考虑工程降水作用的基坑渗流场影响分析——以南昌某深基坑工程为例

黄明辉

（周口职业技术学院建筑工程学院，河南 周口 466000）

伴随国内基建事业稳步推进，基坑工程建设近年来取得快步发展，地下空间开发规模、基坑开挖深度需求也日益增长[1-5].此种情况下，各类工程事故屡见报道.回顾以往一些工程事故的相关经验，由于土层地质的复杂性与区域性，地下水渗流对基坑支护稳定影响严重，地下水影响造成的围护结构失稳破坏常有发生[6-7].朱爱国等[8]统计了103个发生事故的基坑工程，并对各基坑发生事故的原因进行了细致的归纳分析.统计结果表明由工程勘察设计失误及水处理不当造成的基坑工程事故率高达58.3%，直接影响基坑支护稳定、危及周边建筑安全.李立云等[9]收集了133例基坑工程事故，通过对事故类型与原因比重的分布统计表明，基坑涉水问题在基坑工程事故中最常发生，由基坑突涌引起的基坑破坏所占比例为2.17%，而由渗流引起的基坑破坏比例高达23.37%.周红波等[10]为统计城市轨道交通车站的基坑事故类型，选取了上海、天津等9个城市的52个车站基坑工程展开论述，并从工程风险角度出发，研究得出影响车站基坑支护稳定的各类风险因素，研究结果表明渗流破坏为基坑工程中最多发的事故类型，事故所占比例高达62%.基坑稳定与地下水状态紧密相关，围护结构选用须因地制宜，在综合考虑地质及水文因素影响的基础上谨慎选取.

1 工程背景

本项目为南昌地区某深基坑支护工程，基坑支护对象为两层地下室，基坑平均设计深度14.9 m.工程采用灌注桩与预应力锚杆的支护措施进行基坑防护.由工程场地现场勘察数据，建设场地地形起伏不大，各层土体分布较为均匀.工程钻探范围内地层主要由填土层、黏性土层、砂砾层及风化岩层构成.基坑场地地下水可划分为上层滞水与第四系松散岩类孔隙性潜水，上层滞水主要赋存于第四系全新统的杂填土土层中，水位埋深1.6～4.3 m.第四系松散岩类孔隙性潜水主要贮存与第四系全新统冲积砂砾层中，稳定水位埋深为3.5～6.6 m.为避免工程带水作业，满足基坑止水要求，沿围护结构外侧施工单排水泥土搅拌桩相互搭接形成止水帷幕，并在坑内设置降水井对坑内土体疏干处理.各土层岩土体力学参数如表1所示.

表1 土层材料参数

2 数值模型设置

因基坑平面面积较大，因此仅选取基坑中某典型支护断面进行有限元建模分析.为全面分析不同降水形式下渗流场影响与基坑支护稳定性差异，在保持土体材料与结构参数不变的基础上，仅为降水参数进行动态分析.由于上层滞水受季节性控制明显，通常具有水量小、埋藏浅的特点，一般认为其对基坑稳定影响较小[11]，而在项目基坑场地中，孔隙性潜水水量丰富，且涉及地层较多，因此本文采用有限元分析软件Midas gts nx主要对孔隙性潜水进行渗流影响分析.

模型假设土体渗透性为各向同性，对水平方向与竖直方向的各层土体取相同的渗透系数.定义降水井处节点压力水头值为零，并设置止水帷幕为不透水边界.考虑到水源补给形式的不同，不仅造成水流方向的差异，且会对渗流影响下水头及孔隙水压力分布产生不同程度影响[12]，因此运算模型以节点水头的形式来模拟地下水的渗流作用，并考虑临近土层中的水源补给，在模型两侧边界处按照地下水位高程设置节点水头.因模型高度66.8 m，地下水水位埋藏深度5 m，故两侧渗流边界设置总水头为61.8 m，每两口降水井水平间距为30 m，有限元模型如图1所示.

图1 基坑工程有限元模型

3 有限元结果分析

3.1 考虑降水时间函数的渗流场分析

数值分析过程中，考虑降水井的实际工作状态，对降水井节点总水头设置动态的时间函数.因基坑设计深度14.9 m，地下水埋深5 m，且为保证基坑支护安全及施工作业需求，要求地下水位降低至坑底以下0.5 m处，因此可知地下水初始总水头为61.8 m、水位降深为10.4 m.如图2设置降水井水头变化的时间函数，设定基坑开挖前10天进行坑内降水，即坑内水位每日降低幅度为1.04 m，当坑内水位降低至设计标高后，降水井持续运作，使总水头持续保持在坑底以下0.5 m位置处.

图2 降水井水头随时间变化函数

图3 所示为降水前及降水后第1天、第5天、第10天、第11天后土层孔隙水压力分布.由图中数据可以看出，地层初始渗流场下孔隙水压力沿水平向呈层状分布，沿竖直方向表现为线性增长.降水井抽水状态下，随着抽水时间持续进行，降水井节点处总水头值不断减小，即坑内地下水随抽水时间增长不断被排出，水位持续下降.根据图中孔隙水压力等值线变化趋势来看，随着抽水时间增长，基坑内部孔隙水压力不断减小，地下水浸润线产生下移.原浸润线以上部分土体由饱和状态逐渐转变为非饱和状态，由于基质吸力影响，浸润线以上土层形成负孔隙水压力.

图3 不同降水时间下孔隙水压力等值线分布

模型土层中抽水时间越久，坑内渗流场变化越明显，随着地下水不断排出基坑内部，土层中负孔隙水压力数值不断增大.由图中孔隙水压力等值线分布状况可以看出，初始渗流场下，模型最大负孔隙水压力为49.033 kN/m2，持续抽水1天后，孔隙水压力等值分布线在基坑土体内出现明显的弯曲现象，最大负孔隙水压力增大至59.232 kN/m2.持续抽水5天后，孔隙水压力等值线弯曲程度持续加深，并在止水帷幕内外两侧变化幅度较为剧烈，土体最大负孔隙水压力由59.232 kN/m2增大至100.028 kN/m2，增长幅度为68.88%.降水井工作10天后，基坑内部土体中孔隙水压力分布已初具稳态，负孔隙水压力变为151.022 kN/m2，变化幅度为50.780%.因降水井抽水工作10天后，地下水水位已降至设计高程，故从11天开始降水井只需将地下水位稳定至坑底以下0.5 m深度位置处，即可满足基坑降水要求.故工程开始降水后的第11天，基坑内侧孔隙水压力分布及负孔隙水压力数值并未发生改变.

3.2 单井降水与群井降水效果对比分析

由于降水井内部地下水被持续抽出，井内地下水位与孔隙水压力不断下降，水头差影响下，降水井周边含水层中地下水朝向井内流动.降水井临近土层内水力坡度较大，地下水位与孔隙水压力变化幅度亦较大，而远离降水井的土层水力坡度较小，地下水与孔隙水压力变化幅度也较小.由图4所示单井降水与群井降水下土体孔隙水压力等值线分布状况来看，孔隙水压力主要在基坑内部土体中发生较大变化，并在降水井周围及富水砂层中孔压降幅较大.单井降水方式仅在降水井周围土体中孔压降幅明显，在远离降水井位置处孔隙水压力降低幅度不足.而群井降水下，因降水井数量相对较多，坑内土体孔隙水压力受各个降水井叠加影响，导致孔隙水压力变化范围远大于单井降水.此时基坑内部各处土体中孔隙水压力降低程度较为均匀，降水效果明显优于单井降水.

图4 单井降水与群井降水下孔压分布

依据图5所示降水后地表土层沉降曲线判断，单井降水与群井降水两种形式下，坑内待开挖区域内地表沉降程度相近.单井降水形式下，地表土体沉降范围较小，坑内地表沉降峰值位于降水井上方土层中，最大值为2.210 mm，坑外地表沉降最大值为1.702 mm.群井降水形式下，基坑内部地表土体沉降范围较广，因基坑内侧布置有4口降水井，故地表沉降曲线在基坑内部出现4个沉降峰值，且4个沉降峰值均位于4口降水井上方地表处.由有限元计算结果，群井降水下，坑内地表土层沉降最大可达2.239 mm，基坑外侧地表沉降最大值为1.830 mm.

图5 不同降水形式下地表土体沉降对比

采用单井降水形式进行降水不仅孔隙水压力变化范围弱于群井降水，且地表沉降影响范围与影响程度亦弱于群井降水形式.基坑工程中，降水井布置数量不足，导致降水效果难以达到理想状态，作业面处于水位面以下，不仅提升施工难度，且基坑内被动区土体浸泡在地下水中，降低土体强度指标，不利于基坑稳定支护.

3.3 坑内降水与坑外降水效果对比分析

3.3.1 孔隙水压力影响分析

城市基坑工程建设中，若基坑周边临近市政道路、地下管线及建筑物时，常不允许在坑外进行降水，以防止地下水位降幅过大、土体沉降固结对周边环境产生不利影响.而坑内降水效果往往优于坑外降水，坑内降水形式下，可促进基坑内侧被动区土体沉降固结，提高支护结构抗倾覆性能.但是，当基坑周边较为空旷时，采用坑外降水方式对场地地下水进行处理亦具有明显优点.坑外降水形式下，基坑外侧临近土层中的地下水被疏干处理后，支护结构仅受基坑侧壁后的主动土压力影响，无水压力作用，可较大程度减弱支护构件侧向压力.

为系统分析坑内降水井降水与坑外降水井降水两种不同形式下，基坑稳定性及渗流场分布差异，模型在分析时，分别在基坑内外两侧设置降水井进行敏感性分析.其中坑外降水下在基坑外侧设置2口降水井，不设置止水帷幕进行隔水.坑内降水则考虑止水帷幕作用，并在基坑内侧布置2口降水井，通过对比两种不同降水形式下地层孔隙水压力分布及抽水引起的地表沉降，以对基坑降水工作机理展开理论分析.由有限元计算数据，坑内降水与坑外降水形式下，地层孔隙水压力等值线分布变化如图6所示.

图6 坑内降水与坑外降水形式下孔压分布

由上图孔隙水压力等值线分布状况可知，止水帷幕对限制基坑内外两侧地下水补给具有明显作用.坑内降水形式下，降水井周边土体孔隙水压力降幅较大，由于止水帷幕的强隔水效果，基坑内侧外两侧孔隙水压力在止水帷幕附近发生明显突变.水位面以下土层中，基坑内外侧的孔隙水压力等值线非连续，在基坑内部边缘处出现折断、弯曲现象，同一深度位置处，基坑内外两侧孔隙水压力变化幅度较为明显.随着远离基坑，工程降水对坑外稍远处土体中的地下水影响较小，孔压等值线亦逐渐归于平滑.

采用坑外降水形式下，由于基坑内部待开挖区域面积较大，坑外降水井影响范围难以完全辐射整个基坑内部区域，造成基坑内部孔隙水压力变化范围与变化幅度不及坑内降水形式.因坑外降水经济性较佳，不需在支护结构外侧设置止水帷幕桩，因此坑外降水井工作状态下，基坑内外两侧土体交接处土体孔压等值线在基坑内外较为连续而无折断现象.与此同时，因降水井抽水作用，临近含水层中地下水朝降水井内流动，稍远处土体中水头梯度小，近处土体中水头梯度大，此时远近处土层中降水效果不均匀，而在降水井附近出现“降水漏斗”.由图中孔压等值线变化可知，降水井底部位于“降水漏斗”中心位置，孔压降低幅度达到最大，随着土体与降水井距离增大，工程降水效果逐渐减弱.

3.3.2 地表沉降影响分析

渗流场中，地下水运动受水头差作用在土颗粒孔隙中发生流动而产生动水压力.由于土层中地下水不断被疏干，土体受到有效应力增长以及渗透力竖向分量作用，导致降水范围内土体进一步压实固结.为研究坑内降水与坑外降水两种不同形式下地表沉降规律，由有限元分析结果，可得出图7所示不同降水形式下地表沉降曲线.

图7 不同降水形式下地表沉降对比

坑内降水形式下，降水井位于基坑内侧，因此地表最大沉降位置位于基坑内部.而坑外降水下，降水井位于基坑外侧，故地表最大沉降槽出现在基坑外侧、降水井顶部地表土层中.由模型运算结果，坑外降水形式下，基坑外侧地表最大沉降值为3.084 mm，基坑内侧地表最大沉降值为1.422 mm.坑内降水形式下，基坑外侧地表最大沉降值为1.753 mm，基坑内侧地表最大沉降值为2.115 mm.两种不同降水下，基坑外侧地表沉降变化幅度可达43.158%，基坑内侧地表沉降变化幅度可达32.782%.可见坑内降水与坑外降水影响范围与影响程度较为不同，坑外降水形式下，基坑外侧地表沉降范围与程度较大，当基坑临近构筑物时，应考虑工程降水对构筑物的不利影响.

3.4 有无止水帷幕下基坑稳定分析

3.4.1 孔隙水压力影响分析

当工程场地内水位较高且基坑降水较为敏感时，常采用旋喷桩工艺通过制作形成相互搭接的止水帷幕桩墙来阻隔基坑内外土体中水层交流，以阻止或减小地下水透过基坑侧壁和坑底进入基坑内部影响基坑支护稳定.为分析止水帷幕对基坑渗流场影响，保持模型土体、支护结构及降水井参数不变，分别考虑有止水帷幕影响和无止水帷幕影响，并对两种形式下的地层孔隙水压力分布差异展开论述.根据模型计算结果，得出图8所示模型经过降水井抽水过后的孔压分布云图.

图8 有无止水帷幕下孔隙水压力分布

由两图对比可知，止水帷幕隔水效果显著.基坑考虑止水帷幕作用下，基坑内外孔隙水压力差异较大，孔压等值线在基坑侧壁处呈不连续分布.孔隙水压力等值线仅在基坑内侧、止水帷幕底部变化幅度较大，随着土体与基坑侧壁距离增加，土层中孔隙水压力等值线很快趋于平缓，稍远处土层中孔隙水压力数值变化微弱，止水帷幕能较好限制基坑外侧地下水，避免坑外水位大幅下降.反之，无止水帷幕下，基坑场地内孔隙水分布较为不同.因基坑内侧有4口降水井持续作用，因此坑内地下水位较为稳定，坑内孔隙水压力等值线亦较为平缓.由于基坑外侧无止水帷幕作用，又无降水井对地下水疏干处理，降水井以外土层区域内，出现明显“降水漏斗”.地下水在远离降水井时影响程度较小，在靠近降水井时影响较大.当基坑不设置止水帷幕时，由工程降水对基坑外侧的孔隙水压力影响程度较大.

3.4.2 地表沉降影响分析

止水帷幕作用下，基坑外侧地下水位及孔隙水压力下降可得到有效控制.而无止水帷幕影响时，基坑外侧含水层中地下水与基坑内侧存在密切的水力联系.基坑内外水头差影响下，坑外大量地下水流向坑内，引起坑外地下水位产生较大幅度变动.由图9所示降水过后地表沉降曲线可知，有无止水帷幕作用下，坑内待开挖区域内地表沉降程度相近.对比图10所示土层沉降云图，基坑降水下，基坑内侧土体最大沉降位置位于降水井附近，且距离地表一定深度处.而坑外土体最大沉降区域则位于坑外地表面，远离基坑侧壁一定距离处.

图9 有无止水帷幕下土体地表沉降状态

图10 无止水帷幕作用下土层沉降

考虑止水帷幕作用下，基坑外侧地表最大沉降值为1.787 mm，基坑内侧地表最大沉降值2.239 mm.而无止水帷幕作用时，基坑外侧地表最大沉降值为2.520 mm，基坑内侧地表最大沉降值为2.281 mm.两种不同的降水环境下，基坑外侧地表沉降变化幅度可达28.087%，基坑内侧地表沉降变化幅度仅为1.841%.当基坑外侧土体远离基坑侧壁一定距离时，有止水帷幕作用的情况下，地表沉降受降水沉降影响较小.而无止水帷幕作用时，地表沉降范围较广，模型范围内地表土层均出现程度不一的沉降状况.可见止水帷幕除了可以较大程度地控制孔隙水压力以外，还可以避免坑外地表产生过大沉降，以防止基坑降水开挖对周边环境的不利影响.

3.5 止水帷幕与隔水层相对位置下降水效果分析

在基坑工程降水中，止水帷幕作用较为显著.降水井工作状态下，止水帷幕可较大程度地增加地下水渗流路径，减小渗流场水头梯度，并有效阻隔基坑两侧水层交流，阻止坑外地下水对坑内的水源补给.在实际基坑工程中，止水帷幕通常可分为图11中所示插入不透水层的落底式止水帷幕以及未插入不透水层的悬挂式止水帷幕.

图11 止水帷幕与隔水层相对位置示意

当止水帷幕未插入不透水层式，基坑内外两侧含水层中存在水力联系，基坑内部降水对坑外渗流场与应力场影响明显.基坑内部进行降水时，基坑外地下水位也有不同程度的降低.当止水帷幕插入不透水层形成落底式止水帷幕时，可认为基坑内外两侧土层中已无水力联系，基坑内部降水状态下，坑外地下水无法越过止水帷幕对基坑内部土体进行水源补给.

3.5.1 孔隙水压力影响分析

在本项目基坑场地下，因风化岩层渗透系数较小，可视为相对不透水层.为分析止水帷幕和隔水层不同位置下基坑稳定性影响差异，模型保持其余参数不变，仅对止水帷幕深度影响进行分类论述.设定初始状态下，止水帷幕设置深度为14 m，且已嵌入强风化岩层1 m深度位置处.而止水帷幕未插入风化岩层以下时，设置止水帷幕深度12.5 m，此时止水帷幕底部插入砂砾石层中.两种不同止水帷幕位置下的模型孔隙水压力结果如图12所示.

图12 止水帷幕与隔水层不同位置下孔隙水压力分布

对比两图中孔隙水压力分布规律可知，当止水帷幕插入砂砾石层时，基坑内外两侧含水层中地下水水力联系密切.基坑外侧地层中孔隙水压力降低幅度明显，其等值线分布在基坑外侧，明显偏离水平方向，且地层中负孔隙水压力值也略低于落底式支护帷幕，此时止水帷幕隔水效果已产生大幅度下降，基坑坑底位置处孔隙水压力值依旧较大，未能满足基坑止水要求.

3.5.2 地表沉降影响分析

当止水帷幕嵌入强风化岩时，基坑内外水力联系较小，由抽水引起的土体固结沉降主要位于坑内降水井周围地层中，最大沉降值为2.239 mm.而坑外土体沉降主要受坑外超载作用及支护桩侧向变形影响，基坑外侧地表沉降影响小于坑内，其最大沉降值为1.787 mm.落底式止水帷幕对基坑外侧土体影响范围相对较小，由图13所示地表土层沉降位移曲线可知，坑外地表土层主要沉降影响区约为0.8倍的基坑开挖深度，当坑外土体距离基坑侧壁约20 m后，地表土体沉降微弱.

图13 止水帷幕在不同位置下地表沉降差异

结合图14所示基坑降水后地层总水头分布可知，当止水帷幕底部位于砂砾石层时，基坑内外水层交流密切，此时坑外含水层中地下水渗流路径减小，地下水通过渗透性较大的砂砾石层绕过止水帷幕流向坑内降水井.悬挂式止水帷幕下，基坑内外隔水作用极大程度削弱，此时土层中总水头最大值与最小值虽未发生改变，但基坑内外总水头分布区域已产生明显变化，止水帷幕未嵌入强风化岩层时，坑外土体中总水头明显低于落底式止水帷幕.

图14 止水帷幕与隔水层不同位置下的总水头分布

4 结语

本文以南昌某深基坑工程为背景，采用有限元数值分析方法对影响基坑渗流场的各类因素进行分析，研究不同条件下地层孔隙水压力与降水沉降变化差异，得到主要结论如下：

（1）抽水状态下，地下水运动受重力及水头差共同影响，降水井周边地下水位降低较快，孔隙水压力等值线呈现出非连续分布.降水后基坑内侧孔隙水压力明显低于坑外，地下水位及孔隙水压力变化梯度在降水井附近达到最大.

（2）群井降水下，孔压影响范围与地表土层沉降幅度明显大于单井降水.坑外降水形式下，基坑外侧地表沉降范围与程度较大，当基坑临近构筑物时，应考虑工程降水对构筑物的不利影响.

（3）孔隙水压力沿止水帷幕两侧变化明显，止水帷幕可较大程度地增加地下水渗流路径，有效阻隔基坑两侧水层交流.