｉ ３
典 型的基坑计算模型 ，利用Ｆ Ａ ３ 对止水帷幕作用下基坑开挖过程进行三维流 固耦合计算 。分析得 出基坑开挖 过 Ｌ ＣＤ 程 中孔 隙水压 力、渗流 场的速度 特征 、地表 沉降量 、坑底 隆起 量等的 变化 规律 。结果表 明 ，加 宽止 水帷 幕的 宽
度 ，加 深插入深度可 以有效地控制这些地下水的不利 因素，降低基坑开挖对周 围环境 的影 响。
开挖 以后 ， 由于地 下水 的渗流 的存 在 ，使 土 体加大 变 形 ，如发 生滑 坡 、基 坑 坑底 隆起 等 工程 事 故ｐ。不 同
形式 的 防渗 帷幕 的设 置 ，又 使 得 地 下水 与 土体 的相互 作 用 显得 极 为复 杂 ，阻碍 了对 基 坑渗 流特 性 的认 识 以及 降水对 周 围环 境 影 响 的评价 Ｈ 要 确保 基坑 工程 和周 围环 境 的 安全 ，必 须 首先 对基 坑 渗流场 进 行 正确 Ｉ
Ｖ０ ． Ｎ０ ３ Ｉ ２ｌ ．
Ｓ ｐ ｅ ．２ １ ０１
止水帷幕作用下基坑渗流场特性分析
余永强 ，刘
摘
微 ，唐冬雪
（． １ 河南理 工大学 土木工程学院，河南 焦作 ４４０；２中铁十五局 集团有限公 司，河南 洛 阳 ４１１ ） ５００ ． ７０３
要 ：基坑开挖 卸荷导致 土体应 力场和地 下水渗 流场发生改变 。为 了分析止水 帷幕对地 下水渗 流的影响，选取
关键词：流 固 耦合；止水帷幕；数值模拟
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中图分类号 ： ４ ８ ＴＵ ７
文 献标 志码： 文 章编号： ６ ４５ ４ （０ １０．０ ４０ Ａ １７ ．０ ３２ １ ）３０ ２ ．４
后 将水 关 闭 ， 阻止 地 下水 流 动 ，基 坑下 １ｍ处 的孔 隙水压 力 降到最 低 ， 出现 了如 图３ 示 的尖 点 。基 坑 开 所
挖完成后将渗流模式又 打开 ，由于基坑与周围地层存在压力水头差 ，地下水 向基坑方 向流动 ，孔隙水压
力急 剧增 大 ，随着 渗 流 的进 行地 下水 达 到稳 定状 态 。
力 相近 ，在止 水 帷幕 处孔 隙水 压 力 形成 一 定 的变 化 曲线 。基坑 内侧 的孔 隙水 压 力基 本 上 是相 等 的 。 由于 基 坑开 挖 卸荷 和 止 水帷 幕 作 用 ， 使 得基 坑 内外 形 成水 头 差 ，地 下 水 产 生渗 流 ，地 下水 绕 过止 水帷 幕底 部
响 ，总 的趋 势 是止 水帷 幕 宽度越 大 ，地 下 水流速 、基 坑地 表沉 降量 、坑底 隆起 量 都 不 同程 度地 减少 。
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水 平 距 离 ／ ｍ
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图８ 固定帷幕宽度的基坑地表沉降曲线图
模 型 的底边 界 、左 边 界 和止 水 帷 幕 设 置 为不透 水 边 界 。上 表 面 为 地表 ， 设置 为 自 由边 界 ，侧 面和 地
面为位 移 边界 ，侧 面 限制水 平 移 动 ，底面 限定其竖 向位 移 。
模型采用弹性各 向同性模型，流体模型选用 ∥一 各 向同性和 一 ｕｌ ０ ｎ ｌ流体空模型。止水帷幕和基
基 坑 中心竖 向位 移 的 历 史变 化 如 图５ 示 。 由图５ 知 ，随着 地 下水 向基 坑 底部 流 动 ，基 坑底 孔 隙 水 所 可
压 力 增大 ，坑底 隆起 量 逐 渐增 大 。基 坑 开挖 卸 荷 后 ，坑 底 隆起 量 急 剧 增大 。随 后 模 型达 到平 衡 ，基 坑 中 心 的 隆起 量 逐渐趋 于 稳 定 。地 表 的 沉 降 曲线 如 图６ 示 ，地 表 的最 大 沉 降值 发 生在 基 坑边 上 ，越远 离基 坑 所 沉 降量越 小 。坑底 隆起 量 的变 化 如 图７ 示 ，基 坑 隆起 的最 大 值 很 明显 是发 生 在基 坑 中心 ，越接近 止 水 帷 所 幕 隆起 量 越小 。
隙 水压 力 ，进 行基 坑 开 挖 ，调 用 一 个 ｆ ｈ 言编 程 的释放 函数 ，撤 掉 施 加 的 孔 隙水 压 力 。最 后 再 将水 打 ｉ语 ｓ
开 ，设置 水算 法进 行 计算 ，将 结 果输 出。
表 １ 模型的计算 参数
２ 数值 模拟结果分析
图２ 孔 隙水 压 力 及 流速 矢 量 分 布 图。 由 图２ 知 ，模 型 内部在 基 坑 外 侧 同一高 程 上各 点的孔 隙 水压 为 可
随着 城市 建 设 的不 断发 展 ，地面 空 问 日趋 紧 张 ，地 下空 间 的开 发 日益 得 到 人们 的重 视 。地 铁 隧道 、 高层建 筑 、市 政工 程 等重 大工 程 的建 设 ，产 生 了众 多 形态 的基 坑 … 。工程 实践表 明 ，大 大 小小 的基 坑工 程 事故 大 多与地 下 水有 关Ｉ。基 坑 开挖 施 工 ，改变 了土 体 的应力 平衡 ，土体 发 生 不 同程度 的变形 。 同时基 坑 ２ Ｊ
的作 用 效果 受 其插 于 深 度 和 宽度 影 响 。下 面分 别 讨论 止 水 帷幕 插 于深 度和 宽度 对 渗流 场 、地 表 沉 降 、 坑 底 隆起量 的影 响 。
首先 固定 止水帷 幕 的宽度为 １ ｍ，改变 插入深度 ，令其等 于 ｌ ｍ、２Ｉ、３ｍ，对 比计算 结果如 图８ 图ｌ ｌ ｌ ～ Ｏ 所 示 。然 后 固定 止 水帷 幕 深 入基 坑 开挖 面 以下 １Ｔ，改变 止水 帷 幕 的 宽度 ，令其 等 于 １ｍ、２ｉ、３ｍ，对 Ｉ Ｉ ｎ 比计 算 结果 如 图 ｌ ～ 图１ 所 示 。止 水 帷幕 的插入 深 度对 基 坑 的影 响很 明 显 ， 随着 插 入深 度 的加 大 ，地 下 ｌ ３ 水 的流速 明显 减 小 ， 同时 基坑 地 表 沉 降量 和 坑底 的隆起 量 也 相对 减 小 了 。止 水 帷 幕 的 宽度对 基 坑 也有 影
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第２ 卷 ｌ
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水 距离／ ｍ
图４ 基坑下 １ 的平面上竖 向地下水流速变化图 ｍ
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图５ 基坑中心竖 向位移的历史变化图
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坑开挖 部 分都 设置 为 一ｎ ｌ流 体 空模 型 。计算 过程 大致 分 为３ ，计算 参 数如 表 １ 示 。首先 将渗流 模式 ｕｌ 步 所