砂卵石基坑施工降水及渗流安全评价

谷海青,杨 楠，史长莹，*

(1. 河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050035; 2. 黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080)

砂卵石基坑施工降水及渗流安全评价

谷海青1,杨 楠2，史长莹2，*

(1. 河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050035; 2. 黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080)

工程降水是确保基坑施工安全，防止基坑开挖时由于压差作用产生渗流现象出现流砂、基底涌砂隆起的有效措施之一。以南水北调中线SG6标段基坑降水为例，依据所进行的换填土室内击实实验、野外碾压实验等所得到的实验数据，建立渗流模型，分别在Vensim PLE环境和MATLAB环境下进行模拟。研究了不同工况渗透流量随时间变化的过程，得出了对工程实践具有指导意义的结论，有限时间内的施工降水不会导致大量地下水损失，所产生的影响对距离渠道1 500 m以外的地区可以小到忽略不计的程度，供施工单位和工程评价参考。

砂卵石基坑；工程降水；渗流；仿真模拟

0 引 言

南水北调中线工程起点为丹江口水库库区的陶岔渠首，终点为北京、天津。总干渠全线长1 277 km，天津干渠全长155.0 km，跨越4大流域[1]。

南水北调中线工程漳古段的SG6标段中所含的地下水高于渠底，形成的渗流位于渗透性强的砂卵石层中，渗流所产生的危害对基坑的影响十分巨大，直接威胁到渠道基坑的稳定和安全[2]。因此对渠道基坑的渗流情况进行分析，可得到基坑内部的渗流情况，在此基础之上，确保渠道基坑的安全，减少对周围地下水环境的影响。研究结果可以在南水北调中线工程施工过程中遇到的类似问题时提供指导和技术借鉴，具有较重要的工程意义和实际价值[3]。

1 换填土室内击实实验

本文对SG6标段渠道膨胀土换填段、堤身填筑、截流沟土方回填以及倒虹吸、渡槽进出口和分水口段非高塑性黏土填筑区等部位的土方填筑进行换填土室内击实实验，在标准击实方法下测定换填土的最大干密度和最优含水率[4]，实验数据见表1。

表1 换填土室内击实实验数据

Table 1 Indoor compaction test data of replacing and filling earth

含水率/%湿密度/g·(cm3)-1干密度/g·(cm3)-1平均干密度/g·(cm3)-1压实度/%16.1715.382.022.011.741.741.749815.3816.082.012.031.741.751.759815.6916.072.022.031.751.751.759816.0816.142.032.011.751.741.7598

由表1数据可绘制出干密度与含水率之间的关系曲线见图1，由此可得：最大干密度为1.76 g/cm3，最优含水率为16.0%，设计压实度≥98%，满足设计要求。

2 Vensim仿真模拟

Vensim PLE全名为Ventana Simulation Environment Personal Learning Edition，即Ventana 系统动力学模拟环境个人学习版[5]。

使用Vensim处理问题的一般过程见图2。

图2 使用Vensim处理问题的一般过程Fig.2 Processes in general of solve problem using Vensim

如果将地下水渗流过程看作是系统随时间变化的动态行为，则以上理论基础反映了系统的内部结构和系统内各要素的关系。通过流图方式描述渗流系统，可以得到基于SD的渗流模型[6]，见图3。

分别令H1=7、5、2 m，在Vensim PLE中运行模型，见图4。相应的渗透流量随时间的变化趋势与水深H1的大小无关，渗透流量先逐渐增大，达到某一最大值后逐渐减小，最终趋近于某一个稳定值。当H1=7、5、2 m时，其相应的渗透流量Q分别趋近0.111、0.075、0.027 m2/h[4]。

图3 基于SD的渗流模型Fig.3 Seepage model based on SD

图4 在Vensim PLE中运行模型Fig.4 Operational model depending on Vensim PLE

3 Matlab仿真模拟

Matlab是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面友好的用户环境。它还包括了ToolBox(工具箱)的各类问题的求解工具，可用来求解特定学科的问题[7]。其特点是：①可扩展性;②易学易用性;③高效性。

Matlab语言渗流分析的界面(图5)：

图5 Matlab渗流分析的界面Fig.5 Seepage analysis interface of Matlab

clear

t1=0:1:96;

H1=0.5/24*t1;

t2=96:0.01:3 000;

H2=2;

t3=0:1:240;

H3=0.5/24*t3;

t4=240:0.01:3 000;

H4=5;

t5=0:0.01:336;

H5=0.5/24*t5;

t6=336:1:3 000;

H6=7;

plot(t1,H1,'r',t2,H2,'r',t3,H3,'k',t4,H4,'k',t5,H5,'b',t6,H6,'b');

axis([0 3 000 0 8])

title('H');

xlabel('Time(Hour)');

legend('H1=2m','H1=5m','H1=7m');

通过Matlab可得：地下水渗透流量随时间的变化趋势与水深H1无关：渗透流量增大到峰值之后逐渐减小，最终趋于稳定，H1=7、5、2 m时，相应的渗透流量Q趋近0.111、0.075、0.027 m2/h。

4 结 论

使用系统动力学模拟软件Vensim PLE与Matlab软件均可得出以上图像，并可根据图像的变化趋势得出相同的结论如下：

1)地下水渗透流量随时间变化的趋势规律与水深H1无关。

2)有限时间的施工降水不会导致大量地下水损失，所产生的影响对离渠道1 500 m以外的地区可以小到忽略不计的程度。

[1]张修真. 南水北调—中国可持续发展的支撑工程[M].北京:中国水利水电出版社,1999.

[2]王建华, 赵建世, 李海红, 等. 南水北调水资源综合配置研究[M].北京:科学出版社,2013.

[3]刘之平, 吴一红, 陈文学. 南水北调中线工程关键水力学问题研究[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[4]李学军. 南水北调中线砂卵石基坑的渗流分析[J].黑龙江大学工程学报,2013, 4(2):19-22.

[5]赵继俊. 优化技术与MATLAB优化工具箱[M].北京:机械工业出版社,2011.

[6]王瑞骏, 陈尧隆. 层状坝基岩体的渗流机理及其深层抗滑稳定分析[J].中国农村水利水电,2010,(11):26-28.

[7]李广信, 刘早云, 温庆博. 渗透对基坑水土压力的影响[J].水利学报,2011,(5)：75-80.

Construction dewatering and seepage safety evaluation of sandy gravel foundation pit

GU Hai-Qing1,YANG Nan2,SHI Chang-Ying2,*

(1. Hebei Province Construction of the South-to-North Water Diversion Project Management Office, Shijiazhuang 050035, China; 2. College of Water Conservancy and Electric Power, Heilongjiang University, Harbin 150080, China)

The construction dewatering is one of the effective measures to prevent the harm caused by seepage flow phenomenon when foundation pit is excavated, the seepage phenomenon is generated by the differential pressure to ensure the safety of foundation pit’s construction. In this dissertation,SG6 bid section middle route’s excavation dewatering in the South-to-North Water Diversion Project is taken for example, establish the seepage flow model and simulate in the environment of Vensim PLE and MATLAB respectively. According to the experimental data obtained by an indoor compaction test and a field rolling test of replacing and filling earth. The seepage flow changes over time with different H is developed by studying the process in order to get some conclusions which has big significance for engineering practice. The water pumping has limited effected in ground loss in construction period. The loss of underground water is negligible at the area outside 1 500 m of the channel, which is useful for further study and engineering evaluation.

sandy gravel foundation pit；construction dewatering；seepage；simulation

10.13524/j.2095-008x.2015.03.042

2015-05-10;

2015-07-05

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20150817.1057.002.html

河北省南水北调工程科技项目

谷海青(1973-)，女，河北定州人，高级工程师，研究方向：水利工程，E-mail：haiqinggu@sohu.com；*通讯作者：史长莹(1964-)，男，河北乐亭人，教授，博士，研究方向：水利工程，E-mail：shicy2004@126.com。

TV551.41

A

2095-008X(2015)03-0032-03