扬中金源时代购物中心基坑降水数值模拟分析

葛 鹏，胡 远，左新明

(1.江苏地质基桩工程公司，江苏 镇江 212000；2.江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212000；3.河北省地矿局第五地质大队，河北 唐山 063000)

0 引言

地下水控制是基坑工程的重要组成部分，越来越多的深基坑工程涉及降水问题，特别是在建筑物密集区，基坑降水会引起周围一定范围内的地表沉降，严重时会造成邻近建(构)筑物破坏[1-3]。因此，基坑降水方案是否合理可行，关系到后续基坑工程的正常施工。在基坑工程中，降水方案达不到预期效果不仅可能导致整个基坑倒塌，而且可能波及周围建筑物，造成严重的工程事故。因此，有必要对基坑降水方案进行安全性评估。在降水方案设计时，土体的渗透系数是最基本的设计参数，其值的准确与否将对基坑降水方案的设计产生重要影响。一般工程项目降水方案中水文参数的选取都是基于地勘报告中土体室内试验获得的渗透系数，其值往往小于现场原位试验获得的土体渗透系数[4-6],因此，在基坑抽水方案设计时需要对地勘报告中的土体渗透系数进行一定调整，以满足基坑降水的要求。本着合理降水、按需降水的原则，提出了通过现场降水试验反演场地水文地质参数的分析方法。

针对基坑降水参数如何取值问题，国内外众多学者对其进行了广泛研究。王江思[5]在平面二维承压含水层内，采用不同方法求解渗透系数K，并对计算结果差异性进行了研究。结果表明，在含水层不满足各向同性、等厚，边界无限远假设条件时，Theis图解法、Jacob 直线图解法求解的有效渗透系数与真实场均值渗透系数相差较大，且不能较好的反映含水层的非均质性。而地质统计法和pest参数优化法可以有效的反映含水层非均质性。毛喜云等[6]利用Aquifer-Test软件对抽水试验进行了数值模拟研究，结合Mod Flow三维渗流软件对含水层水文地质参数进行数据拟合、反演，最终获得了较为准确的弱透水层和隔水层相关水文地质参数。殷宝兵等[7]利用MIDAS/GTS数值分析软件建立三维渗流模型，通过对现场单井抽水试验进行模拟分析，综合地勘渗透系数和抽水试验，反向推演出了符合工程实际的渗流边界函数和渗透系数。然后通过单井反演获得的土体渗透系数，建立基坑降水分析模型，对降水方案进行设计和指导。结果表明，采用反演获得的土层渗透系数建立的基坑降水分析模型，能够很好的指导基坑降水工程的施工。闫峭等[8]根据回灌过程中水文地质参数的特点，建立相应的反演优化模型，利用改进遗传算法求解，提出了将渗透系数设为随时间衰减而变化的优化模型。通过与现场监测结果对比，表明优化模型能够很好的模拟基坑降水、回灌过程。

本文以扬中金源时代购物中心基坑降水工程为例，以地勘报告中的土体渗透特性参数为基础，结合现场单井、双井抽水试验结果，反演出数值分析模型中的土体渗透特性参数。然后以反演获得的土体渗透系数为基本参数，结合基坑降水、止水、回灌设计方案，对基坑降水方案进行分析和评估。

1 工程概况

拟建项目金源时代购物中心位于江苏镇江扬中市最繁华的商业核心地段，西至文化路，北邻江州西路，南隔扬子中路，东接前进路，基坑长277 m，宽210 m，周长约960 m，总用地面积约5.5万m2。地面以上有7栋高层住宅楼，1栋30层酒店，4层裙楼，3层地下室，基坑开挖深度约14 m。该区域为典型长江漫滩区地貌，根据地质钻探揭示的场地地层依次为：杂填土、淤泥质粉质粘土、粉砂夹粉土、粉砂、粉细砂、中粗砂混砾石层。场地地下水为孔隙水，赋存在场地各土层，水量丰富。基坑支护结构采用钻孔灌注桩加2层砼支撑，基坑外围采用直径850 mm、间距1200 mm、长度28.5 m的三轴深搅桩形成封闭止水帷幕(桩间土采用二重管高压旋喷处理)。降水采用管井并结合排水沟加集水坑明排方式降低地下水。

本工程基坑开挖面积大，降水范围影响广，场地地层水平分层较为明显，砂层较厚，土体渗透系数较大。因此，降水方案设计的合理性将对基坑工程和周边环境产生重大影响。降水井平面布置如图1所示。

现场基坑降水设计投入285口降水井，并在基坑四周设置59口水位监测兼回灌作用的管井。降水井深31 m，成井孔径600 mm，井管采用Ø273 mm钢管，滤料为中粗砂，过滤段长度21 m,沉淀管长度1 m。过滤管类型为桥式滤管，外包80目锦纶，过滤管外填中粗砂。现场单井抽水试验设置JS1、JS2、JS3三口试验井，三井间距分别为15和16 m，管井结构和降水井相同。

2 降水参数反演

根据勘察揭示的土层结构特征分析，地下水为孔隙潜水，赋存于场地内各土层中，水量丰富。地层杂填土较为松散，赋水性及透水性好，大气降水极易渗入到下部土层中。地层淤泥质粉质粘土夹粉土饱含地下水，整体透水性弱，水平向稍强，基坑开挖施工涉及其余土层均饱含地下水，且透水性较强。现场测定的地下水稳定水位在地表以下1 m。

图1基坑降水井平面布置
Fig.1Layout of foundation pit dewatering wells

殷宝兵等[7]指出，地勘报告提供的土层渗透系数是通过现场取样、室内试验所得，与场地实际值有所差别。考虑到本工程周边环境复杂，降水效果对工程进度影响严重，需通过现场抽水试验反演基坑降水设计参数，并结合反演的参数对基坑降水方案进行设计。

2.1 MIDAS /GTS软件介绍

在对地下水基本运动规律进行研究时，地下水在岩土体空隙中随时间的运动轨迹难以得知。故对地下水的流动状况予以简化，仅对地下水总体流向进行关注，忽略其它渗流路径，不考虑固体颗粒对地下水流动的影响，这种假想的流动称为渗流。

在MIDAS/GTS软件分析基坑降水时，为考虑基坑降水的时间效应，可采用考虑时间效应的非稳定渗流分析理论。流动法则采用达西定律，具体方程如下：

式中：H——总水头；t——时间；kx——x方向的渗透系数；ky——y方向的渗透系数；kz——z方向的渗透系数；Q——流量；Θ——体积含水率。

该方程表示任意位置、任意时刻，微小体积水体的流入和流出变化量。通过MIDAS/GTS软件建模时，主要输入参数包括土层渗透系数、节点水头及节点流量。

(1)节点水头。在MIDAS/GTS中，节点水头不但可以准确模拟抽水管井的位置，还可以通过稳态的常量水头或瞬态的变化水头模拟基坑地下水的回灌。

(2)节点流量。在MIDAS/GTS中，节点流量可以用来对井点抽水(回灌)流量进行模拟。在管井的节点水头位置处通过输入流量，可用于描述降水井抽水(回灌)的实际状态。

对于流量随时间变化的瞬态分析，可以用函数定义。使用函数时，按输入的值乘以一定的场地系数后反映到分析中，用于描述抽水井流量与时间的变化关系。

2.2 抽水试验方案

试验过程分为2个抽水阶段，JS1单井抽水和JS1、JS3两井同时抽水试验。首先进行单井抽水试验，JS1井作为抽水井，进行连续24、36、48 h抽水，观测记录JS2、JS3井内水位变化情况。然后进行双井抽水试验，同时开启JS1、JS3井抽水，观测记录JS2井内水位变化。观测记录结果如表1所示。

表1 抽水试验过程记录结果Table 1 Records of the pumping test results

2.3 有限元参数反演

本文根据地勘报告提供的初始水文参数(见表2)，利用MIDAS/GTS软件建立如图2所示三维渗流数值模型。依据现场抽水试验水位降深观测记录，对各个地层的水文地质参数进行反演。计算时模型边界条件的给定应与实际工程一致，水头高度按照现场监测的稳定水位取值(地下1 m)。

表2 各土层水文地质参数反演结果Table 2 Inversion results of soil layer hydrogeological parameters

图2 单井抽水试验模型Fig.2 Single well pumping test model

为了降低模型尺寸对模拟结果的影响，本文单井、双井抽水试验计算模型为：长 500 m，宽 500 m，高80 m，模型共计实体单元80500个。基坑降水模型边界设置参考文献[9-15],文中计算模型设置边界为排水条件，边界水头按照现场测量的井内初始水位，设置边界水头为58.5 m。降水井根据现场抽水泵出水量统计结果取值51 m3/h。

降水井抽水时间与观测井的实际水位变化关系如图3所示。利用MIDAS/GTS建立的三维渗流分析模型，通过反演计算获得水位变化如图4所示。

图3 水位降深与抽水时间关系Fig.3 Relationship between water level drawdown and time

如图3、4所示，通过对比单井与双井数值模拟的降水水位与实际监测的降水水位结果，反复调整数值模拟中的土层参数，最终得到的反演结果如表2所示。

3 基坑降水效果模拟计算分析

3.1 有限元模型

图4 水位变化的数值模拟结果Fig.4 Numerical simulation results of the water level change

利用MIDAS/GTS建立基坑降水三维渗流分析模型，模型设置如图5所示。结合现场监测井水位深度，模型初始水位深度定义为地下1 m，各土层水文参数采用表2反演结果。根据基坑平面尺寸、层特点及基坑降水设计方案，本次降水设置285口降水井，出水量根据单井抽水试验水泵出水总量求得平均单井出水量120 m3/d；回灌井一共设置59口，分别围绕在基坑止水帷幕的外侧；止水帷幕采用板单元模拟，厚度取0.85m，长度取28.5m，渗透特性设置为不透水。

图5 基坑降水三维渗流模型Fig.5 3-D seepage model of foundation pit dewatering

3.2 基坑降水效果模拟

根据项目施工计划，在支护桩和止水帷幕施工完毕后即开始基坑降水施工。考虑到场地中包含渗透系数较大的砂卵石层，本次基坑降水方案采用“一降到底”的设计方案，即一次性将水位降低至坑底的设计要求，然后进行基坑开挖。同时，为了减少因为基坑降水导致的周边沉降，在止水帷幕的外侧按照设计方案添加回灌井，以补充地下水的流失[8,9,11]。基坑降水效果随时间变化的三维分析结果如图6所示。

3.3 基坑降水效果分析

(1)如图6所示，原始考虑回灌井的设计方案能够有效的降低地下水位，抽水井和回灌井同时工作20 d基本能够满足基坑挖深条件下的水位降低要求，抽水24 d降低的水位高度能够满足基坑开挖最大设计深度的要求。

(2)28.5 m止水帷幕的设计能够很好的满足基坑开挖止水的要求。在降水计算过程中，由于降水深度较深，使得基坑的影响半径达到了250 m。因此在基坑降水施工过程中，应对回灌井的回灌效果和周边场地的沉降进行监测，防止基坑降水对周边环境产生影响。

(3)根据单井和双井抽水试验资料，采用反演分析法计算土体最大渗透系数为23.18 m/d，基坑涌水量较大，因此在施工过程中应密切关注抽水井的工作情况和止水帷幕的止水效果，保证基坑工程的安全施工。

图6 不同施工阶段水位等值线Fig.6 Water level contours in different construction stages

4 现场实际效果

扬中金源时代购物中心基坑降水工程严格按照设计方案进行施工，期间共进行了12次观测，观测到的降水深度与有限元计算结果误差在-0.5～1.2 m范围内，很好的满足了基坑开挖降水的要求。现场开挖效果如图7所示。

图7 基坑施工现场Fig.7 Foundation pit construction site

5 结论

本文采用MIDAS/GTS软件，通过先反演计算模型参数，后进行数值分析的方式对扬中金源时代购物中心基坑降水工程进行研究，获得以下结论：

(1)深基坑支护必须重视降水工作，尤其是在土体渗透系数较大、地下水位较高、饱和性砂土层较厚的地区更应引起重视。

(2)利用现场单井和双井的抽水试验监测结果，结合地质勘探报告中的土层渗透系数的相关资料，反演计算出MIDAS/GTS基坑三维降水计算的相关土层参数。

(3)采用MIDAS/GTS对扬中金源时代购物中心基坑降水工程进行数值模拟分析，评估了考虑回灌井基坑降水方案的合理性，并指导基坑降水工程的施工。

(4)基坑降水施工后，通过监测数据与模拟数据的对比，验证了采用数值模拟方法进行降水效果模拟的正确性。