单位名称：中铁二十五局集团第五工程有限公司 任大广
摘要：基坑工程中，特别是在地质结构复杂、地下水丰富的区域，为防止出现地下水的渗透破坏情况，保证施工安全，对地下水渗流场变化规律研究就具有十分重要的意义。依托青岛地铁某车站明挖基坑工程降排水设计，在分析场区工程地质与水文地质条件的基础上，采用渗流计算软件SEEP/W，模拟明挖基坑几个关键开挖深度情况下的地下水渗流场，并与该基坑实际的地下水位监测数据相比对，验证计算方法的可靠性。研究表明：采用SEEP/W可以很好的模拟基坑渗流场的情况，建立了基坑模拟特征参数与实际基坑降水工程之间的联系，基坑工程实例验证表明，该方法具有较高的精度和较好的适用性。
关键词：基坑开挖；渗流场；SEEP/W；止水帷幕；二维数值模型
Abstract：Relying on the drainage design of an open-cut foundation pit project, based on the analysis of the engineering geology and hydrogeological conditions of the site, the seepage calculation software SEEP 3D is used to simulate several key excavation depths of the open-cut foundation pit Seepage field under groundwater. And compared with the actual groundwater level monitoring data of the foundation pit to verify the reliability of the calculation method. Research shows that: SEEP 3D can be used to simulate the seepage field of foundation pits well, and the relationship between the characteristic parameters of foundation pit simulation and the actual foundation pit dewatering project has been established. The verification of foundation pit engineering examples shows that this method has high accuracy and better applicability.
Keywords:; excavation;seepage field; SEEP/W；waterproof curtain; two-dimensional numerical model
1引言
基坑降水是进行基坑工程必须面对和急需解决的难题。近些年，对于这个问题的研究已经取得很大的进步，并获得了很多成果。但与国际相比较而言，国内关于基坑降水的起步较晚，主要研究降水与实际工程案例的结合；国外研究起步早，主要研究理论基础。
基坑工程中，特别是在地质结构复杂、地下水丰富的区域，为防止出现地下水的渗透破坏情况，保证施工安全，对地下水渗流场变化规律研究就具有十分重要的意义。不同的渗流场变化情况对选择合适的防渗形式提供了基础。在渗流场的作用下，坑内土体有效应力下降会直接降低围护结构对主体的支撑作用，导致围护结构受力变形。而一旦坑内土体发生渗透破坏，就完全失去了支撑作用，严重威胁基坑工程及周边环境的安全。冉龙[1-3]等学者通过模型试验结合数值模拟，研究了土体密实度、黏聚力、内摩擦角、桩土界面摩擦特性等因素对临界水力梯度以及渗透破坏模式的影响。何绍衡[4]采用ABAQUS软件建立了某基坑的三维流固耦合模型，分析了预降水深度、止水帷幕深度对基坑变形性状的影响。陈向阳[5]等针对某水电站的复杂地质条件,利用SEEP/W软件对重力坝挡水坝段在两种工况下的渗流稳定性进行了分析。鲍呈苍[6-8]等根据饱和-非饱和渗流遵循的达西定律,以压力水头为基本未知量,从固、液相质量守恒方程出发,推导二维饱和一非饱和渗流控制方程。
前人主要研究了土体密实度、黏聚力、内摩擦角等因素对临界水力梯度以及渗透破坏模式的影响[9-10]。但在基坑边开挖边降水情况下，对基坑外水位的变化及渗流分布情况与水位带来的固结沉降二者之间的联系研究较少。
理论上，基坑内外应无水力联系，但在实际的降水过程中，仍有部分坑外水
不断涌入坑内。本文青岛地铁某车站明挖基坑工程对基坑工程中地下水渗流特征进行试验研究，采用Geo-slope软件的SEEP/W渗流分析模块，对该明挖基坑几个关键开挖深度情况下的地下水渗流场进行分析，研究此软件进行基坑渗流场分析的可靠性。
2渗流有限元分析原理
饱和或非饱和土的地下水渗流符合达西定律, 如式 (1) 所示：
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式中:为流量;为渗透系数;为水力梯度。
对于二维地下水渗流, 可用式 (2) 进行计算：
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(2)
式中:为总水头;为方向的渗透系数;为方向的渗透系数;为边界流量;为体积水容量;为时间。
对于稳定流, 任何时刻单元水流入和流出的体积相等, 与时间无关。因此,方程 (2) 右边等于零, 变为式 (3) 。
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3工程概况
车站为地下二层结构，主体为框架结构，总长度为247.0m，宽约21.0m，主体结构基坑深度约22.0m，车站主体内包含A、B出入口和两组风亭，采用明挖顺筑法施工。基坑支撑式排桩的形式进行支护，止水方式拟采用旋喷桩止水帷幕。车站开挖地层主要为表层第四系素填土、粉质黏土，其下基岩为强风化花岗岩上亚带、强风化花岗岩下亚带。
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图1 青岛市地铁4号线线路示意图
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4模型建立分析
在现场抽水试验的基础上，对实际工程地质与水文地质条件加以梳理与简化，建立了二维非稳定渗流模型，并根据实测数据进行了参数校验和数值模拟计算。根据工程概况，确定了数值模拟计算模型和边界条件。采用软件SEEP/W建立基坑模型，如图6所示，基坑宽度( x 轴) 为 21m，深( y 轴) 22 m，止水帷幕厚度为 1 m。
数值模拟中使用SEEP/W软件函数库中的函数来选用水力参数。选用Van.Genuchten模型生成完整渗透曲线。如第四系素填土的水压与体积含水量关系、水压与水传导率关系、渗透性系数函数和土水特征曲线见图2~图5。
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采用全局网格密度与三角形、四边形混合网格对研究区域离散化，划分网格后的有限元模型如图6所示。土体采用稳态分析，基坑各土层物理力学参数如表 2 所示。
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分别进行不同开挖深度的基坑渗流场计算，并进行对比分析。设定开挖深度为5m、10m、15m、20m、22m，止水帷幕的渗透系数假设为0。
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在渗流力的作用下，土体将沿着渗流的方向(即指向基坑的位置)发生运动。图7出了降水过程中的渗流路径图示。由于坑内水位逐渐下降,在止水帷幕周围形成降水漏斗。在基坑边开挖边降水的过程，随着开挖深度的增加，基坑内外水位压力差也会逐渐增大，且基坑外水位也会发生一定的变化。随着降水深度增加，基坑后几次降水渗流对止水帷幕水压力的影响程度要大于第二次，更远大于第一次（见图8）。
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图8 不同开挖深度总水头及等值线图
降水过程中，坑外水位并非一直保持不变，由于基坑进行降水时产生的水位差，坑外水会向坑内进行渗流，这会使坑外水位发生下降。但坑外水位下降不是大幅度的而是少量的，即坑内水位降深并不等同于坑内外水位差（见图9）。结合青岛市实际工程数据分析发现，坑外地下水靠近止水帷幕水位下降深度约为坑内开挖降水深度的10%。
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随着基坑开挖深度的不断增加，地下水位线的变化减小，即基坑外侧地下水位线在基坑侧壁的出露点距原始位置的距离缩小。假定基坑外侧地下水位不受止水帷幕深度的影响。基坑开挖深度为5m时，地下水位沿基坑侧壁降落距离加大；基坑开挖深度增加时，地下水位沿基坑侧壁降落的距离缓慢增加，最后慢慢趋于平缓，如图地下水位下降高度与基坑开挖深度的关系所示。可见基坑开挖深度的增加可以影响地下水位的下降。即止水帷幕深度在一定高度范围内能有效减小地下水位的下降，当止水帷幕深度超过一定值，再增加止水帷幕的深度对减小地下水位下降的作用就变得不明显。
基坑降水造成的影响不可忽略，随着渗流力的增加，止水帷幕底部土体有效应力增加，进而引起土体塑性变形。
结合实际工程数据和数值模拟发现，止水帷幕在防止基坑侧壁渗流效果很好，但是基坑外地下水还是可以从止水帷幕底部进入基坑内，止水帷幕不能切断基坑外水位与内水位的联系。
开挖期间基坑渗流计算结果与工程实测结果对比基本吻合,说明SEEP/W采模型模拟渗流场合理可行。
5结论
（1）止水帷幕深度在一定高度范围内能有效减小地下水位的下降，当止水帷幕深度超过一定值，再增加止水帷幕的深度对减小地下水位下降的作用就变得不明显。
（2）结合实际工程，确定了数值模拟计算模型和边界条件，建立了二维非稳定渗流模型。结果表明，得到的坑外降深计算值与抽水试验实测值差别不大，在允许的误差之内，说明渗流模型计算结果与实际情况吻合度高。
（3）当考虑渗流作用时，基坑模拟计算数值与实际工程的监测结果十分相近，说明本文建立的数值模型与采用的计算参数是基本合理的，可以适用于基坑开挖的流固耦合计算。
参考文献
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