基坑帷幕与管井防渗降水效果研究_张文侃.pdf

2023 年第 3 期2023 Number 3水电与新能源HYDOPOWE AND NEW ENEGY第 37 卷Vol37DOI:10 13622/j cnki cn42 1800/tv 1671 3354 2023 03 002收稿日期:2023 01 12作者简介:张文侃，男，高级工程师，从事内陆河道港口航道建设与管理工作。资助项目:湖南省交通科技项目资助(项目合同编号:202125)。基坑帷幕与管井防渗降水效果研究张文侃1，刘威1，徐世濠2，陶军2(1 湖南省水运建设投资集团有限公司，湖南 长沙410004;2 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉430072)摘要:帷幕与管井是基坑防渗降水的常用措施。利用 ABAQUS 有限元计算软件，探究帷幕与管井组合使用条件下，不同工况对基坑防渗降水效果的影响，分析基坑底部降水深度和基坑渗流量随帷幕管井基本参数的变化规律。并在此基础上，利用多元线性回归方法，提出了基坑底部降水深度的快速计算公式。经对该计算公式进行准确性验证表明，计算误差在 5%以内，具有比较好的拟合效果。关键词:基坑防渗降水;帷幕;管井;数值模拟中图分类号:TU75文献标志码:A文章编号:1671 3354(2023)03 0006 04On the Seepage Prevention and Water Level Lowering Effect ofCurtain and Tube Well in Foundation PitZHANG Wenkan1，LIU Wei1，XU Shihao2，TAO Jun2(1 Hunan Provincial Water Transportation Construction Investment Group Co，Ltd，Changsha 410004，China;2 State Key Laboratory of Water esources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China)Abstract:Grouting curtain and tube well are commonly used in seepage prevention and water level lowering of founda-tion pits The ABAQUS finite element software is used to explore the seepage prevention and water level lowering effectof the curtain and tube well in foundation pit under different working conditions，and analyze the variations of the waterlevel and the seepage flow of the foundation pit with the basic parameters of the curtain and tube well Then，a fast cal-culation formula is proposed for the estimation of the water level lowering depth at the bottom of the foundation pit usingthe multiple linear regression method Verification with practical examples shows that the proposed formula is of a goodfitting performance with the calculation error within 5%Key words:seepage prevention and water level lowering of foundation pit;curtain;tube well;numerical simulation临水建筑物施工往往会遇到地下水位过高，影响临水基坑开挖的问题，因此基坑防渗降水措施必不可少。由于基坑防渗降水措施会引起周围流场的变化，可能危及周边建筑物或地下管线1，同时基坑防渗降水措施的防渗效果是否能满足工程要求也需要进行具体分析，因此设计多种基坑防渗降水措施方案进行对比以选择合适的防渗降水措施方案是必要的。基坑防渗和降水措施主要有两种:止水帷幕和降水管井2 4，不同学者对评价帷幕与管井的防渗降水效果的方式也有所不同。张家发5 等人利用流场分布以及基坑渗透坡降来评价帷幕的防渗效果;张斌6 等人采用渗流量以及土体是否发生渗透破坏的方式来评价帷幕的防渗效果;徐帮树2 等人则通过降水深度来评价管井的降水效果。综合不同学者的观点，大部分学者2 4，7 均采用渗流量和坑外降水深度这两个指标来评价基坑防渗降水措施的效果。学者们对帷幕和管井的参数对基坑防渗降水效果的影响有着比较多的研究，对于止水帷幕，主要考虑帷幕材料的渗透系数以及帷幕埋入深度的影响3，8 9;对于降水管井，主要考虑管井间距、管井半径、管井深度、管井数量等参数的6张文侃，等:基坑帷幕与管井防渗降水效果研究2023 年 3 月影响10 11，部分学者也对不同管井类型进行了讨论12。随着有限元分析技术的发展，如今已有许多学者采用有限元的方法对基坑防渗降水问题进行分析，相比于诸多有限元分析软件，ABAQUS 软件具有较强的渗流计算分析能力，其可靠性也得到了大量学者的认可。本文利用 ABAQUS 有限元计算软件，分别建立多层地基渗透系数模型和等效渗透系数模型，探究帷幕与管井组合使用条件下，不同方案对基坑防渗降水效果的影响。考虑到大部分基坑都期望在干地条件下进行施工，因此本文将坑外降水深度指标转化为坑内水位线据基坑底部高程的距离，并将该指标称为基坑底部降水深度，用基坑底部降水深度与基坑渗流量对基坑防渗降水效果进行评价。除此之外，为了能够更加方便地对比不同基坑防渗降水方案，本文利用多元线性回归方法，提出了基坑底部降水深度的快速计算公式，该公式可根据不同防渗降水方案的设计参数，快速计算出基坑底部降水深度，为快速评价基坑防渗降水方案的防渗降水效果奠定了基础。1基坑渗流的有限元模型11多层地基渗透系数模型以黑龙江某临水基坑为参考，利用 ABAQUS 软件建立多层地基渗透系数模型，该基坑模型横截面如图 1 所示，有 5 个地层组成，从上至下依次为低液限黏土(黄)、级配不良粗砂(黄)、低液限黏土(灰)、含砂低液限黏土和级配良好细砾(灰)，不同地 层 采 用 不 同 的 渗 透 系 数，从 上 至 下 依 次 为1 108、81104、1108、1107、1 3 103m/s。该基坑采用帷幕和管径两种降水措施，计算方案中帷幕深度为 28 8 m，管井深度为25 m，管井间距为 20 m，管井管径为0 55 m。基坑模型尺寸见图 1。图 1基坑模型尺寸示意图12等效渗透系数模型在多层地基渗透模型的基础上，为了简化模型的建立，便于后续进行敏感性分析，本文提出了等效渗透系数模型，等效渗透系数模拟方法旨在忽略地基分层，利用式(1)计算得到的等效渗透系数代替不同地基的渗透系数，即整体模型采用统一的等效渗透系数，之后再采用有限元模拟方法进行渗流计算。该方法可以简化基坑地基的模型，削弱多层地基对降水措施参数与降水程度关系的影响程度，以便重点分析降水措施参数对降水程度的影响。在该模型中，地层深度取 30 m进行等效，地层厚度从上至下依次为 1 5、9、1 5、2、16 m，计算得到的等效渗透系数为 9 371 104m/s(81 m/d)。kx=1HkiHi(1)其中:ki为各层地基对应的渗透系数;Hi为各层地基对应的厚度;kx为计算得到的等效渗透系数。13模型对比本文采用仅有帷幕止水措施的模型进行对比计算，多层地基渗透系数模拟方法和等效渗透系数模拟方法计算得到的孔压分布分别如图 2 和图 3 所示，多层地基渗透系数模拟方法计算得到基坑底部降水深度为 1 9 m，单宽渗流量为 1 950 m3/d;等效渗透系数模拟方法计算得到基坑底部降水深度为 1 5 m，单宽渗流量为 1 618 m3/d，基坑底部降水深度和单宽渗流量的相对误差分别为 21%和 17%。可见，等效渗透系数模拟方法对于降水措施参数的敏感性分析影响不大，对于复杂地基可以利用等效渗透系数模拟方法。图 2多层地基渗透系数模拟的孔压分布图图 3等效渗透系数模拟的孔压分布图7水 电 与 新 能 源2023 年第 3 期2基坑防渗与降水敏感性分析本节分别对帷幕深度、管井深度和管井管径进行敏感性分析，探究这些参数对基坑渗流量与基坑降水程度的影响。1)帷幕深度影响分析。防渗帷幕深度分别为 28、20、14、0 m。计算结果表明防渗帷幕设置越浅，边坡饱和区范围越大，管井渗流量越大。当不设置防渗帷幕时，围堰坡脚产生溢流，可能造成围堰涌水破坏。2)管井深度影响分析。针对不设置防渗帷幕与帷幕深度28 m 的两种工况，对不同管井深度条件下基坑渗流情况进行计算，分析管井深度对基坑底部降水深度和基坑总渗流量的影响。结果表明，设置帷幕与否，基坑底部降水深度和基坑总渗流量随着管井深度增大逐渐增加，当滤管长度大于 7 m，基坑底部水位降低深度和基坑单位宽度渗流量随管井深度增加变化较小。3)管井管径影响分析。管径分别取 0 55 m 和1 m，由此分析管井管径对基坑底部降水深度和基坑单宽渗流量的影响，结果表明单宽渗流量与基坑底部降水深度均随着管径增大而增大。3基坑底部降水深度快速计算方法本节进一步量化基坑底部降水深度 f 与管井深度H、管井间距 L、防渗帷幕深度 D 和基坑深度 h 的变化关系，采用线性回归方法提出基坑底部降水深度 f 的快速计算公式。31等效渗透系数对基坑底面水位降深的影响取土体等效渗透系数为 1 101至 1 106m/s6 个 量级进行渗透系数的影响分析，其中 H=30 4 m，h=14 m，D=28 7 m，L=20 m，计算所得基坑底部水位降低深度结果见图 4。从图 4 中可以看出，当土体等效渗透系数大于 1 103m/s 时，基坑底部水位降低深度 f 与土体等效渗透系数 k 无关;当土体等效渗透系数小于 1 103m/s 时，基坑底部水位降低深度 f随着土体等效渗透系数 k 减小而减小。图4渗透系数对基坑底部降水深度影响32降水措施基本参数对基坑底面水位降深的影响考虑 H/h 时，管井深度 H 分别取23、24、25、27 6、30 4 m，基坑深度 h 取 14 m(D=28 7 m，L=20 m，k=0 01 m/s);考虑 L/h 时，管井间距 L 分别为 10、15、20、25、30 m，基坑深度 h 为 14 m(D=28 7 m，H=30 4 m，k=0 01 m/s);考虑 D/h 时，防渗帷幕深度 D分别为 17 9、22 8、27 8、31 5、34 3 m，基坑深度 h 为14 m(H=25 m，L=20 m，k=0 01 m/s)，结果如图 5所示。可见，基坑底部水位降低深度 f 与 H/h、L/h、D/h均呈线性关系。图 5不同参数对基坑底部降水深度影响8张文侃，等:基坑帷幕与管井防渗降水效果研究2023 年 3 月33降水深度公式拟合因基坑底部水位降低深度 f 与 H/h(管井深度)、L/h(管井间距)、D/h(帷幕深度)呈线性相关，设定基坑底水位降深的表达式为式(2);可以发现当土体渗透系数大于 1 103m/s 时，基坑底部水位降低深度 f不受渗透系数影响;当土体渗透系数小于1 103m/s时，基坑底部水位降低深度 f 与土体等效渗透系数的负对数呈线性相关。f=a+a1H/h+a2L/h+a3D/h(2)管井管径为 1