卡塔尔多哈新港挖入式港池基坑渗流数值模拟计算

张培，姚斌

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

卡塔尔多哈新港挖入式港池基坑渗流数值模拟计算

张培，姚斌

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

基于中东滨海地区多哈新港项目，通过有限元数值模拟，研究基坑渗流量与基坑深度、基坑距防渗墙距离以及防渗墙入土深度之间关系，得出以下结论：随着基坑开挖深度的增加，渗流量逐渐增大，海侧、陆侧渗流量逐渐趋于相同；随着基坑距防渗墙距离的增加，渗流量逐渐减小，但减小幅度逐渐减缓，存在一个约为200m的“最佳距离”；防渗墙入土深度的增加可有效的减小基坑渗流量，但随着防渗墙入土深度的加大，对减小基坑渗流量效果愈发不明显，存在一个约为9m的“最佳深度”。

基坑；渗流；有限元数值模拟；浸润线；渗流量

0 引言

近年来，挖入式港池作为港口平面布置的一种常用布置形式，在我国内河港口建设中正逐渐被采用，常见于江苏、湖南两省。相对国内而言，挖入式港口平面布置形式在国外应用较为广泛。斯里兰卡汉班托塔海港[1]以及卡塔尔的多哈新港[2]均采用内挖式港口。前者通过土石围堰提供陆域港口施工条件，后者通过设置防渗墙提供陆域港口施工条件。相对水下施工，陆域港口施工更加节约成本、能够有效地缩短工期并能够实时监测工程质量。

卡塔尔是一个正在快速发展、起点高、与国际化标准接轨环保要求严的准高端建筑市场。根据卡塔尔多哈新港工程施工方案，港池、码头基槽及内防波堤基槽基础约400万m2，且均采用干施工开挖。然而，现场地下水位较高，砂层、石灰岩双层强透水层中地下水均与海水联系密切。因此，为满足深基坑干施工条件，减小基坑渗流成为工程顺利开展的关键因素之一。本文在已有研究的基础上[3]，通过有限元数值模拟，就如何有效减小基坑渗流量展开研究。

1 有限元数值模拟

1.1 工程概况

多哈新港项目为大型内挖式港口，码头岸线长达7 845 m，另有2.76 km的防波堤，约6 500万m3的土石方开挖。码头结构形式为重力式方块码头，最大挖深为-19.7 m，港池底标高为-17 m。根据施工方案，港池、码头基槽及内防波堤基槽基础约400万m2均采用干施工开挖。多哈港区平面布置如图1所示。

图1 多哈港平面布置图Fig.1 Layout of Doha Port

1.2 工程地质条件

本工程区域为典型的中东地区滨海地貌，场区地势平缓，地表高程为2.0 m，开挖港池距海岸线1 km左右。区域地质分布均匀，自上而下分别为砂层、胶结砂层、强风化石灰岩及石灰岩，具体土层厚度以及土层参数见表1。

表1 土层地质参数Tab le1 Geologicalparameter ofsoil layer

1.3 有限元模型

根据实际工程情况，由图1可知，基坑左上部为海域，右下为陆域，在有限元数值模拟中海侧、陆侧主要通过地下水位来反映，因此，本文采用的有限元模型为二维轴对称形式，只需改变地下水位参数，即可分别研究基坑海侧、陆侧地下水渗流量，而整个基坑的渗流量为海测、陆侧渗流量之和。图2为基坑简化模型，基坑由两级边坡组成，第一级边坡坡度1∶3，坡宽18 m，两级边坡中间设宽5m的平台，第二级边坡坡度为1∶0.5，坡宽由基坑深度控制，基坑底宽50 m，轴对称取25 m；防渗墙为宽0.4 m的不透水墙体；坑底以下取2倍坑深作为计算深度。

图2 基坑简化模型Fig.2 Sim p lifiedm odelof foundation p it

对于模型的边界条件，区域的所有边界都约束X和Y两个方向的位移，不考虑土体与水的压缩变形对于基坑渗流的影响。海侧、陆侧模拟计算中，地下水位均平行于AB，其中海侧地下水位取高程0 m位置。陆侧地下水位根据实际排水井测量水位取值为-3m，由于AC距离防渗墙50m，其距基坑较远，受基坑降水的影响不大，在此位置设置沿高程线性变化的孔压以满足固定水头条件，具体参照文献[9]；基坑底部和坡面均设为可排水边界。

1.4 计算方案

本文主要研究基坑深度H、基坑距防渗墙距离L以及防渗墙入土深度h对基坑浸润线位置以及渗流量的影响。设计基坑深度H分别为14 m、16 m、18 m、20 m，基坑距防渗墙距离L分别为0 m、200 m、400 m、800 m，防渗墙入土深度h分别为0 m、4 m、8 m、12 m。具体数值模拟方案见表2。

2 计算结果分析

参照表2中基坑深度H、基坑距防渗墙距离L以及防渗墙入土深度h建模，计算各试验组海侧、陆侧二维基坑单宽渗流量。记入表3中，以A1组为例，给出基坑浸润曲线，如图3所示，由图3可知，当防渗墙入土一定深度时，其对于降低水头效果是非常明显的，在防渗墙左右两侧存在一定的水头差，从而可以有效的减少基坑开挖渗流量。

表2 数值模拟方案Tab le2 Numerical sim ulation scheme m

表3 各试验组海侧、陆侧渗流量Tab le 3 The seaside and landside seepage flow ofeach experimentalgroup

图3基坑浸润线Fig.3 Infiltration linesof foundation pit

2.1 基坑开挖深度对渗流的影响

本文中设计试验组A1～A4研究基坑深度与渗流量的影响。由表3可知，无论海侧与陆侧，随着基坑深度的增加，基坑渗流量均加大。

由图4可知，在基坑开挖深度小于18 m时，海侧的渗流量明显大于陆侧，这主要是因为海侧地下水位高于陆侧；随着基坑开挖深度的继续加大，浸润线与基坑边坡交界点的位置提高，防渗墙不能在有效的浸润线与基坑边坡交界点的较低位置，从而导致无论海侧还是陆侧，基坑渗流量相差不大。

图4 渗流量与基坑开挖深度的关系曲线Fig.4 Relation cu rve of the seepage flow and the foundation pitexcavation dep th

2.2 基坑距防渗墙距离对基坑渗流的影响

防渗墙的作用在于降低浸润线与基坑开挖边坡的交界点位置，从而减小基坑渗流量。根据图3，当防渗墙深度一定时，基坑距防渗墙距离的增加，可以有效的降低基坑边坡与浸润线交界点的位置，从而减少基坑渗流量。

本文设计试验组B1～B4研究基坑距防渗墙距离对渗流量的影响，由图5可知，随着基坑距防渗墙距离的增加，无论海侧、陆侧基坑渗流量均可得到有效的减小，当距离增加到一定程度时，距离对于基坑渗流量的影响逐渐减小。也就是说，防渗墙对于降低浸润线在防渗墙周围一定范围内是有效的，存在一个“最佳距离”，图5中“最佳距离”为200 m。

2.3 防渗墙入土深度对基坑渗流的影响

图5 渗流量与防渗墙距基坑距离的关系曲线Fig.5 Relation curve of the seepage flow and the distance between diaphragm walland foundation pit

防渗墙入土深度的增加可以有效的减小渗透量，这在土石坝中已有研究[4]。本文中设计试验组C1～C4研究防渗墙深度对于基坑渗流量的影响，由表2可知，无论海侧还是陆侧，随着防渗墙深度的增加，基坑渗流量均呈减小的趋势。由图3可发现，渗流通过墙体后水头损失较大，浸润线在防渗墙处产生较大的跌落，墙后浸润线得到降低，渗流量和渗透比降均有显著的减小，从而达到降低基坑渗流量的效果。

从图6可知，海侧渗流量明显大于陆侧渗流量，对海侧渗流量、陆侧渗流量以及总渗流量而言，其随着防渗墙深度的增加渗流量均发生递减，当防渗墙深度增加到9m左右时，随着防渗墙深度的继续增加，渗流量基本保持不变，这一特点在总渗流量曲线中尤为明显，即防渗墙入土深度亦存在“最佳深度”，图6中“最佳深度”为9 m左右。

图6 渗流量与防渗墙深度的关系曲线Fig.6 Relation curve of the seepage flow and the diaphragm walldepth

3 结语

本文以实际工程为研究对象，通过有限元数值模拟，分析研究基坑渗流量与基坑深度、基坑距防渗墙距离以及防渗墙入土深度的关系，得到以下结论：

1）随着基坑开挖深度的增加，渗流量逐渐增大，且海侧、陆侧渗流量逐渐趋于相同；

2）随着基坑距防渗墙距离的增加，渗流量逐渐减小，但减小幅度逐渐减缓，存在“最佳距离”，且为200m；

3）防渗墙入土深度可有效的减小基坑渗流量，但随着防渗墙入土深度的加大，对减小基坑渗流量效果愈发不明显，存在“最佳深度”，且为9m。

本文研究结果有助于实际工程中最佳的基坑布置形式的选择，在港池平面布置设计时，应合理设计防渗墙深度、基坑开挖深度以及合理布置基坑与防渗墙相对位置，尽量减小基坑开挖过程中渗流量，对于加快施工、减小工程成本以及保证工程安全意义重大；对于港口工程而言，设计前关于不同平面布置方案进行数值计算分析，对于基坑开挖渗流优化港池防渗方案设计提供一定的参考。同时对于基坑渗流量控制，还有许多问题尚未解决，就本文而言，基坑断面中坡比的大小对于渗流量的变化情况亦是重点，为以后的基坑结构优化提供研究方向。

[1]莫文贺，夏林，周勇.汉班托塔海港利用泻湖建港技术创新实践[J].水运工程，2013（9）：60-63，78. MO Wen-he,XIA Lin,ZHOU Yong.Innovation&practice of Hambantota port construction in lagoon[J].Port&Waterway Engineering,2013(9):60-63,78.

[2]谢小明，梁小丛，陈胜.卡塔尔多哈新港回填料大型浸水模型试验膨胀性能研究[J].水运工程，2014（10）：34-38，52. XIE Xiao-ming,LIANG Xiao-cong,CHEN Sheng.Large-scale flooded embankment test for swelling characteristics of excavated material in new Doha port,Qatar[J].Port&Waterway Engineering, 2014(10):34-38,52.

[3]王昆泰，胡立强，吕凯歌.悬挂式帷幕条件下基坑渗流特性的计算分析[J].建筑科学，2006，26（1）：81-84. WANG Kun-tai,HU Li-qiang,LV Kai-ge.Analysis for seepage characteristic of deep foundation pitwith hanging impervious purdah[J].Building Science,2006,26(1):81-84.

[4]温丽林，潘金梁.悬挂式防渗墙对心墙土坝渗流量影响的初步研究[J].水利水运科学研究，1984（4）：62-66. WEN Li-lin,PAN Jin-liang.Primary study on influence of suspended cut-off wall for seepage flow of core wall earth dam[J]. Hydro-Scienceand Engineering,1984(4):62-66.

Numerical simulation of seepage of foundation pit of dig-in basin in Doha,Qatar

ZHANGPei,YAOBin
（CCCCFourth Harbor Engineering Investigation and Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510230,China）

The relationships between seepage flow in excavation foundation pit,the depth of foundation pit,the distance of foundation pit away from the cut-offwall and the buried depth of the cut-offwallwere researched based on Doha＇s New harbor large dug projects in the coastal areas of the Middle East.The following conclusions could be obtained by using finite element numerical simulation:seepage flow increased gradually with the increasing depth of excavation foundation pit,and the seaside and landside seepage flow tended to be the same gradually.Seepage flow decreased graduallywith the increasing distance from foundation pit to cut-off wall,but the amp litude was reduced gradually with a＇best distance＇,which is 200 m.Seepage flow could be reduced effectively through increasing cut-offwall＇sburied depth.Butwith the cut-offwall＇sburied depth increasing, the effectof reducing foundation pitseepagewasnotobviouswith a＇bestdepth＇,which is 9m.

foundation pit;seepage;finite elementnumerical simulation;infiltration lines;seepage flow

U653.32；U655.543

A

2095-7874（2015）05-0009-04

10.7640/zggw js201505003

2015-01-08

2015-03-06

张培（1983— ），男，河南焦作市人，硕士，工程师，岩土工程专业。E-mail：dddn2008@qq.com