沿江粉細砂地層深基坑汛期高水位滲流分析

高 鵬 （安徽建工檢測科技集團有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著各類基礎設施建設的蓬勃發展，基坑工程越來越多。隨著建設規模的日益增大，基坑深度也日益增加。根據相關調查研究表明，基坑工程事故中有70%是受地下水及地表水直接或間接造成的[1]。對于跨江大橋、過江隧道在建設過程中，水位對基坑全生命周期的安全穩定有著十分重要的影響，且沿江地區粉細砂地層分布廣泛，在汛期易造成管涌、流土等滲流破壞，威脅到基坑的安全穩定。因此，針對汛期高水位，開展滲流分析對其安全度汛起著十分重要的作用。

目前，學者針對基坑結構穩定分析、富水地層滲流分析等做了大量研究。楊斌等[2]通過開展室內模型試驗以及離心模型試驗等方法，研究了基坑支撐結構面上的土壓力分布規律以及土壓力隨著支撐結構發生位移的不同的變化規律。智慧淵等[3]開展了基坑支撐結構地連墻的滲流分析以及涌沙涌水等事故的原因和后果分析，針對涌水事故提出了針對性的防治措施。姜皓[4]針對富水砂層地區的深基坑工程，針對圍護結構地連墻接縫處滲流破壞問題提出了可以止水處理的技術措施。黃戡等[5]基于流-固耦合理論，建立了基坑的三維數值網格模型，分析了基坑施工開挖過程中滲流作用力對支護結構變形穩定性的影響以及對相鄰建筑物結構安全的影響。

本文以某過江隧道基坑工程為例，針對汛期高水位情況下基于有限元方法進行滲流分析，研究汛期長江高水水位情況下基坑及周圍土體的壓力水頭、孔隙水壓力以及總水頭分布情況。通過以上分析結果確定基坑逸出點以及逸出點的水力比降，對比地層臨界水力比降，判斷是否會發生管涌。

1 工程簡介

1.1 工程概況

該過江隧道基坑工程采用了明挖順作法，分5 層開挖，整體總長共45.5m，開挖寬度在35.77～43.40m，最大深度為27.20m?；訃o結構采用了地下連續墻，基坑內支撐結構采用了鋼筋混凝土支撐、鋼管支撐、鋼筋混凝土頂圈梁以及三軸攪拌樁的混合式內支撐形式。

1.2 地層概況

該過江隧道基坑工程整體覆蓋層厚度在49～55m 范圍，以流塑狀淤泥質土以及粉細砂為主，底部為新鮮基巖。

根據勘探揭示的巖土層自上而下分述如下。①回填土，厚度0.7～-6.7m，平均2.51m。②淤泥，厚度0.5～9.6m，平均3.94m。③粉質黏土層自上而下分為淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉土。淤泥質粉質黏土，厚度1.00～30.70m，平均9.84m；粉質黏土，厚度1.70～13.60m，平均5.71m；粉土，厚度0.70～12.70m，平均厚度5.53m。④粉砂，厚度1～22m，平均厚度23.24m。⑤細砂，厚度為0.70～38.40m，平均厚度26.91m。⑥強風化粉砂巖，厚度為0.50～10.60m，平均厚度為2.66m。⑦中風化粉砂巖，揭露厚度0.60～35.30m。

1.3 水文地質條件

該深基坑工程場區范圍內地下水分為松散巖類孔隙潛水以及基巖裂隙水兩種。且工程位于長江沿岸，沿江地區地下水水位、水量受長江水補給的邊界條件影響較大，從長江水位與地下水位變化的對應關系看，兩者存在明顯的關聯關系。人工填土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土為弱透水土層，粉砂、細砂底層均為中等透水土層，粉土、全風化凝灰角礫巖、全風化粉砂巖。石英砂巖、中風化粉砂巖、石英砂巖、泥質粉砂巖、中風化角礫巖為弱透水土層。左線基坑涌水量預估為6778m3/d。右線基坑涌水量預估為6857m3/d，北岸盾構井基坑涌水量預估為4835m3/d。

2 基坑汛期高水位滲流分析

本次基坑滲流計算采用有限元方法，主要任務包括：確定在汛期水位下基坑及周圍土體的孔隙水壓力，壓力水頭以及總水頭分布情況；確定基坑逸出點以及逸出點的水力比降，判斷是否滿足要求，是否會發生管涌。

2.1 計算原理

基坑工程中的滲流問題是屬于連續介質的飽和-非飽和非恒定滲流問題，對其描述及其求解概要敘述如下[6]。

2.1.1 滲流控制方程及邊界條件

①滲流控制方程

認為非飽和土中滲流問題服從達西定律，根據水流連續性方程假定孔隙水壓力不隨時間變化而改變，滲流控制方程為：

在水頭H與時間變量無關時，得到地下水穩態流控制方程為：

式中：H 為總水頭，h 為壓力水頭，y為位置水頭；kx、ky分別為x與y方向滲透系數；Q為微元體邊界流量；mw為體積含水量變化系數；γw為水的容重。

針對本工程所涉及的相關滲流計算只考慮巖土體的飽和穩定滲流和飽和非穩定滲流問題，不考慮巖土體的非飽和滲流情況。

②滲流邊界條件

基坑在長江汛期12.2m水位的條件下滲流問題的邊界條件為水頭邊界條件，可表達為：

式中：H(x,y)表示在二維條件下基坑某一邊界S在t時刻的水頭，根據基坑在穩定的水位情況下的滲流條件，可確定該邊界S的水頭邊界值H1(x,y,t)。

2.1.2 滲流分析有限元方法

由式（1）、式（3）構成滲流問題的定解條件，由該定解條件，通過適當的數學方法可求出端頭井基坑滿足式（3）的唯一水頭分布的解。本工程涉及的基坑滲流問題求解，其計算模型長江水位為12.2m 的瞬態邊界條件，并且基坑場區地層復雜，用解析方一般很難獲得該模型的解析解。故針對本工程的滲流分析，采用具備處理復雜地層和幾何邊界能力的有限單元法進行求解。

本次滲流分析采用GEO-STUDIO軟件的SEEP/W 有限元分析模塊進行模擬，SEEP/W 模塊可以對基坑的飽和-非飽和穩態滲流和瞬態滲流進行分析。通過SEEP/W 模塊可以進行滲流分析，得到不同時刻、不同位置的孔隙水壓力、壓力水頭、總水頭分布情況以及逸出點水力坡降。

2.2 計算剖面

根據工程資料可知，本次基坑開挖地層，自上至下土層依次為回填土淤泥、粉質粘土、粉土、粉砂、細砂等地層。隨著持續的降雨，長江水位上漲，出于工程安全考慮，對本次施工的基坑進行數值模擬。本次選取A-A 剖面和B-B 剖面做為本次滲流計算剖面，見圖1。根據確定的計算剖面建立相應的GEOSTUDIO 有限元網格模型，詳見圖2，其中A-A 剖面的網格模型共11652 個節點、11476個單元，B-B 剖面的網格模型8217個節點、8092個單元。

圖1 滲流計算剖面

圖2 計算剖面有限元網格模型

2.3 計算參數

本次滲流計算所涉及的基坑土體及支護結構滲透系數取值詳見表1。

表1 基坑土體及支護結構滲透系數

2.4 計算工況

根據汛期施工進度以及當前長江水位，確定該基坑滲流計算工況為向下開挖19m，分為長江水位12.2m、12.4m、12.6m、12.8m、13.0m 五個工況進行模擬分析。

2.5 計算結果

通過GEO-STUDIO 軟件中的SEEP/W 滲流計算模塊對A-A 剖面、BB 剖面在計算工況以下的滲流情況進行分析計算，滲流計算結果具體如下。

A-A 剖面以及B-B 剖面的滲流分析得到孔隙水壓力等值線云圖，壓力水頭等值線云圖及總水頭等值線云圖，見圖3～圖5。

圖3 計算剖面孔隙水壓力等值線

圖4 計算剖面壓力水頭等值線

圖5 計算剖面總水頭等值線

由上述計算結果可知，隨著汛期來臨，長江水位上升，基坑周圍的水流會向著基坑的方向入滲。由于地連墻和止水墻的阻擋作用，水流主要沿著地連墻和止水墻的底部向基坑內繞滲，當基坑外部水位足夠高時，水流會從基坑底部流出。其中，A-A 剖面，在總水頭的作用時，基坑底部的水力比降值最高達到1.412；B-B 剖面在總水頭作用時，基坑底部的水力比降值最高達到0.367。

在工況二到工況五的長江水位不同條件下，對基坑A-A 剖面、B-B 剖面進行了與工況一相同的數值模擬分析，獲得不同工況下孔隙水壓力、壓力水頭及總水頭的分布情況，并統計基坑底部的逸出面的水力比降。

2.6 計算結果分析

①工況一的計算結果分析

依據《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50287-008）[7]計算了常規土體發生管涌臨界水力比降Jcr的計算公式：

式中：γ'和γw分別是土的浮重度和水的重度。

經過計算得到基坑土體的臨界水力比降，見表2。

表2 基坑土體臨界水力比降

根據工況一條件下的計算結果可知：A-A 剖面水力比降為1.412，而基坑底部逸出面地層為粉土，其臨界水力比降為1.429，計算結果接近臨界比降，有一定的可能發生管涌，應加以防范；B-B剖面水力比降為0.367，小于臨界比降，較為安全。

②水力比降隨水位的變化規律分析

在工況一到工況五的條件下，根據滲流分析的結果，基坑底部的逸出面的水力比降與長江水位的變化關系見圖6。

圖6 水力比降隨水位變化關系圖

由圖6 可知，隨著長江水位的增長，計算的A-A 剖面、B-B 剖面水力比降的數值都會隨之增長。且水位由12.2m增長到12.4m 時，水力比降的增長幅度最大。因此，在做基坑防護時，水位越高，基坑的防護等級也要隨之提高。

隨著長江水位的增加，對A-A 剖面計算獲得的坑底水力比降較B-B 剖面增大幅度大且顯著。當長江水位增加至13m 時，水力比降達到1.438，超過基坑底部土體發生管涌的臨界水力比降。因此，隨著水位增高，基坑底部發生管涌的可能性逐漸增大。因此，需密切關注坑外水位上升過程中基坑底部是否發生管涌，并做好防止管涌的加固預案。

3 結論

本文以沿江粉細砂地層某深基坑為背景，基于有限元方法開展了基坑開挖過程中汛期高水位條件下滲流分析，得到了在汛期高水位下基坑及周圍土體的孔隙水壓力，壓力水頭以及總水頭分布情況；根據滲流分析結果確定基坑逸出點以及逸出點的水力比降，判斷是否滿足要求是否會發生管涌。根據現場水位情況，得出在長江水位超過13m 時，基坑底部地層可能會發生滲透破壞。通過上述研究為沿江基坑設計與施工提供了參考。