海上人工岛基坑工程防渗

张斌，周俊辉，何维维

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

海上人工岛基坑工程防渗

张斌，周俊辉，何维维

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

基于某海上人工岛基坑工程实例，在地质条件复杂、潮差水位变动剧烈、边界土体透水性大的工程条件下，提出基坑单边和多边设置止水帷幕的防渗方案。采用ANSYS软件建立三维渗流计算模型，分析各方案在不同工况下的渗流流速、流量和渗透坡降。研究表明，在海侧和内河道围堰设置止水帷幕，能有效减少坑内涌水量和边坡渗透坡降，实现安全稳定、造价最优的防渗效果。此海上人工岛基坑防渗方案可为类似工程的设计和施工提供参考。

人工岛；基坑；防渗；数值模拟；流速；流量；渗透坡降

0 引言

随着我国沿海地区经济的高速发展，土地资源日益紧缺，顺岸围垦造地和海上人工岛工程的开发和建设越来越受到重视[1-2]，并由此在港口和岩土工程领域出现新的研究内容和方向——海上人工岛基坑工程。由于人工岛多处于开敞的外海环境，海上基坑受人工岛陆域回填与再开挖、外海潮流、波浪等因素影响显著，不适于直接采用常规陆上基坑的设计与施工方法[3-6]。

人工岛陆域回填通常采用含水率较高的疏浚料或渗透系数较大的土石料和海砂等材料，人工岛基坑防渗主要考虑截断外海水系补给和保证开挖坡降稳定。本文结合某海上人工岛内水闸基坑工程，采用有限元数值模拟的方法研究不同防渗方案对人工岛基坑渗流量、流速和渗透坡降的影响，旨在为类似工程的设计和实施提供参考。

1 工程概况

本文引用的基坑总面积为6.49万m2，最大开挖深度为9.7 m。基坑开挖区域位于人工岛内河段，地处北侧出海口，周边为新近填海区，回填料为土石料和吹填海砂，内河道边界为抛石围堤，透水性大（图1）。

图1 基坑平面布置及周边环境Fig.1 Layout of excavation and surroundings

根据勘察资料，场区天然地基主要为淤泥、残积土和风化岩。基坑北侧围堰考虑防浪，堤身采用抛石堤结构；南侧内河道围堰堤身采用黏土回填；东侧新近填海区回填10 m土石料；西侧新近填海区回填4 m土石料和9 m海砂。

2 基坑防渗方案

基坑南北两侧为水域，新建临时围堰，并在内侧铺设防渗土工膜；东西侧为新填陆域。本文根据基坑周边环境和地质条件，拟提出以下防渗方案。

1）方案1：不设止水帷幕，仅在围堰内侧铺设防渗土工膜。

2）方案2：单边防渗方案，仅设止水帷幕①，即海侧围堰设置止水帷幕。

3）方案3：双边防渗方案，设置止水帷幕①和②，即海侧和内河道围堰均设置止水帷幕。

4）方案4：闭合防渗方案，设置止水帷幕①～④，即新建围堰和新填陆域区均设置止水帷幕，形成封闭止水区（图1）。

各防渗方案止水帷幕设计深度按穿透淤泥层进入残积土不少于1.0 m控制。

3 防渗数值分析

根据以上基坑防渗方案，分别计算对应的坑内涌水量，即1 d的渗流量。

在地下水丰富、渗流系数较大（渗透系数≥10-6cm/s）的地区进行支护开挖时，通常需要在基坑内降水。如果围护短墙自身不透水，由于基坑内外水位差，导致基坑外的地下水绕过围护墙下端向基坑内渗流，这种渗流产生的动水压力在墙背后向下作用，而在墙前则向上作用，当动水压力大于土的水下重度时，土颗粒就会随水流向上喷涌。

在软黏土地基中渗流力往往使地基产生突发性的泥流涌出，从而出现管涌现象。

验算抗渗流稳定的基本原则是使基坑内土体的有效压力大于地下水的渗透力。因此，针对各防渗方案还需分别进行抗渗流稳定性验算。

采用ANSYS软件建立三维渗流计算模型，分析各方案在不同工况下的渗流流速、流量和渗透坡降。

3.1 计算工况

1）正常工况：按照大潮潮型（表1）24 h过程线进行非稳定渗流计算，模拟施工期正常潮位涨落情况。主要计算渗流流量，即基坑涌水量。

2）不利工况：按照2 a一遇高潮位4 m进行稳定渗流计算，模拟施工期可能出现的极端潮位。主要计算渗流流速和渗透坡降，判断发生管涌破坏的可能性。

表1 大潮潮型24 h对应外海水位Table 1 Spring tide level in 24 hours

图2 各防渗方案流速矢量分布Fig.2 Velocity vector distribution for anti-seepage schemes

3.2 渗流流速分析

方案1基坑四周不设置止水帷幕，仅在海侧和内河道围堰铺设防渗土工膜。该方案虽然可以阻止围堰堤身发生的渗流，但水流通过河道两侧抛石堤绕过围堰发生渗流，且由于两侧抛石堤渗透系数大，导致渗流流速较大，最大流速为0.182 cm/s（图2（a））。

方案2止水帷幕能够有效阻止海侧抛石围堰绕渗的发生，但内河道围堰处流速仍旧较大，最大流速为0.134 cm/s（图2（b））。

方案3不仅能够阻止围堰发生渗流，而且能够有效阻止其两侧绕渗的发生，总体防渗效果较为明显。最大流速为0.012 cm/s，较前两个方案流速减小较为明显（图2（c））。

方案4止水帷幕形成封闭防渗区域，此方案防渗效果最佳，整个流场内渗流速度已经很小，最大流速为1.78×10-6cm/s（图2（d））。

3.3 渗流流量分析

按照正常工况进行24 h非稳定渗流计算，模拟施工期正常潮位涨落情况。计算得到不同防渗方案的每小时平均渗流流量（表2）。

根据各方案每小时平均渗流流量，与时间相乘累加计算可得到基坑1 d涌水量。各防渗方案基坑1 d累计涌水量，如表3所示。

分析可得，方案1水流主要从围堰两侧的抛石堤绕渗至基坑内，为保证工程安全必须采取措施阻止绕渗发生。方案2和方案3在海侧与内河道围堰设置止水帷幕可以阻止在河道两侧抛石堤内发生的绕渗，起到较好的止水效果。方案4形成闭合防渗区域，防渗效果最好，但止水帷幕工程量大，造价也随之增加。

表2 不同防渗方案渗流流量Table 2 Flow of anti-seepage schemes

表3 不同防渗方案基坑涌水量对比表Table 3 Comparison of flow for anti-seepage schemes

图3 各防渗方案渗透坡降分布Fig.3 Hydraulic gradient distribution for anti-seepage schemes

3.4 渗透坡降分析

各防渗方案渗透坡降分布见图3。

根据基坑的地质条件，本工程最有可能发生的土体渗透破坏形式为管涌，且土体级配不连续，允许渗透坡降在0.1～0.2之间，由于在内河道抛石堤内侧设有反滤层保护，所以当渗流主要发生在抛石堤而不经过反滤层时，允许渗透坡降取值0.2；当渗流通过反滤层时，允许渗透坡降取值适当增大，取值0.5[7]。

方案1渗流主要发生在海侧和内河道围堰两侧的抛石堤而不经过反滤层，部分土体区域渗透坡降大于允许坡降0.2，因此发生管涌的可能性很大（图3（a））。

方案2渗流主要发生在内河道围堰两端的抛石堤而不经过反滤层，部分土体区域渗透坡降大于允许坡降0.2，因此发生管涌的可能性很大（图3（b））。

方案3渗流通过反滤层，各部分土体的渗透坡降均小于允许坡降0.5，所以发生管涌的可能性较小（图3（c））。

方案4各部分土体的渗透坡降很小，发生管涌的可能性也很小（图3（d））。

方案2至方案4最大渗透坡降均发生在防渗体处，而普通防渗材料的允许渗透坡降均较大，不考虑防渗体处的渗透破坏。

4 结语

1）方案1由于围堰内侧设有防渗土工膜，可以阻止围堰堤身发生的渗流，但水流通过内河道抛石堤绕过围堰发生渗流，且由于抛石堤渗透系数大，导致渗流流速较大，最大流速为0.182 cm/s。方案2止水帷幕能够有效阻止海侧抛石围堰绕渗的发生，但内河道围堰处流速仍旧较大，最大流速为0.134 cm/s。方案3不仅能够阻止围堰发生渗流，而且能够有效阻止其两侧绕渗的发生，总体防渗效果较为明显。方案4止水帷幕形成封闭防渗区域，防渗效果最佳。

2）分析比较各方案的涌水量可得，方案1水流主要从围堰两侧的抛石堤绕渗至基坑内，所以必须采取措施阻止发生绕渗。方案2和方案3在海侧与内河道围堰设置止水帷幕可以阻止在两侧抛石堤内发生的绕渗，起到较好的止水效果。方案4形成闭合防渗区域，防渗效果最好，但造价大幅增加。

3）方案1和方案2部分土体渗透坡降大于允许坡降，因此发生管涌破坏的可能性较大。方案3和方案4土体的渗透坡降均小于允许坡降，发生管涌的可能性很小。方案2至方案4最大渗透坡降均发生在防渗体处，而普通防渗材料的允许渗透坡降均较大，不考虑防渗体处的渗透破坏。

4）根据不同方案的涌水量和渗透坡降计算分析，建议防渗方案为方案3。该方案不仅有效减少坑内涌水量和开挖边坡渗透坡降，防渗效果显著，且止水帷幕工程量相对较小，总体实现了安全稳定、造价最优的防渗效果。

[1]谢世楞.人工岛设计的进展[J].海岸工程，1995，14（1）：1-7. XIE Shi-leng.Advances in design of artificial island[J].Coastal Engineering,1995,14(1):1-7.

[2]张志明，刘连生，钱立明，等.海上大型人工岛设计关键技术研究[J].水运工程，2011（S1）：1-7. ZHANG Zhi-ming,LIU Lian-sheng,QIAN Li-ming,et al.On key design technology for large offshore man-made island[J].Port& Waterway Engineering,2011(S1):1-7.

[3]李小军，陈映华，宣庐峻.采用水上深基坑围护法建造特大型船坞坞口的创新设计[J].岩土工程学报，2006，28（S1）：1560-1564. LI Xiao-jun,CHEN Ying-hua,XUAN Lu-jun.Creative design of super large dry-dock head construction by means of deep steel sheet piling excavation in water area[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(S1):1 560-1 564.

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[5]DG/TJ 08-61—2010，基坑工程技术规范[S]. DG/TJ 08-61—2010,Technical code for excavation engineering [S].

[6]刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2009. LIU Guo-bin,WANG Wei-dong.Excavation engineering manual [M].2nd ed.Beijing:China Architecture and Building Press,2009.

[7]GB/T 50943—2015，海岸软土地基堤坝工程技术规范[S]. GB/T 50943—2015,Technical code for levee engineering on soft ground in coast area[S].

Anti-seepage of excavation project in offshore artificial island

ZHANG Bin,ZHOU Jun-hui,HE Wei-wei
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

In combination with an excavation project in an artificial offshore island,we proposed the anti-seepage schemes by setting waterproof curtains on unilateral and multilateral boundaries under the conditions of complicated geology,drastic changes in tide level,and large permeability of soils.The three-dimensional finite element numerical models are established by ANSYS to study the seepage velocity,flow and hydraulic gradient under different calculation conditions.The calculated results show that the flow and hydraulic gradient can be reduced significantly to meet the safety and economic requirements by setting waterproof curtains in the seaside and inner-river side cofferdam.The proposed anti-seepage scheme can also provide a guideline for similar engineering designs and constructions.

artificial offshore island;excavation;anti-seepage;numerical simulation;seepage velocity;flow;hydraulic gradient

U655.54；TU473.5

A

2095-7874（2017）01-0033-05

10.7640/zggwjs201701007

2016-07-25

2016-08-16

张斌（1989— ），男，江西九江市人，硕士，工程师，主要从事港口和岩土工程设计与研究。E-mail：zhangxyzbin@sina.com