某公路基坑渗流稳定性计算及工程应用

左雅娅 杜 杰

(1.四川振通公路工程检测咨询有限公司，四川 绵阳 621000； 2.中石化西南油气分公司，四川 成都 610041)

1 工程概况

YK高速桥基抽水基坑长4.3 m×宽4.2 m×深4.5 m(净空)，有效开挖深度4.5 m基坑所处位置处地下水埋深0.5 m～1.0 m；区内地层呈现典型的上软下硬二元结构基坑侧壁岩土体，主要分三类，即粉质粘土层、中砂层和卵石土层(见图1)。

①粉质粘土：褐黄色～灰黄色，湿，可塑，含铁锰质氧化物、钙质结核状物、云母碎屑，间有条斑状高岭土，一般厚度0.50 m，场地内广泛分布，层底埋深0.5 m；

②中砂：褐黄色，湿～很湿，稍密，含云母、石英等矿物成分，该层中部和底部夹含少量卵石(圆砾、角砾)及粘性土。该层厚度1.5 m，场地内广泛分布，层底埋深2.0 m；

③卵石土层：黄灰色，很湿～饱和，松散～中密。卵石以火成岩为主，混有硅质灰岩、长石、云母；一般粒径2 cm～6 cm，最大大于10 cm；卵石磨圆度较好，呈亚圆形，层顶埋深2.0 m。

2 渗流场计算参数及边界条件

在渗流计算过程中，渗透系数(水力传导率)是表征土体导水能力的重要参数。

结合区域勘察资料，基坑所属区浅表层土体渗透系数k为1.9×10-5m/s～4.84×10-5m/s，其中上限值为二元结构中上部层(粉质粘土层～中粗砂层)，下限值为二元结构中下部层(砂卵石层)，下伏基岩为砂岩，根据岩体透水性与岩性有关，一般砂岩或粉砂岩为弱透水层，泥岩为微透水层，最终选取砂岩渗透系数取1×10-6m/s(通过类比法得到)；年降水量900 mm～1 000 mm，参数取值见表1。

表1 基坑地层力学参数表

边界条件：该基坑边界条件较为简单，基本可取为稳定渗流情况下的降雨入渗时的边界条件，考虑基坑下覆岩土层的渗透性，及基坑坑壁为不透水材质，选取基坑左、右侧水位线以下的边界取为定水头边界，水头差为0.5 m，在基坑侧壁和纵向方向取为定流量边界条件，流量的大小等于降雨强度或蒸发率。程序运行时，自动判断降雨强度和渗透率的关系，如果降雨强度大于表层土渗透率，则按定水头边界条件处理；如果降雨强度小于表层土渗透率时，按定流量边界条件处理。

3 渗流场模拟结果

通过对基坑侧壁渗流模拟，得出了基坑侧壁岩土体内部各点水头压力、水头分布及变化规律，对水头和水头压力分布的观察可直观的认识其内部水与力的分布，见图2～图5。

由渗流场流线图图2可见，基坑侧壁地下水渗流流线较为平缓，流线分布较为均匀，在基坑侧壁阴角部位流线呈现密集状，其现实意义为：基坑在开挖过程中，转角部位极易产生管涌、渗流等水力冲蚀破坏，因而应当加强阴角部位的防渗处理及相应提高其材料强度。

由图3可见，基坑开挖前，地下水水头分布应当为平顺曲线，地下水水头高差10.5 m(相对高程)，基坑坑底水头应为6.0 m；在基坑开挖后，地下水水头分布曲线由近水平状变为垂直状(基坑坑底水头值10.16 m～10.32 m)，导致基坑坑底部位高水头值范围延伸，同开挖前相比基坑坑底水头值增加近4.0 m，其现实意义为：基坑坑底在强降雨所引起的地下水位上涨过程中，极易遭受坑底高水头压力作用而引发的基坑坑底隆起等变形破坏。

由图4，图5可见，开挖后渗流速率曲线在X向上呈“驼峰”状，Y向上呈“双曲线”状，这种变化直接影响到基坑侧壁与基坑坑底的稳定性，具体表现为：X向速率曲线在侧壁处变化值为1e+008～1e+010，Y向速率曲线在坑底的变化值为大于1e+008(无量纲单位)，速率的变化影响到地下水的渗流速率，差异性的渗流速率将直接产生动水压力，其现实意义为：基坑坑底出现管涌或坑底隆起，基坑侧壁在动水头压力作用下产生侧壁垮塌。

4 工程措施

根据渗流模拟计算结果，对YK高速桥基抽水基坑采取如下处理措施(见图6)：采取钢制支撑进行护壁，主要起到防止基坑侧壁在动水压力作用下产生侧壁垮塌，同时兼顾考虑后期基坑防渗等问题。

钢制支撑(0 m～3.0 m)采用钢板进行焊接(h=10 mm)，钢材采用Q235-A或Q235-A·F级组，机械除锈，达到ST3级，然后进行加强绝缘防腐，四面墙体设置φ=50 mm钢管面支撑，四角处采用钢管角支撑处理，3.0 m之上采用370 mm砖墙作为基坑池壁，基坑外侧与主基础及混凝土换填之间采用C15混凝土进行封闭处理，具体应用见图7。

5 结语

1)基坑开挖后直接导致原地下水渗流场发生变化，具体表现为：流线发生变化且在基坑转角部位呈现密集状；地下水水头线由平顺状转为垂直状；地下水渗流场X向、Y向渗流速率线呈现“驼峰状”(X向)与“双曲线”(Y向)。

2)受开挖及地下水位变幅影响，基坑坑底可能出现管涌或坑底隆起变形破坏，基坑侧壁在动水头压力作用下产生侧壁垮塌。