大厚度强透水地基河床干施工止水方案分析

魏 芸，袁 琳

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

佳木斯某河床因特殊目的需要满足干施工条件，场地有厚度大于50 m的砾砂类强透水层，实现干施工的止水排水方案面临很大的挑战。设计拟采用围堰+止水体+管井降水的方案，这里围堰本身的设计不予讨论，重点对止水体+管井降水的设计思路加以论述。止水方案重点需要确定止水体插入深度，该插入深度直接影响围堰断面的渗透稳定和围堰总涌水量，之后通过总涌水量确定管井布置方案。

1 有限元渗流量计算准确性分析

渗流分析共采用三种方法，其中前两种为传统公式算法，涉及经验系数，最后一种是有限元算法。由于经验系数及公式本身有一定的局限性，本报告中仅限于验证有限元模型的正确性，最终围堰渗流量以软件计算结果统计。

1）《水利水电工程施工手册》第5卷虚拟厚度法

工程所在位置典型钻孔的抽水试验结果如表1。

表1 典型抽水试验成果

由以上地勘报告可知，④砾砂、⑤圆砾、⑥砾砂、⑦圆砾、⑧砾砂、⑨圆砾、⑩砾砂层渗透系数接近，且总厚度占透水层厚度的95 %左右，选取任何一层作为控制渗流的主要层次均可，这里选取⑨圆砾层作为控制渗流的主要层次。

实际厚度 51.5 m，换算厚度Ti=45.6 m，将ki=0.166 cm/s及Ti代入单层结构公式求解：

2）按照《干船坞设计规范》（JTJ 252-87）附录九计算

由于这种计算方法不适用于堤身透水且无止水体情况，假设止水体插入透水层50 %且堤身不透水，计算如下：

式中：

q为渗流量（m3/s·m）；

T为基底透水层厚度；

Hs为围堰内外水头差；

L’为渗透轮廓的等效总长度（m）；

k为地基渗透系数，取透水层渗透系数平均值0.0016 m/s；

∑ls为渗透轮廓的水平段长度（m）；

∑lc为渗透轮廓的垂直段长度（m）；

∑lx为渗透轮廓倾斜段等效长度之和（m）；

l1为渗透轮廓倾斜段的水平投影长度（m）；

l2为渗透轮廓倾斜段的垂直投影长度（m）；

m’为计算渗流量时的垂直渗径等效系数，单板桩情况采用1.3～1.5，取1.3。

代入以上数值，计算得：q=0.0044 m3/(s·m)。

3）seep/w分析

首先，为验证软件计算精度，对上述两种方法的计算工况进行复核，如图1。

图1 有限元计算结果验证模型示意

由计算可知：不设止水体时，围堰的单宽渗流量为0.007 m3/s，虚拟厚度法计算结果0.0075 m3/s，误差6.7 %；止水体打至透水层的50 %时，软件计算为 0.00489 m3/s，应用《干船坞设计规范》中的公式计算单宽渗流量为 0.0044 m3/s，误差为11.14 %。

2 渗流量有限元分析

根据上边的分析结果，有限元计算渗流量方法可行。下面用此方法分析止水体插入深度不同时的渗流量。

1）模型边界的确定

为研究断面宽度选取对涌水量的影响，计算了以下几种工况。

工况一：水头75 m，止水体底高程50 m；

工况二：水头78 m，止水体底高程50 m；

工况三：水头78 m，止水体底高程37 m。

本工程止水体拟采用高压喷射灌浆体，其渗透系数确定根据《水利水电工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T 5200-2004）表5.0.3高喷墙墙体性能指标中止水体渗透系数范围可取1×10-6～9×10-5cm/s，此处分析取1×10-6cm/s。

将不同位置的涌水量作统计见图2。

图2 涌水量分布

由以上分析可以得出如下结论：

①堤身出逸点以外约8 m范围（即堤脚位置）涌水量占断面涌水量的80 %以上，堤身范围涌水量约占13 %，其余范围（堤脚外推60 m）涌水量不足10 %；

②该规律不受止水体打设深度及内外侧水位差影响。

基于以上结论，当两排围堰内侧堤脚直线距离小于60 m时必须考虑渗流场的对冲叠加效应。数值分析建模需采用全断面。

2）渗流的全断面分析

围堰内侧堤脚所围区域是一个长为 225.5 m，宽为51.15 m的长方形，因此围堰所围区域按长度和宽度两个方向做全断面渗流分析。根据实际情况，外侧水头取79.6 m，内侧按干开挖考虑，水头取原泥面71.5 m，长度方向横断面对h=50 %，60 %，70 %，80 %，90 %，95 %，100 %时的七种工况进行了计算，用h表征止水体插入深度与总透水深度之比，计算结果汇总见表2。

表2 计算结果汇总

可见，止水体渗透系数由1e-6增大到9e-5（增长了 90倍）时，相对于止水体插入透水层的相对厚度为50 %，60 %，70 %，80 %，90 %，95 %，100 %时，总涌水量分别增加1.0 %，1.4 %，2.0 %，4.5 %，5.0 %，6.8 %和84.4倍。可见当止水体不打穿透水层时，总涌水量对止水体的渗透系数敏感性较低，当打至不透水层时，涌水量的增加量（90倍）与止水体的渗透系数增加倍数（84.4倍）基本相当。

3 最大允许水力比降确定

止水体的深度首先要依据渗透变形的类型及其所允许的最大水力比降确定。对提取长度方向断面h=50 %，60 %，70 %，80 %，90 %，95 %，100 %，堤脚处i=0.25，0.2，0.15，0.14，0.10，0.02的七种工况的渗流进行了计算，得到其水力比降等值线，局部示意见图3（此处仅呈现部分图）。

图3 长度方向断面不同工况下的水力比降等值线分布局部示意（部分）

按照《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）附录 G，本工程场地土属巨厚层的碎石类土，易发生管涌。在无试验资料的基础上依据表G.0.7确定允许水力比降为0.1～0.25。在渗流出口有反滤层时可取大值0.25（经计算，当止水体插入深度占透水层厚度的 42 %时堤脚处最大水力比降为 0.3）。

4 止水帷幕+管井降水方案设计

为确实保证围堰内侧干施工条件，需要在围堰内侧布置降水井，涌水量通过降水井抽出。因此设计采用止水帷幕+管井降水相结合的方案，降水井的设计决定了单井出水量，通过总涌水量和单井出水量确定降水井数量。

依据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）管井的单井出水能力：

式中：

q为单井出水能力（m3/d）；

rs为过滤器半径（m）；

l为过滤器进水部分的长度（m）；

k为含水层渗透系数（m/d）。

根据该规范，降水井数量n=1.1Q/q。

由上面的分析可知，本设计采用止水体插入相对深度为50 %和60 %均可满足渗透稳定性要求，因此，可针对这两种插入深度在考虑工程造价之后综合确定管井数量。

5 结 论

通过该项目的实施及研究可得到如下结论：

1）当止水体不穿透整个透水层时，涌水量受止水体插入深度控制，止水体本身的渗透性影响不大；

2）止水体打穿整个透水层时，涌水量与止水体的渗透系数之间基本成正比；

3）止水体的插入深度在满足渗透稳定的前提下，需综合考虑经济性因素确定；

4）本项目勘察报告中注水试验和抽水试验所得渗透系数的平均值分别为10 m/d和130 m/d，根据实际施工现场测量数据反推实际的渗透系数比抽水试验的结果小，但远远大于注水试验的结果。因此，直接采用注水试验所得渗透系数计算涌水量肯定是不合适的，但利用抽水试验的渗透系数计算的涌水量又偏大，相关经验有待在以后的工程中进一步积累。