连通试验落底式止水帷幕的实施效果分析

张红章，范卫琴，张晓华，徐 升

（1.武汉丰达地质工程有限公司，湖北 武汉 430074；2.三明学院 建筑工程学院，福建 三明 365004）

在超大超深基坑工程中进行降水常常结合帷幕来止水，以减少支护结构的变形，减少周围地面的沉降[1-2]。实践中发现：悬挂式止水帷幕能截断多个土层，延长渗流通道；落底式止水帷幕能进一步降低降水对周边环境的影响[3]，但受工程技术和地质条件的限制，落底式止水帷幕常常无法完全隔绝坑内外水力联系[4]。目前常采用理论公式、现场抽水试验[5]、数值模拟[6]、有限元分析[7]等方法来获取相关水文地质参数，以检验降水实际效果、帷幕施工质量、并预测地表沉降量[8]以及优化降水和帷幕设计方案等[9]。

工程界关于止水帷幕的研究成果较多，如冯晓腊在软土地区开展深基坑群井抽水试验，提出计算基坑侧壁涌漏量的数学模型[10]，推断出渗漏点位置[4]；袁斌[11]采用数值模拟方法优化了挡水帷幕和降水井深度。王鹏等[12]运用声纳试验获得现场渗透系数的参数指标，反演三维渗流场，准确获得连续墙的渗漏点。张东升等[13]在某超大深基坑中开展了群井抽水试验，认为落底式止水帷幕可以延长地下水从坑外涌入坑内的渗流路径，从而大幅度减缓坑内外水位的下降速率。本文以某超大深基坑项目为依托，通过在现场开展抽水连通试验，分析了该工程地连墙落底式帷幕的止水效果，并通过Waterloo Hydrogeologic公司（WHI）研制的Modflow 4.1软件反演了地连墙的渗透系数；根据反演结果，结合项目工程地质和水位地质的情况，确定前期所设计的降水井数量可满足降水要求，并预测了基坑降水对周边地面沉降的影响。

1 工程概况

1.1 场地环境

某超大深基坑开挖深度约20.5 m，周长约1 076 m、面积约6万m2，安全等级为一级。基坑各侧均存在保护要求较高的建构筑物，尤其是轨道交通7号线地铁、市政主干道、多层砖混结构民房、地下管线等，环境较为复杂。

1.2 水文地质条件

本工程地貌上属于长江I级阶地，场地在勘探深度79.5 m范围内表层分布有厚度不一的杂填土（Qml），其下为第四系全新统冲积成因的粘性土及粉土、砂土，下伏基岩为白垩下第三系（KE）泥质砂岩及志留系（S）泥质砂岩。所分布的地层及渗透系数见表1。场区地下水主要是上层滞水、孔隙承压水及基岩裂隙水。上层滞水分布于表层填土中，主要接受地表排水与大气降水的补给，水量随季节而变化，水位不连续，无统一自由水面，水位埋深0.7～1.9 m；孔隙承压水主要赋存于砂性土中，上覆粘性土、下伏基岩分别为相对隔水层的顶板和底板，含水层渗透性随深度递增，主要接受侧向地下水的补给及向侧向排泄，与长江水力联系密切，呈互补关系，地下水位季节性变化规律明显，水量较为丰富，勘察期间承压水埋深14.5 m左右；基岩裂隙水主要赋存于砂岩裂隙中，主要接受其上部含水层中地下水的下渗及侧向渗流补给，基岩上部与承压含水层直接相连。

表1 场地土层分布情况及渗透系数表

1.3 止水帷幕设计方案

采用“隔降结合”的方式对承压水进行处理，即周边地下连续墙全部进入基岩，切断基坑内外的承压水联系，其中地连墙墙底入岩深度控制标准为：北侧临近地铁侧入岩不小于2.0 m，其它侧入岩不小于1.0 m；若入岩范围内揭露中风化深度超过0.5 m，墙底进入中风化0.5 m。同时在基坑内设置深井降水管井进行减压疏干降水。在地下连续墙各槽段之间设置工字形型钢接头，另外基坑连续墙两侧均设置直径850 mm、间距600 mm的三轴水泥土搅拌桩进行槽壁加固，同时在连续墙接缝位置设扶壁柱。止水帷幕典型断面如图1所示。

图1 止水帷幕设计示意图

1.4 降水井结构设计及布置方案

基坑内共设置60口深井降水井，基坑外设置23口观测井，降水井设计参数如表2所示。

表2 降水井设计参数表

2 抽水连通试验设计

试验需在整个拟建场区基坑开挖前、周边地下连续墙落底式止水帷幕完成后进行，试验井位置见图2。试验共设置7组，每组试验由2口坑内抽水井和坑外及坑内分别至少2口观测井组成，在每组抽水试验结束后，进行水位恢复试验。7组试验不是同时进行，待前一组试验完成后进行下一组试验。具体分组和试验时间如表3所示。

图2 试验井分组及位置示意图

表3 抽水连通试验井的分组

3 试验结果

3.1 试验记录

各组连通试验记录了降水井在各观测节点的降深，由于各组试验曲线总体特征相似，限于篇幅，选取有代表性的两组试验的降深-时间（S-T）曲线，详见图3。

图3 典型连通抽水试验S-T曲线

图3中以第7组连通试验曲线为例，可以发现：试验开始时，抽水井降深在短时间内快速增大，在200 min时水位便已接近最大降深，随后逐渐趋于稳定，300 min后基本处于稳定状态，变化幅度在1～2 cm/h。停泵后，抽水井水位在短时间内迅速回升，随着时间的推移，水位恢复的速率逐渐降低。在观测期间，抽水井J2-10、J2-11在430 min时水位分别达到最大降深9.19和9.68 m。

坑内观测井J2-12在抽水的前60 min内降深速率较快，之后降深缓慢增加并趋于稳定。最大降深2.3 m。抽水井停止抽水后，坑内观测井水位在短时间内快速回升，随时间推移逐渐趋于恢复到原始水位。坑外观测井J1-7在观测期内，持续缓慢下降，在观测期内最大水位降深达到0.81 m。

将7组试验中最大降深汇总，结果见表4。

表4 连通试验坑内外试验井的最大降深汇总表

3.2 试验结果分析

通过连通试验数据，可以观察到以下特征。

（1）由图3可知，每组试验中抽水井与观测井的水位变化趋势基本一致，变化特点为：最开始在短时间内水位快速下降，随后水位下降速度逐渐降低，趋于稳定；停泵后，水位快速攀升，然后逐渐稳定，整个变化曲线类似 “勺”形。

（2）表4中对比坑内外观测井的最大降深，发现7组试验均呈现同样的规律：观测井距离抽水井越近，其水位降深越大；观测井中，坑内抽水井的水位降深最大，变化速率最快，坑内观测井次之，坑外观测水位降深最小，变化速率最慢，降深呈现出明显的降水“漏斗效应”。

（3）表4的坑内外降深数据和图3中的降水井S-T曲线均表明：在坑内抽水时，坑外观测井呈现出微小的水位降深，表明落底式止水帷幕并没有完全隔绝坑内外的水力联系。

（4）表4中各组试验的坑内抽水井的最大降深明显大于坑外观测井，坑内外平均水头差达10.5 m，表明落底式止水帷幕虽然没有完全隔绝坑内外水力联系，但增加了地下水的渗流路径，大幅度减缓了坑外水位的下降速率，隔水效果较明显，可大幅降低坑外地下水的涌入量。

4 地连墙渗透系数反演

4.1 模型建立

数值模拟技术可以计算基坑内外的涌水量，模拟出整个开挖过程的非稳定流过程，而且还可以预测基坑周边每一点的水位降深，实现对降水工程设计的优化。

本基坑工程平面长约360 m、宽约260 m。降水目标层为承压含水层，水量较大。模拟计算区域范围确定为基坑边线向外扩展420 m，垂直方向尺寸为下伏相对隔水基岩以下25 m，即计算区域尺寸为1 200 m×1 100 m×75 m。根据图1和表1中的参数，在Modflow软件中建立地下水渗流数值模型。得到概化的水文地质模型如图4所示。由于在整个模拟过程中主要是观测承压含水层的变化情况，故在初始水位赋值时，承压含水层初始水位需根据实际勘察情况设置为相对标高-14.5 m。

图4 华润万象城的水文地质模型

4.2 边界条件设置

边界条件包括基坑止水帷幕、抽水井定流量边界及模型范围的定水头边界等。根据工程实际情况，止水帷幕范围为整个基坑边界，深度设置为落入基岩层0.5～2.5m，地连墙厚度为1 m。试验井参数根据表3、按照设计平面图2进行布置，单口井抽水量为1 920 m3/d。定水头边界设置于模拟区边界，定水头相对标高取抽水试验期间的最高水位-10.5 m。边界条件设置后模型如图5所示。

图5 边界条件示意图

4.3 模拟计算结果

4.3.1 反演渗透系数

在软件中模拟抽水过程中基坑内外渗流场的变化情况，不断调整地下连续墙的渗透系数，直至达到与现场连通试验一致的S-T曲线，从而反演出地下连续墙的渗透系数。以第一组抽水试验为例，模拟计算中各个时刻的水头压力云图如图6所示。

图6 不同时刻水位降深断面图

图6显示,第1组数值模拟试验的坑外观测井的降深为0.90 m，现场第1组抽水连通试验的坑外观测井的降深为0.87 m，即试验坑外降深模拟值与实测值两者趋于一致，反演得到第1组地连墙渗透系数为6.0×10-6cm/s。运用同样的方法以7组连通试验中各组抽水井试验时间的坑外观测井水位降深为依据，通过连通试验反演得到不同试验井处的地连墙渗透系数，结果见表5。

表5 各组试验反演所得的地连墙渗透系数汇总表

由表5可见，反演得到的地连墙平均渗透系数的变化区间为1.6×10-6～6.0×10-6cm/s，不同区域渗透性的离散性较大，但在同一数量级，地下墙渗透系数属于正常范围内，说明墙身范围没有出现明显的渗漏。

4.3.2 水位降深

由于降水井数量设计中考虑了一定的安全储备，实际降水时不会同时开启所有降水井，所以模拟计算时设定开设的降水井数目为45口，根据表5中反演所得的渗透系数，对该场地进行抽水一段时间的降深预测，得到水位降深等值线图及剖面图，结果见图7。

图7 水位降深模拟图

图7中显示，基坑群井抽水时，基坑内承压含水层水位降深最小达到22.9 m，满足安全水位-23 m的要求。基坑外承压含水层水位最大降深约为1.8 m。主要因为地下连续墙有效地阻隔了基坑外地下水的补给，使得基坑内外的水位差较大，在水头差的作用下，基坑外地下水通过基岩与地下连续墙之间的缝隙向基坑内进行了补给，导致了坑外的水位下降。

5 结论

抽水连通试验能够很好地反映落底式止水帷幕的止水效果，根据坑内外水位降深的大小，反映坑内外水力联系的强弱，间接反映其止水效果。在某超深基坑进行7组现场连通试验，观测了各组试验井的地下水位降深随时间的变化，得出如下结论。

（1）基坑底部基岩裂隙的存在，导致落底式止水帷幕无法完全隔离帷幕内外的水力通道。

（2）虽然落底式止水帷幕无法完全阻隔坑内外的水力通道，但可以延长地下水从坑外涌入坑内的渗流路径，减缓了坑外水位的下降速率，说明落底式止水帷幕对控制坑外地下水效果明显。

（3）基于根据地勘资料及本地经验确定的地层水文地质参数，借助渗流分析软件Visual Modflow模拟抽水过程中基坑内、外渗流场的变化情况，以现场观测井的水位实测数据为依据，开启和冻结对应的基坑降水井。通过不断调整地下连续墙的渗透系数等参数，最终达到与现场连通试验一样的S-T曲线，从而反演出地连墙的渗透系数，进一步预测了原基坑降水井数量可满足安全降深的要求。

（4）由于连通试验本身的局限性，通过试验数据，只能反映出止水帷幕的隔水综合效果，而不能判断是否存在渗漏点和基岩裂隙水的发育程度。