建筑基坑防渗墙渗流控制效果研究

张家发 ，范士凯 ，陶宏亮，吴庆华

(1.长江科学院 a.水利部岩土力学与工程重点实验室；b.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉　430010；2.武汉华太岩土工程有限公司 ，武汉　430064)

建筑基坑防渗墙渗流控制效果研究

张家发1a,1b，范士凯2，陶宏亮2，吴庆华1a,1b

(1.长江科学院 a.水利部岩土力学与工程重点实验室；b.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉430010；2.武汉华太岩土工程有限公司 ，武汉430064)

摘要：虽然防渗墙在基坑渗流场控制中应用广泛，但是人们对于防渗墙作用效果的认识仍有不足。以武汉市常见的二元结构地基为背景，概化建立建筑基坑渗流场的典型模型，通过数值模拟分析揭示了防渗墙的渗流控制作用规律；以此为基础，结合工程实践，开展了防渗墙应用的研究。研究成果显示：落底式防渗墙对基坑渗流场具有显著的控制效果，但必须更加切实防止墙体出现缺陷，确保落底于可靠的防渗依托层之中；悬挂式防渗墙对基坑渗流场的控制作用效果随贯入度增加而得到有限的提升，应结合成本、工期、基坑排水量控制和基坑安全要求，综合研究确定合适的防渗墙贯入度；防渗墙与排水措施相配合才能形成有效的基坑渗流场控制体系，针对具体工程，需要在充分掌握地质条件、地表水文条件、邻近防洪工程、建筑物及其他设施等条件下，论证渗流控制方案，以达到保障基坑安全和有效控制对周边环境不利影响的综合效果。这些结论也可为地铁等市政工程基坑渗流控制提供借鉴。

关键词：基坑安全；防渗墙；贯入度；渗透比降；渗流控制；数值模拟

1研究背景

防渗是控制渗流场和处理地下水问题的重要手段之一。垂直防渗工程广泛用于水利水电工程的堤、坝及其基础，以及围堰及其基础的渗流场控制，包括防渗墙和帷幕工程。建筑基坑防渗措施又被形象地称为“隔渗”措施[1]，常见的是基坑周边垂直防渗措施，有些基坑工程也采用水平封底措施，以便与垂直防渗措施形成防渗体系。为了方便起见，本文将基坑工程的垂直防渗措施统一称作防渗墙，包括一般所称的隔渗帷幕和地连墙等。

关于水利水电工程防渗墙渗流控制效果的研究成果已经有了很多，尤其是关于悬挂式防渗墙作用效果的研究，其中一些重要结论对于建筑基坑具有借鉴和参考意义，如悬挂式防渗墙的渗流控制作用效果有限[2]。建筑基坑与水利水电工程基坑相似，但是又有其特殊性，例如建筑基坑不像水利水电工程基坑因为在河道内而直接面临洪水威胁，但建筑基坑一般规模较小，施工周期短，场地逼窄，常与已建工程相毗邻，防渗墙是更为常用的渗流控制措施，这既是基坑工程安全自身的需要，同时也是控制周围环境影响的需要。随着我国城市化的加速发展，市政工程，尤其是地下铁路工程正处于高速建设之中，使得一些城区基坑工程不断涌现，或者成串出现。

在建筑基坑的防渗墙应用过程中，对于防渗墙的渗流控制作用仍然有些模糊认识，具体表现可能有3种。一是对悬挂式防渗墙的效果感到困惑，影响到对防渗墙结构形式的选择；二是对悬挂式防渗墙作用效果过于乐观，结果是降低了对基坑排水措施的要求，并低估了其对于周围环境的影响；三是对于落底式防渗墙潜在风险认识不足，甚至有“效果再差都比悬挂式防渗墙好”的推断，导致质量意识的放松，对应用条件的忽视[3]，以及对于渗流控制失效的应急准备不足。

本文以二元结构地基为例，通过典型条件下建筑基坑及其附近渗流场的数值模拟，分析防渗墙的渗流控制作用规律，结合已有的研究成果和工程案例，对防渗墙应用的关键问题进行讨论，为其合理应用提供建议。

2典型条件下防渗墙的渗流控制作用规律

根据垂直于堤轴线断面上显示的结构形式，张家发等[2]将堤防工程防渗墙归纳为悬挂式、封闭式和半封闭式3类，并且已经被设计规范所采纳。建筑基坑防渗墙中，与悬挂式对应的非悬挂式被形象地称为落底式，这里有一个重要的前提：需要真正将防渗墙底部置于可靠的防渗依托层之中，不管防渗依托层是基岩还是第四系弱透水层，要能够与防渗墙一道构建成可靠的防渗体系。本节对典型建筑基坑渗流场进行数值模拟，分析揭示防渗墙的渗流控制作用规律。

2.1模型条件和研究方法

作为建筑地基的松散覆盖层，其中的地下水与大气和地表水联系密切。由弱透水层覆盖于强透水层上形成的二元结构地基，常常会形成承压含水层，为建筑基坑造成复杂的地下水条件，使得渗流控制成为保障基坑安全的重要措施。作为二元结构地基的典型例子，下面简略介绍武汉市汉口地区长江一级阶地的地层结构和水文地质条件[4-5]，以便概化得出具有典型意义的模型条件。

汉口地区长江一级阶地上部弱透水层以冲积、湖积黏性土为主，表部常覆盖有填土层，下部以粉质黏土、粉土、粉砂互层过渡到强透水层；强透水层由上至下依次为粉砂、粉细砂、中粗砂夹砾石层，渗透性逐渐增强，直至常被落底式防渗墙设计中选作防渗依托层的基岩。长江、汉江与承压含水层之间具有直接的水力联系，且相互之间季节性变换补给排泄关系。汉口地区20 m上部弱透水层厚10～20 m，强透水层厚20～30 m。长江汉口站水位(吴淞高程)历史最高值(1954年8月)为29.73 m，最低值(1865年2月)为10.08 m。汛期，长江水位常常高出城区地面，由堤防工程保护汉口地区的安全。枯水季节，长江水位不仅低于城区地面，甚至在极枯条件下可能低于承压含水层顶板，使得临江地带的承压含水层会在短期内转变为无压状态。长江部分岸段新淤积土层，以及堤防工程部分堤段建设的堤基防渗墙，在一定程度上降低了江水与其附近含水层的水力联系程度[6]。

大气降水，尤其是汉口地区分布较多的湖泊，通过补给浅部弱透水层中的潜水含水层而间接地补给承压水。建筑工程建设中的深基坑降水往往使得承压含水层水位大幅度降低，从而使潜水含水层对承压含水层的补给作用显著增强。天然条件下，远离长江和汉江的承压水位在地面以下1～2 m。而在位于汉口的长江科学院九万方试验基地内，2014年实测地下水位埋深长期在10m左右。这样大幅度的地下水位下降，以及伴随的地面沉降和部分建筑物变形、损坏问题，已在城市建设处于高峰期的汉口城区变得很常见，从而引起了普遍的关注。

参照上述汉口地区的条件，并照顾到一般性，概化得到图1所示的典型模型。为了方便模拟和分析规律性，防洪墙以透水性较强的土堤代替，堤身高12 m，顶宽10 m，两侧坡比1∶2，堤身渗透系数K1为1×10-3cm/s。沿堤轴线布置堤身防渗墙，渗透系数K2为1×10-6cm/s，厚为1 m，深至堤身与堤基结合面，与地基表层弱透水层形成堤防工程防渗体系。堤防挡水10 m深，即上游水位高于地面10 m。

图1　模型示意图(基坑防渗墙贯入度50%)Fig.1　Sketch map of the model (penetration rate ofthe cut-off wall for the foundation pit: 50%)

地基为二元结构，上部弱透水层厚10 m，渗透系数K3为1×10-5cm/s；下部强透水层厚50 m，渗透系数K4为1×10-3cm/s。堤外滩地宽40 m，河道切割至模型底部，切割的岸坡简化为直立，为一类水头边界。模型右侧边设在离基坑800 m远处，为一类水头边界，水位埋深值等于0。基坑开挖底面设为出逸边界，即没有考虑超前排水措施。

类似这样的二元结构地基，基坑开挖过程都有一个弱透水层厚度减小的过程。在这一过程中，基坑成为地下水的排泄去向，同时基坑底部的比降不断增大,直至基坑完全揭露强透水层，模型结构发生根本性的变化，使含水层由承压性质改为无压性质。

模型设定基坑开挖深度8 m，宽100 m，可以看作距离江河较近的基坑，对应于弱透水层被开挖仅剩2 m厚时的基坑，即深基坑开挖过程中的一个场景。基坑开挖坡简化为直立坡。基坑底面设为出逸边界，相当于基坑明排水条件。

基坑渗流场控制措施可以是防渗措施、排水措施，也可能需要的是防渗排水相结合的综合措施。对于图1所示的基坑，无论是否采取防渗措施，基坑超前排水都是必要的。为了揭示防渗墙的作用规律，本文暂不考虑其他措施，只针对不同贯入度防渗墙的作用进行对比研究。

基坑两侧防渗墙厚度为1 m，渗透系数为1×10-6cm/s。基坑两侧防渗墙深度对比计算方案根据防渗墙贯入度控制。防渗墙贯入度为防渗墙进入承压含水层深度与承压含水层厚度的百分比(%)。对比计算的贯入度为10%，20%～90%，95%，98%，99%和100%，同时还计算了基坑开挖前的方案，以及基坑开挖8 m深但两侧没有防渗墙的方案，后者相当于防渗墙贯入度为0%的条件。

建立饱和稳定渗流场模型，采用2001年堤防工程防渗墙研究中同样的方法[2]，即采用长江科学院的饱和稳定渗流场有限元软件S3D进行计算，基于计算成果分析研究建筑基坑防渗墙的渗流控制作用规律。

2.2数值模拟成果分析

渗流场数值计算成果包括各方案中单元结点的水头值，以及基坑流量。根据计算成果，可以画出渗流场等势线图以反映渗流场的分布规律；计算沿基坑轴线(与堤轴线平行)单位长度的基坑流量(m2/h)；针对图1中标示的一些特征点计算了渗透比降，由这些成果的对比分析，研究防渗墙的渗流控制作用规律。

图1中，A点为堤内脚，以该点地基土的垂直出逸比降作为反映堤防工程安全的特征值；B，C，D这3个点位于同一垂线上的不同深度处。垂线位于临近堤防一侧的基坑底角。B点在基坑底角处，其出逸比降作为反映基坑渗透稳定性的特征值，同时由于基坑离堤防较近，基坑的渗透稳定性也关系到堤防工程的安全；C点在基坑防渗墙底面，所以该点位置随着防渗墙贯入度变化而变化；D点位于承压含水层底面。B点垂直出逸比降为基坑底面所在地基土的渗透比降。在没有基坑防渗墙时，B点水平出逸比降为基坑底面所在地基土的渗透比降，C点水平比降为承压含水层顶面的渗透比降；当有基坑防渗墙时，B点水平出逸比降为防渗墙的渗透比降，C点水平比降为防渗墙底面处承压含水层的渗透比降。D点水平比降为承压含水层底面的渗透比降。当防渗墙贯入度为100%时C，D点重合，其水平比降为防渗墙的渗透比降。

2.2.1基坑开挖前堤基渗流场分布

注：黑线表示基坑防渗墙建设前渗流场等势线，红线表示贯入度100%的防渗墙建设后渗流场等势线，尺寸标注单位为m图2　基坑开挖前堤基渗流场等势线Fig.2　Simulated results of seepage field beforepit excavation

基坑开挖前的渗流场是典型的二元结构堤基渗流场。从堤脚处开始的堤内地面均为下游边界，上下游水头差为10 m。图2中渗流场等势线分布表明，在河道的切割及直接补给作用下，堤防附近承压含水层中的流场分布比较均匀。对应于堤脚处，由10 m厚弱透水层承担的水头损失达到了66.8%。这充分说明了地基土层间2个量级渗透性差异对于渗流场分布的影响。堤脚垂直出逸比降达到0.75，按照一般冲积成因的黏性土判断，至少是渗透稳定性的安全裕度不足。同时计算了基坑两侧落底式防渗墙已经建成，但是基坑尚未开挖的工况。

由图2可以看见基坑防渗墙建设前后堤基渗流场分布的差异。基坑防渗墙建设后，堤基渗流场被2道防渗墙约束而分布不均，承压含水层水头损失大多集中在靠近堤防一侧的基坑防渗墙之中，堤脚垂直出逸比降达到0.91，堤防的渗透稳定性有所降低。

2.2.2基坑无防渗墙的渗流场分布

基坑开挖后，基坑底面为出逸边界，同时该边界上水位也最低，模型上下游水头差为18 m。由图3可见，在基坑两侧没有布置防渗墙(即贯入度为0)的条件下，相对于开挖前的堤基渗流场，基坑成为堤基渗流场的排水边界，堤脚处的垂直出逸比降变为0.41，可见排水边界的作用使得堤脚处渗透稳定性得到了明显改善，但是此时堤防工程的安全实际上已经取决于基坑的安全。基坑底面弱透水层已经成为等势线更加密集的区域，B点的垂直出逸比降达4.2，水平出逸比降达2.8，基坑的渗透稳定性明显不足，同时基坑底面弱透水层抗浮稳定性严重不足，必将发生基坑突涌，需要采取相应的渗流控制措施以确保基坑及堤防工程安全。

注：红线、蓝线、绿线对应的防渗墙贯入度分别为0%，50%，90%；尺寸标注单位为m。图3　基坑渗流场等势线Fig.3　Equipotential lines of seepage field around the foundation pit

2.2.3渗流场分布随防渗墙贯入度变化的规律

按照第2.1节所述，计算基坑两侧设置不同贯入度防渗墙的方案，基坑开挖已至8 m深，基坑底面水位最低，模型上下游水头差与上述没有防渗墙的方案同样为18 m，可以将不同贯入度防渗墙条件下的渗流场等势线图进行对比分析。通过图3，可对防渗墙贯入度为0%，50%，90% 时基坑左侧的等势线进行对比。由图3可见：3个方案之间渗流场分布的差异，在基坑防渗墙近处更显著；而且，贯入度50%和90%方案之间的差异明显大于0%和50%方案之间的差异。这印证了2个在堤防工程防渗墙研究中已经取得的认识：①悬挂式防渗墙的作用对墙体附近渗流场控制效果较明显；②防渗墙贯入度越大，随贯入度的增加其渗流控制效果改善的效率越显著。

2.2.4基坑出逸比降和流量随防渗墙贯入度变化的规律

为了更好地说明防渗墙贯入度对于渗流场的影响规律，基于计算成果，得到第2.1节所述各项特征值与贯入度的变化曲线。

图4画出了B点基坑垂直出逸比降和单位长度基坑流量随防渗墙贯入度变化的曲线。

图4　基坑垂直出逸比降和流量随基坑防渗墙贯入度变化的曲线Fig.4　Vertical exit gradient at left corner(point B) of the pit and discharge into the pit per unit length vs. the penetration rate of the cut-off wall

由图4可见，B点垂直出逸比降随着防渗墙贯入度增加而降低；而且在防渗墙贯入度<90%时，比降近似随贯入度的增加匀速下降；当防渗墙贯入度达到或超过90%时，比降随贯入度的增加加速下降；当防渗墙贯入度接近100%时，比降显著降低。这些规律与已有的堤防工程防渗墙研究成果很相似，也就是悬挂式防渗墙仅当贯入度达90%以上时，其渗流控制效果提升的效率才有显著增加[2]。

图4中，单位长度基坑流量与基坑垂直出逸比降的规律相似，也是随着防渗墙贯入度增加而降低；当防渗墙贯入度达到或超过90%时，流量加速随之下降；当防渗墙贯入度趋近100%时，流量显著降低。

防渗墙贯入度达到100%时，防渗墙已经由悬挂式变为落底式，基坑垂直出逸比降和单位长度流量都达到最小值，防渗墙的渗流控制效果最显著。不过，在本文模型条件下，在防渗墙贯入度达到100%时，B点垂直出逸比降仍达0.97，渗透稳定性仍然不足，基坑仍然可能发生突涌，必须配合井排措施才可能保证基坑安全。

2.2.5防渗墙相关的其他比降随其贯入度变化的规律

防渗墙属于隐蔽工程，容易出现质量缺陷。为基坑设置的防渗墙还要经受复杂的荷载作用，有可能因此而破损，或者与相邻土体之间产生缝隙。所以，与运行条件简单的堤基防渗墙相比，基坑防渗墙及其附近土体的渗透比降更值得关心。

图5　B点水平出逸比降随基坑防渗墙贯入度变化曲线Fig.5　Horizontal exit gradient at left corner of the pit vs. the penetration rate of the cut-off wall

图5是B点基坑水平出逸比降随基坑防渗墙贯入度变化曲线。这一水平比降，在没有防渗墙(即防渗墙贯入度为0)时为土体的出逸比降；在有防渗墙(即防渗墙贯入度>0)时，为防渗墙体的出逸比降。图5中曲线由两端的突变段和中间的渐变段组成。第1个突变段对应于防渗墙贯入度由0开始的变化，为没有防渗墙到有防渗墙的突变，水平渗透比降随贯入度的增加显著增加，实际上是由土体比降到墙体比降的突变。第2个突变段对应于防渗墙贯入度趋近100%时的变化，为悬挂式防渗墙到落底式防渗墙的突变，水平渗透比降也随贯入度的增加显著增加，显示了落底式防渗墙有更好的渗流控制效果。两突变段之间，防渗墙渗透比降随着其贯入度增加而上升，既意味着防渗墙的渗流控制效果的增强，也意味着墙体一旦存在缺陷，发生集中渗流现象，甚至造成周围土体渗透破坏的可能性增加。

图6　承压含水层底面D点及其在基坑防渗墙底面C点水平比降随防渗墙贯入度变化的曲线Fig.6　Horizontal penetration gradient vs. the penetration rate of the cut-off wall at point D and point C(the bottom of confined aquifer, cut-off wall, respectively)

图6是图1中C点和D点水平渗透比降随基坑防渗墙贯入度变化曲线。C点位于临近堤防一侧基坑防渗墙底面，D点位于临近堤防一侧防渗墙对应的承压含水层底面。由图6可见，这2点的水平渗透比降都是先随着防渗墙贯入度的增加而缓慢上升，且上升越来越明显；在贯入度达90%以上后上升更加显著；当贯入度为100%时达到最大值，此时两点合在一处，比降值已经由土体比降变为墙体比降。由此可见，随着防渗墙贯入度的增加，其渗流控制作用增强的同时，墙体以下土体的渗透比降也在上升。如果所在土层为管涌类土，渗透比降升到一定程度后有可能发生管涌破坏；即使不是管涌类土，当在墙体与土体之间出现缝隙时，渗透比降升到一定程度就会出现流土或者接触冲刷破坏，从而危及基坑安全。

图7　背水侧堤脚垂直出逸比降随防渗墙贯入度变化的曲线Fig.7　Vertical exit gradient at the dyke toe(point A) oppo site to river vs. the penetration rate of the cut-off wall

2.2.6堤脚出逸比降随基坑防渗墙贯入度变化的规律

前已述及，在未设置基坑防渗墙的条件下，堤脚(A点)的垂直出逸比降在基坑开挖后明显低于基坑开挖前。图7是背水侧堤脚垂直出逸比降随防渗墙贯入度的变化曲线，可见该比降随着贯入度的增加而上升，且上升速率也随之增大；当贯入度为100%时，防渗墙已由悬挂式演变为落底式，堤脚垂直出逸比降显著增大，甚至大于基坑开挖之前的值，这意味着落底式防渗墙在对基坑发挥显著渗流控制作用的同时，可能直接降低堤基的渗透稳定性。

3防渗墙应用的讨论

建筑基坑属于临时工程。张家发等[7]提出了对水利水电工程围堰和基坑工程进行渗流场调控，就是考虑了临时工程的特点，以及工程施工和水文、气候等变化条件下地下水问题的复杂性，可供建筑基坑工程借鉴与参考。以下主要就防渗墙在建筑基坑渗流控制中的应用进行讨论。

3.1悬挂式防渗墙的应用

由上述分析可见，悬挂式防渗墙对于基坑渗流场的控制效果与其贯入度密切相关，贯入度越大，控制效果越好。在此基础上，结合工程经验和以往的研究成果，对于悬挂式防渗墙的应用讨论如下。

3.1.1准确认识悬挂式防渗墙在渗流控制体系中的地位

对于承压含水层地基来说，悬挂式防渗墙的渗流控制作用有限。在渗流控制体系中，相对于排水措施来说，悬挂式防渗墙只能居于次要地位。明确悬挂式防渗墙的这种地位，不是说可以忽视防渗墙的质量与作用，而是要强调排水措施的重要性，避免因为防渗墙的设置而盲目降低对排水措施建设和运行维护的要求。

3.1.2发挥悬挂式防渗墙的综合作用

除了对于基坑渗流场的控制作用外，悬挂式防渗墙一方面可以结合基坑支护措施进行设计，促进基坑开挖边坡的稳定；另一方面还可以对于渗透变形的扩展起到抑制作用。有关模型试验和数值模拟研究表明[8-10]，防渗墙贯入度对模型发生渗透变形所需的渗透比降影响不大，但是可以提高模型破坏所需要的渗透比降。所以，悬挂式防渗墙的作用不仅体现在对于渗流场的控制，适当深度的悬挂式防渗墙可以从多方面促进工程安全。

3.1.3合理确定悬挂式防渗墙贯入度

虽然悬挂式防渗墙对于基坑渗流场的控制效果随其贯入度增加而改善，但是改善的效率只有在贯入度达90%以上时才有显著的提升。防渗墙越深，不仅成本越大，而且施工难度增加，工期更长。本文第2.2节成果更说明，基坑防渗墙越深，对于堤防工程安全越不利；墙体和墙底以下土体的渗透比降越大，一旦墙体存在缺陷，或者墙体与土体之间出现缝隙，发生渗透变形的风险可能反而会增加。

单纯地通过增加防渗墙贯入度，以提高渗流控制效果的努力，不仅效率不高，甚至有可能产生负面作用。一般地，防渗墙深度大于排水井的深度，既可以起到相对较好的渗流控制效果，也有利于控制排水量。渗流控制体系设计中，应该针对具体工程条件，结合排水措施的设计，综合各方面的因素合理确定防渗墙的贯入度。

3.2落底式防渗墙的应用

相对于悬挂式防渗墙来说，落底式防渗墙具有更加显著的渗流控制效果。然而，落底式防渗墙的应用需要注意以下方面。

3.2.1确保防渗依托层的可靠性

落底式防渗墙的前提条件是：防渗依托层渗透系数≤防渗墙渗透系数。当防渗依托层渗透性强于防渗墙时，防渗效果会相应降低，甚至无法形成封闭式防渗结构，实际上变成了贯入度很大的悬挂式防渗墙。第2.2节的成果已经表明，在贯入度很大的条件下，防渗墙墙底以下地层的渗透比降很高，容易造成管涌或者接触冲刷，结果可能比贯入度较小的防渗墙更糟。广东省北江大堤石角段曾经采用封闭式防渗墙方案加固，其防渗依托层为第三系粉砂岩夹砾岩，工程实施后汛期仍然发生管涌险情[11]，探查原因时，通过钻孔电视发现墙底以下有基岩风化带，并形成了冲蚀沟槽。实际上，封闭式防渗墙未能达到预期效果的工程案例还有不少，其中包括基坑工程[12]。

除了严格控制防渗墙施工质量，还有2个环节对于防渗墙真正”落底”以形成封闭式防渗结构非常重要。一是依据严格的试验成果确定防渗依托层。在以基岩为防渗依托层时很容易出现的问题是，勘探钻孔遇到基岩就终孔，没有对基岩进行水文地质试验，主观臆断基岩的渗透性低，疏忽了基岩非均质性，尤其是结构面、风化带或者岩溶的存在，降低了防渗依托层的可靠性。二是施工期间发挥先导孔的应有作用。应该通过先导孔发现地层界面起伏和基岩结构面风化带等，根据这些信息复核防渗墙合理深度，使得防渗墙在全线范围内都与可靠的防渗依托层结合为封闭式防渗结构。

3.2.2避免墙体缺损

第2.2节的成果表明，相对于悬挂式防渗墙，落底式防渗墙发挥着更加显著的渗流控制作用，承担的水头损失大得多，渗透比降也就更大。这同时意味着，落底式防渗墙一旦出现缺损，被水流击穿和发生集中渗流的可能性更大，渗透水流很可能破坏相邻的岩土体，造成基坑安全事故，甚至造成基坑周围的地面塌陷，危及生命和周边建筑物及设施的安全。防渗墙的缺损有可能是施工质量缺陷，也可能是运行中复杂应力作用造成的破损。因此，对于落底式防渗墙的安全性不能盲目乐观，必须认识到落底式防渗墙在渗流控制体系中的主导地位，以及一旦出现缺损所需要面临的更大风险，为此，需要严格控制防渗墙施工质量，严密监控防渗墙的运行状态，建立应对防渗墙出现缺损的预案。

3.2.3配套必要的排水措施

对于承压含水层地基来说，采用了落底式防渗墙作为主要渗流控制措施的同时，仍然需要排水措施的辅助作用，其任务包括基坑范围内的疏干排水，以及对未被揭露的承压含水层进行超前排水，以免基坑在不断开挖过程中发生突涌。与悬挂式防渗墙条件下不同的是，与落底式防渗墙配合的排水措施，初期排水量较大，随着落底式防渗墙控制范围内含水层水压力得到控制，排水量会明显衰减。

3.2.4充分评价和处置负面影响

第2.2节的成果表明，基坑防渗墙改变了堤基渗流状态。防渗墙离堤越近，改变程度越大。在落底式防渗墙条件下，堤脚出逸比降超过了防渗墙建设前的比降。相对于基坑开挖期间，在基坑开挖前和基坑已经回填的条件下，落底式防渗墙对于堤基渗流场的不利影响更显著。需要针对具体条件预测和评价落底式防渗墙对堤防工程安全的影响，并根据需要采取相应的措施。

要强调的是，基坑回填以后，地基中的落底式防渗墙将长期存在，并继续对堤基渗流场产生影响，所以堤防安全影响评价和应对措施论证需要考虑到堤防工程的设计洪水位条件，以及可能出现的超标准运行条件，而不只是基坑运用期间对应的河道水位条件。

建筑工程为基坑设置的落底式防渗墙，将长期影响地下水的运动，从而影响到与地下水有关的方方面面，除了上述堤防工程外，还包括：邻近建筑基坑工程、地下空间开发利用、海绵城市建设、地下水资源开发利用、地下水回灌、地下水环境保护与修复等。这些影响无可回避，相关研究已经逐步引起重视。建筑工程建设中，不仅要尽可能预见和消除基坑防渗墙的这些负面影响，还应该保留基坑防渗墙建设的档案，为后续工程建设、资源利用和环境保护行为提供客观可靠的背景信息。

4结论与建议

本文针对简化的二元结构地基条件下建筑基坑的渗流场进行了模拟，分析了防渗墙的渗流控制作用规律，讨论了悬挂式和落底式防渗墙应用中需要重点注意的问题。基于本文的研究与讨论，结合工程实践经验，提出如下结论与建议。

(1) 落底式防渗墙对基坑渗流场具有显著的控制效果，而且可以防止基坑排水对基坑外围地下水流场造成显著的影响，但是因为落底式防渗墙承担了渗流场的绝大部分水头损失，必须切实防止墙体出现缺陷，并确保落底于可靠的防渗依托层之中，以免造成集中渗流和基坑安全事故。落底式防渗墙还将对邻近堤防工程的渗流场分布造成长期的不利影响，必须充分考虑堤防工程的运行条件进行安全影响评价，研究采取必要的应对措施。落底式防渗墙将长期影响地下水的运动，从而影响到与地下水有关的各个方面，不仅要尽可能预见和处置所带来的负面影响，还应该保留防渗墙建设档案，为后续工程建设、资源利用和环境保护行为提供客观可靠的背景信息。

(2) 以钢板桩为支护结构并替代传统的防渗墙时，施工结束后拔出钢板桩，可以避免落底式防渗墙方案对于地下水运动的长期影响。悬挂式防渗墙对基坑渗流场的控制作用效果随贯入度增加而增加，但是总体上作用效果有限。针对具体工程，应结合成本、工期、基坑排水量控制以及基坑支护要求，综合研究确定合适的防渗墙贯入度。

(3) 在承压含水层条件下，防渗墙与排水措施相配合，才能形成有效的基坑渗流场控制体系。悬挂式防渗墙条件下，基坑排水还将对基坑外围地下水流场造成显著影响，甚至造成不均匀地面沉降，以及周边建筑物和设施的变形与损坏。针对具体基坑工程，应在充分掌握地质条件、地表水文条件、邻近防洪工程、建筑物及其他设施等条件下，论证渗流控制方案，以达到保障基坑安全和有效控制对周边环境不利影响的综合效果。

(4) 类似武汉市一级阶地的二元结构地基中，上部弱透水层具有非均质和各向异性特征，其在基坑周围的渗流场分布和变化规律很复杂，地面沉降主要源自其沉降变形，需要采用非稳定渗流模型，才能结合具体工程施工方案更好地研究地下水的变化规律，以及基坑排水对于周边环境的影响。

(5) 本文的研究结论与讨论意见可为地铁等市政工程基坑渗流控制提供借鉴。地铁工程建设中，由于地铁站相距不远，甚至可能多条地铁线同时建设，使得基坑相对密集，还可能需要考虑基坑群的共同作用，尤其是对于周边环境的叠加影响。

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(编辑：刘运飞)

ZHANG Jia-fa1,2, FAN Shi-kai3, TAO Hong-liang3，WU Qing-hua1,2

(1. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River

Scientific Research Institute, Wuhan430010, China; 2.National Research Center for Dam Safety Technology,

Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China; 3.Wuhan Hwatai Geotechnical

Engineering Co., Ltd., Wuhan430064, China)

the cut-off wall of suspension type with higher penetration rate which should be set reasonably with the cost, duration, water discharge and safety being taken into account. An efficient seepage field control system must be formed by coordinating cut-off wall and drainage measures. The seepage field control system for a building foundation pit should be designed in consideration of adjacent buildings, flood control projects and other facilities in addition to geological and hydrological conditions. Then we can achieve the safety of foundation pit and control its adverse effect on environment. These conclusions are referential for the foundation pit of public works including metro engineering.

Efficiency of Seepage Control of Cut-off Wallin Building’s Foundation Pit

Abstract:Cut-off wall is widely used to control the seepage field for building’s foundation pit, but the efficiency of cut-off wall is not known very well. In the background of the common foundation of double layers in Wuhan of China, a model was set up for the seepage field around a typical building foundation pit. Through numerical simulation, the law of seepage field control for cut-off wall was revealed. Then the application of cut-off wall was discussed on the basis of the study results and engineering practices. It is pointed out that cut-off wall of closure type could control seepage field efficiently under the conditions that the cut-off wall is prevented from any defect and is extended into reliable stratum with low permeability. The seepage control efficiency can be promoted to limited extent for

Key words:safety of foundation pit; cut-off wall; penetration rate; hydraulic gradient; seepage field control; numerical simulation

收稿日期：2015-06-11；修回日期：2015-08-14

基金项目：国家自然科学基金项目 (51279016，41402213)；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2014058/YT, CKSF2016021/YT)

作者简介：张家发(1960-)，男，安徽安庆人，教授级高级工程师，主要从事岩土工程和水工渗流研究，(电话)027-82820029(电子信箱)zhangjf@mail.crsri.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150490

中图分类号：TU753.62

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0058-07

2016,33(06):58-64，69