基于渗流场变化的基坑止水帷幕缺陷判别研究与实践

庞振勇 崔王洪

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)



基于渗流场变化的基坑止水帷幕缺陷判别研究与实践

庞振勇 崔王洪

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

止水帷幕存在缺陷一直是基坑工程中的重大风险，若能在基坑开挖前判断出止水帷幕缺陷的位置，便能预先采取加固堵漏措施，可避免基坑开挖时的风险。局部渗漏必然会引起附近渗流场的变化，利用有限元软件ABAQUS分别对缺陷的长度、深度以及土体渗透性与帷幕外侧渗流场分布规律的关系进行研究，得出不同工况下缺陷对渗流场分布的横向和竖向影响范围变化规律，证明了根据流速变化判别缺陷存在及位置、规模的可行性。提出采用声纳法可对土体中渗流场分布进行检测，进而可根据渗流场分布判别出缺陷的规模与位置。通过工程实践，验证了研究结论及声纳法检测技术的准确性，为轨道交通深基坑工程止水帷幕缺陷判别提供指导和借鉴方法。 关键词 城市轨道交通；声纳法；渗漏检测；ABAQUS软件；渗流场

地下水的处理一直是透水地层深基坑工程中的重点和难点，对于地质条件复杂、环境保护要求高的区域，止水帷幕若存在缺陷，将导致基坑内外水力联系无法隔断，基坑开挖时会引起坑外地面沉降，从而对周边环境造成较大危害。

1 研究现状

目前工程中多是采用观测坑外水位，通过坑内预降水后坑外水位变化来判断是否存在止水帷幕缺陷，但实际工程中土层条件非常复杂，用此方法并不能准确判别缺陷的位置及规模。为找到一 种 方 法，对 渗 漏进行检测，并对渗漏点准确定位，从而在工程实施前采取预加固措施，国内外已经进行了大量的研究与实践。

高密度电阻率法利用水的流动对地层电阻率分布的影响，在同一剖面上测量不同位置和深度的土体电阻率，分析电阻率分布规律的异常，即可确定地层中渗漏的位置与规模[1-2]。瞬变电磁法通过不接地回线向地下发射一次脉冲磁场，地下低阻介质产生感应涡流并在衰减中产生二次磁场传至地面回线。通过对地面接收的二次磁场空间分布规律的研究，判别出渗漏的位置[3]。探地雷达法利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，通过天线发射入地下，经过地层差异性反射，再由地面的另一天线接收，对接收到的信号进行处理分析，可知地下介质的空间结构情况并判断出渗漏的位置[4-5]。同位素示踪法将利用放射性同位素制作的示踪液投入待检测区域水中，若附近存在渗漏点，示踪液会随着水体流动，在渗漏点附近集中并被附近土体吸附，通过核探测器检查附近的核辐射量即可判断出渗漏点位置及规模[6-8]。温度示踪法地层的温度随着深度的增加呈规律性变化，但渗漏引起的水流变化会引起温度场分布异常，通过在一定位置钻孔并埋设光纤测量地层温度，即可根据温度分布异常判别出渗漏点位置[9-12]。以上各种检测方法，受检测精度、污染或技术条件的制约，且其经济性和便利性较差，因此在工程中的应用受到一定的限制。声纳法利用声波在水体中传播的方向特性(若与水体流动方向相同其传播速度加快；若相反，则会减慢)，通过采集地层中的声波信号进行处理即可得到土体中的渗流场分布，并进一步分析出渗漏点的位置及规模[13]。此方法轻便、高效、精确，且经济性较好，能够很好地应用于各种规模工程的渗漏检测。

目前声纳法主要用于水利大坝工程渗漏点检测，在深基坑特别是地铁基坑工程中应用较少，理论仍需进一步完善。本文旨在通过有限元模拟，研究地层中三维渗流场分布规律。通过对比不同渗漏参数对地层中渗流场分布规律的影响，根据渗漏点位置及规模判别声纳法检测技术的可行性,为此提供理论依据，并为其工程应用提供指导。

2 基本理论

由于土体孔隙的形状和大小很不规则，地下水沿孔隙流动的实际路径十分复杂，通常研究时假设其符合达西定律。采用有限元法进行计算，需为所取模型设置合适的边界条件。在渗流计算中，通常采用二类边界[14]。

2.1 第一类边界(定水头边界)

对模型边界给定一固定水头值，并认为其在计算过程中保持不变。

(1)

2.2 第二类边界(定流量边界)

认为模型边界处单位时间内的流量为一定值，不随时间变化。

(2)

式中，kn为边界上外法线方向的渗透系数；n为边界的外法线方向。

Γ1和Γ2构成了三向空间渗流场的全部边界。

3 计算模型

3.1 基本假定

在数值模拟计算时，为了有针对性地分析所关注的对象，将忽略掉一些次要影响因素，在模拟时采取一些假定，具体如下[15]。

1) 假定土体为均质材料，力学参数各向同性，且在计算过程中土体的密度、弹性模量、渗透系数等参数保持不变。

2) 管井降水之前，土体已在自重作用下完成固结。

3) 设止水帷幕为均质、连续弹性体，假定其渗透系数为0。

4) 为使渗流规律更加明显，假定止水帷幕为悬挂式止水帷幕。

3.2 模型尺寸

如图1所示：取基坑大小为100 m×100 m，土体范围400 m×400 m，止水帷幕按连续墙体考虑，厚度为1 m，长度为35 m。基坑深度为14 m，取含水层厚度为50 m，下部10 m为渗透系数较小的岩层，为相对隔水层，模型竖向共60 m。

图1 模型尺寸

3.3 边界条件

通常，第一类边界条件在渗流刚开始时对渗流场的分布起到支配作用，所以在进行非稳定渗流计算时，必须确定渗流场的初始水头分布条件。

假定影响范围之外的土体和流体受基坑降水的影响可忽略不计，故在土体四周边界约束水平方向位移，流量边界取定水头边界，静水压力从地面开始呈线性分布；土体底部约束3个方向的位移。坑内设置降水井，在降水井底部设置流量边界，通过调整流量大小控制坑内水位降至坑底以下1 m深度。

3.4 材料参数

以基坑工程中所遇到的较不利土层(粉土、粉砂层)为研究对象，参照JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》所提供岩土层渗透系数k的经验值，取土的渗透系数在0.5～2.5 m/d之间，土体黏聚力c=8 kPa、φ=30°，其他物理参数如表1所示。

表1 材料参数

4 计算结果及分析

通过建立有限元模型，分别研究止水帷幕存在缺陷时，其尺寸、深度及土体的渗透性对渗流场分布规律的影响。因实际工程条件十分复杂，为定性研究不同因素的影响，数值分析时采用单因素变化的方法对比研究。

考虑到实际施工的便利性，流速检测孔宜设置在帷幕外侧一定距离且对应桩(墙)接缝处，在帷幕外侧1 m处取平行于帷幕方向的2-2剖面(见图1)，如图2流速分布云所示，在距缺陷中心线(缺陷位置1-1与2-2剖面的交线)不同距离处分别提取沿土层竖向不同深度的流速数据，并对比分析，研究缺陷对周边土体中三维流速分布的影响规律。

图2 2-2剖面上数据提取位置

取标准工况下止水帷幕深度35 m，降水井深度25 m，土体渗透性按各向同性处理，水平、竖向渗透系数均为0.5 m/d。各单因素分析时，其他参数均与标准工况相同。

4.1 止水帷幕缺陷长度的影响

研究缺陷尺寸变化时，帷幕外侧流速分布变化规律。考虑缺陷未完全贯通，缺陷体处的渗透系数小于周边土体，取值0.25 m/d。考虑到实际工程中若止水帷幕出现缺陷，一般在墙(桩)接缝处，缺陷形状多为长条形，取缺陷宽度为0.1 m(以下分析中，缺陷宽度均按帷幕接缝止水局部失效后因垂直度偏差产生缝宽的平均值0.1 m计取，厚度同止水帷幕)，缺陷中心埋深为9 m(以下缺陷深度即指缺陷中心深度)，竖向长度分别取0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 m。

由图3可以看出，止水帷幕缺陷体处流速值远大于2-2剖面上缺陷深度处流速值且分布规律相反。在缺陷宽度相同的条件下，缺陷体处流速值变化与长度呈反比关系。当缺陷长度大于1 m后，最大流速值随长度增大而减小的速率降低。原因是缺陷尺寸变小造成过流断面也减小，引起局部流速急剧增大，但随着缺陷长度的增加，其影响逐渐减小。帷幕外侧1 m处与缺陷体处最大流速值分布规律相反的原因是：缺陷尺寸较小时，虽然缺陷体处因过流断面小而流速增大，但其对帷幕外侧土体中流速分布的影响范围随缺陷尺寸减小而减小。

图3 缺陷体与2-2剖面缺陷深度处最大流速值变化

由图4可以看出，存在缺陷时，缺陷深度附近流速值明显大于帷幕完整时的数值。当缺陷长度较小时(小于1 m)，随着长度的增加，缺陷深度附近的流速值明显增大，但当缺陷长度较大时(大于1 m)，其影响范围远大于1 m，缺陷长度增加对在帷幕外侧1 m剖面中心线上缺陷深度处的流速峰值影响较小，故缺陷深度附近的流速值变化不大，只是流速异常变化的深度范围随缺陷长度的增加而增大。因此，凭借流速值大小无法判定缺陷规模，但可根据流速异常变化的竖向范围确定缺陷的长度。

图4 缺陷中心线流速值分布(长度影响)

结合图5可以看出，缺陷长度增加，其横向影响范围随之增大。缺陷长度为0.2 m时，距离缺陷中心线6 m处流速值变化较小，因此为保证检测的精确度，帷幕外侧的测点需保证一定的密度，测点距离缺陷隐患处不宜大于6 m。

图5 距缺陷中心线不同距离处流速值分布(长度影响)

4.2 止水帷幕缺陷深度的影响

取帷幕缺陷长度均为2 m，缺陷中心埋深(缺陷深度)分别为9、13、17、21、25 m，考虑缺陷未完全贯通，缺陷体处的渗透系数按周边土体的一半取值为0.25 m/d，对比分析缺陷深度对渗流场分布的影响。

由图6可以看出，随着缺陷深度的增加，流速值的变化主要出现在缺陷所处深度附近，其他部位基本不受影响，当缺陷长度相同的条件下，缺陷对渗流场的竖向影响范围随缺陷所处深度增加整体向下移动，影响范围大小并没有明显变化。

图6 缺陷中心线流速值分布(深度影响)

图7 距缺陷中心线不同距离处流速值分布(深度影响)

结合图7可以发现，与帷幕完整时对比，当缺陷所处深度为9 m时，距离缺陷中心8.5 m的缺陷所处深度的流速变化异常仍非常明显，当缺陷所处深度为25 m时，距离缺陷中心6.0 m的流速变化已趋于平缓。这说明，随着缺陷所处深度的增加，其横向影响范围逐渐减小，原因在于随着深度的增加，流速值越来越大，缺陷引起的流速值的增加与相应位置正常情况下的流速相比越来越不明显。因此，应根据实际工程中止水帷幕深度的增加，适当加密横向数据采集点。

4.3 土体渗透性的影响

取缺陷中心埋深为9 m，缺陷长度为2 m，土体的渗透系数取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m/d 5种工况，考虑缺陷未完全贯通，缺陷体处的渗透系数取值为周边土体的一半，对比分析土层渗透性对渗流场分布的影响。

由图8可以看出，流速值随着渗透系数的增大而明显增加，但增加幅度逐渐降低，说明随着渗透系数的增大，其对流速值的影响逐渐降低。结合图9可以看出，随着土体渗透系数的增加，缺陷的横向和竖向影响范围并没有明显变化，但渗透系数较小时，流速值整体较小，对流速测量的精度要求更高，故测点分布密度应结合实际地层参数确定。

图8 缺陷中心线流速值分布(渗透性影响)

图9 距缺陷中心线不同距离处流速值分布(渗透性影响)

5 实践应用

5.1 测量原理

若被测水体存在渗流，则必然在测点附近产生渗流场，而水体的流动必然会产生声波，声波在水体中传播的方向若与水体流动方向相同，其传播速度加快；若相反，则会减慢。声纳法渗流检测技术，正是利用声波在水中的优异传播特性，实现对水体流速场的测量，通过在检测孔不同深度处采集渗流所产生的声波信号，并对接收到的信号进行处理，可判断渗流场分布是否存在异常，进而判断出是否存在缺陷及其位置。根据《水工混凝土缺陷检测技术规程》(SL713-2015)中的要求，声纳流速矢量测量仪测量流速精度应达到8.64×10-3m/d(1×10-5cm/s)，可精确检测到透水性高于弱透水地层的流速变化，目前市场上工程应用的声纳矢量测量仪均能满足规范要求。

5.2 工程实践

基于上述渗流场理论研究成果并结合声纳法检测原理，在南京河西新鸿基CBD项目的基坑工程中进行了抽水试验，并利用声纳法渗流检测技术对地下连续墙的质量进行检测，采用的DB-5型声纳测量仪精度为8.64×10-3m/d，判别出了地下连续墙结构存在缺陷的位置并进行修补，有效保证了基坑开挖的顺利进行。

5.2.1 工程概况

本工程位于南京地铁1、2号线元通站东南侧，场地为长江漫滩地貌单元，基坑长250 m，宽105 m，开挖深度为20.3～22.8 m。东北侧和西侧平行基坑方向有运行中的地铁1、2号线隧道，基坑北侧距1号线隧道仅13.6 m，距车站风亭仅5.8 m，西侧距离2号线元通站最近出入口约为11.5 m。

基坑支护结构采用1 m厚地下连续墙加4道钢筋砼内支撑体系。为确保基坑开挖承压水稳定并减小坑外水位变化对既有地铁结构的影响，地下连续墙插入不透水风化岩3.5 m，隔断承压水层，形成封闭隔水体系。

根据地勘资料，基坑开挖范围及坑底到基岩面之间存在较厚的粉细砂层，因此工程对止水帷幕的隔水效果要求非常高。为保证帷幕(地下连续墙)的质量，避免基坑开挖对周边环境的影响，采用声纳法渗流检测技术对工程止水帷幕质量进行检测。

图10 渗流检测孔布置

考虑到地连墙帷幕缺陷多是出现在墙幅接缝处，故观测孔结合地连墙分幅，在临近地铁侧沿基坑边对应地连墙接缝处设置，并根据施工日志的记录选择存在质量隐患的位置重点检测。观测孔布置如图10所示。检测孔统一布置在帷幕外侧1.2 m的位置。

5.2.2 数据分析

根据各测孔所得数据，分析得出不同测孔的竖向流速分布曲线，发现有个别测孔流速分布有异常，如图11所示黄色块部位。

图11 止水帷幕渗漏检测数据三维分布及剖面

第4节研究结果表明，当止水帷幕存在缺陷时，其所在深度附近一定范围内的流速值异常变化都会比较明显，因此试验数据中流速异常变化范围较小时可以忽略。图11中数据表明，有6个测孔在15～25 m深度范围出现了较大的渗漏流速值，分别为S2、S4、S6、S12、S21、S24，尤其是S12孔和S24孔两个测孔的流速值最大，它们的渗透流速最大值分别达到了15 m/d和4.6 m/d，推测是由于此处缺陷规模较大且缺陷所处地层渗透性较强。在35～55 m深度范围也有4个测孔的数据明显较大，分别为S2、S25、S26、S27，尤其是S25测孔的流速值最大，渗流流速最大值均超过1 m/d。根据对比可以初步判定这些测孔附近的止水帷幕在相应深度范围内存在渗漏(见图12)。

根据4.1节关于缺陷尺寸对渗流场的影响规律的讨论可以判断，测孔S12和S24附近的止水帷幕缺陷尺寸最大。对S24孔数据进行处理得到三维成像(见图13)，发现该测孔在深度17.25 m附近流速明显大于其他区域，可判断此测点附近止水帷幕存在渗漏，根据流向数据可判断渗漏点与测孔在平面上的方向关系，进而可综合判定帷幕缺陷的具体位置。根据此方法对其他测孔数据进行处理，可综合判断出不同区域渗漏点的具体位置。

本次检测之后，根据检测结果，对渗漏量较大的S2、S12、S21、S24、S25和S26附近的地下连续墙接缝处采用了高压旋喷桩预加固，加固深度范围为5.0～60.9 m。在基坑开挖过程中对存在渗漏的位置进行验证，如图14所示，S24孔附近地下连续墙在地下17.25 m附近接缝处确实存在施工缺陷，因在开挖之前采取了预加固措施，故基坑开挖期间并未出现明显渗漏，开挖得以顺利进行，验证了上述理论分析及声纳法检测技术的可行性与准确性。目前该工程已顺利通过竣工验收，南京河西长江漫滩后续的几个深基坑工程也采用了此技术进行基坑止水帷幕渗流检测，均取得良好效果。

6 结论

1) 缺陷的存在导致附近渗流场出现明显变化，进一步发展会引起周边土体的破坏。缺陷长度较大时，缺陷长度的增加对帷幕外侧一定距离处缺陷深度附近的流速值影响减小，根据检测流速值无法判定缺陷的规模，可根据流速异常变化的范围确定缺陷长度。为保证检测精度，测点距离缺陷隐患位置距离不宜大于6 m。

图12 各测孔流速沿深度分布曲线

图13 S24检测数据三维成像图

图14 渗漏缺陷处开挖验证

2) 随着缺陷所处深度增加，缺陷对渗流场的竖向影响范围没有明显变化，但横向影响范围有所减小，因此缺陷所处深度不同时仍可根据其竖向影响范围确定缺陷尺寸，但应根据所要检测的帷幕深度选择适当的测孔间距。

3) 土体渗透系数增大时，渗流场的横向和竖向影响范围没有明显变化，但土体渗透系数较小时，因流速值较小，所以对流速测量的精度要求较高，故测点分布密度应根据实际地层参数确定。

4) 根据现场检测数据，结合数值分析得出各种因素对渗流场分布的影响规律，推测出工程渗漏风险点并预先采取加固措施，保证了工程顺利完工，验证了研究结论的正确性，可为类似轨道交通深基坑工程利用声纳法渗流检测技术判别帷幕缺陷位置及规模，提供指导和借鉴意义。

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(编辑：郝京红)

Research and Practice on Identifying Defects of Waterproof Curtain for Excavation Engineering Based on Changes of Seepage Field

Pang Zhenyong Cui Wanghong

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing, 100037)

The existence of defects in the sealing curtain has been a major risk in a pit project. If the location of defects of a water curtain can be identified before a pit is excavated, measures of plugging and reinforcement can be taken in advance to avoid the risk of pit excavation. The local seepage will inevitably cause the change of the seepage field. The relationship between the length and depth of the defect and the distribution of the seepage field of the curtain is studied by the finite element software ABAQUS. The variation of horizontal and vertical influence scope of defects on the seepage field under different conditions are explored. It is proved that it is feasible to determine whether the defects exists, where they are located and how large they are. It is proposed that the distribution of seepage field in soil can be detected by sonar method, and the size and position of defects can be detected according to the distribution of the seepage field. Through the engineering practice, it verifies the conclusion of the research and the accuracy of the sonar method, and provides guidance and references to detecting defects of waterproof curtain for deep excavation engineering in urban rail transit projects.Key words: urban rail transit; sonar technology; leakage detection; ABAQUS; seepage field

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.020

2016-08-04

2016-10-23

庞振勇，男，硕士，高级工程师，从事轨道交通结构设计研究工作，41676902@qq.com

U231

A

1672-6073(2016)06-0099-07