悬挂式止水帷幕涌水量计算数值模拟及验证

张钦喜 宋亚通 闫金波

（北京工业大学，北京 100124）

0 引言

建筑工程中，地下水控制在深基坑工程中有着举足轻重的地位。随着都市现代化的发展，城市的高楼大厦越来越多，为满足其他需求，基础设计深度也越来越深。与此同时，深基坑开挖过程中通常会遇到地下水的情况，如果地下水得不到有效的控制和处理，不仅会影响到深基坑施工，还会影响整个工程的工期，因此，地下水的控制在基坑施工工程中有着较为重要的影响[1]。

在实际工程中，针对一些地下水位较低、含水层较薄、渗透系数较小和相对隔水层埋深较浅的地层，采用落地式止水帷幕能够有效减少地下水抽排和基坑周边地表沉降。但对于地下水位较高、含水层厚、渗透系数较大以及相对隔水层埋深较大的地层，采用落地式止水帷幕存在着施工成本过高和施工难度大的问题，因此常采用设置悬挂式止水帷幕和坑内降水井相结合，止水与降水相结合也不失为一种有效的方式。许多研究学者利用有限元分析软件对悬挂式止水帷幕渗流场进行了分析。王国光[2]利用有限元分析程序PSFEM 对基坑渗流场进行了分析计算,表明止水结构物能够防止基坑发生破坏，并且止水结构需要有一定的插入深度。吴世兴[3]对深厚含水层必须设置悬挂式止水帷幕辅助降水的基坑进行了二维数值模拟，主要得出悬挂式止水帷幕的止水效果有限，当插入深度达到一定深度时，坑内涌水量和坑外水位下降并不是很明显。许烨霜等[4]在研究地下构筑物对地下水渗流效应的阻挡效应时，得出随着地下构筑物深度的增加，抽水侧的水位降深和沉降量也增加；随着地下构筑物的挡水宽度增大，对地面沉降影响也越大，两者相关系数大于0.99。汤光明[5]利用数值模拟软件Visual ModFlow 研究西安地铁车站中悬挂式止水帷幕对深基坑降水的影响，悬挂式止水帷幕能够有效阻止基坑外水位的过大降深，降水影响半径与无帷幕的降水影响半径相比较小，工程原来降水影响半径不再适用。何绍衡等[6]用有限元分析软件ABAQUS研究了地下水渗流对悬挂式止水帷幕基坑的变形影响，主要得出止水帷幕对于减少坑外降水和坑外地面沉降有着显著作用，随着止水帷幕深度的增加，基坑外水位降深和地面沉降影响范围降低，存在最优的止水帷幕插入深度。

许多学者[7−10]对悬挂式止水帷幕基坑渗流场进行了研究分析，但基坑内涌水量研究尚不成系统。本文依托北京市东城区人民医院基坑项目，对悬挂式止水帷幕基坑内涌水量和影响半径进行研究，并进行现场监测，丰富悬挂式止水帷幕基坑涌水量研究理论，为此后类似工程提供参考价值和经验。

1 工程与地质概况

1.1 工程概况

本工程位于北京市东城区永外定安里，东临定安里 11 号、13 号住宅楼，南临北京益华食品厂，西临规划定安里中路，北临刘家窑路。该工程建设用地面积8309.53 m2，总建筑面积约31910 m2，其中地上建筑面积约11350 m2，地下建筑面积约20560 m2。同时该工程由一栋综合楼组成，地上6～7 层，裙楼地上3～4 层，建筑高度不超过40 m，配套设施地上1～2 层，均设4 层地下室，楼座间均为纯地下车库部分。

本工程基坑长约103 m，宽约67 m，基坑深度达23.29 m，且周边环境复杂，地下水丰富且赋存条件复杂，属于深大复杂基坑。

1.2 工程地质概况

根据目前钻探孔资料，勘察所揭露50 m 深度范围内地层除上部填土外，以下为一般第四纪冲洪积层。工程地质典型剖面图如图1所示。

图1 工程地质典型剖面图

1.3 工程水文地质概况

在野外勘察期间（2018年 10月），于钻孔中实测两层地下水水位。（1）潜水：初见水位埋深22.00～22.60 m，绝对标高18.28～18.45 m，稳定水位埋深21.00～22.10 m，绝对标高18.95～19.30 m，主要赋存于⑤卵石层中，水量较大。（2）承压水：初见水位埋深28.30～33.40 m，绝对标高7.65 m～12.19 m，稳定水位埋深24.10～27.20 m，绝对标高13.85～16.20 m，主要赋存于⑧卵石层中，水量较大。

1.4 悬挂式止水帷幕选型

本工程地下水位埋深20 m 左右，为潜水，含水层为卵石层，水量丰富，水位位于基坑底面以上2～3 m，须采取降水或止水措施，才能进行基坑开挖和地下结构施工。

为满足基坑工程需保持干燥环境和北京市有关政策规定，采用悬挂式止水帷幕的地下水控制方案。护坡桩桩径800 mm，桩间距为1.4 m，护坡桩深度为35.5 m，采用桩锚结合的支护，护坡桩典型剖面图如图2所示。止水帷幕深35.5 m，采用在护坡桩桩间施作高压旋喷桩的工艺进行帷幕桩施工（DJP 工法），桩径1200 mm，间距1.4 m，共计须施作旋喷桩241 根。旋喷桩上部20 m 为空孔，下部15.5 m 为水泥土桩实体。

图2 护坡桩典型剖面图

2 模型建立

为了预测该工程基坑内涌水量，利用有限元数值模拟软件Midas GTS 进行分析，本文研究的基坑为不规则形状，长约103 m，宽度约为63 m，基坑深度为23.29 m，根据实际工程需要，为研究基坑内涌水量和基坑降水对周围环境影响等因素，建立模型尺寸为500 m×500 m×50 m（长度×宽度×深度）。假设基坑底部隔水层在50 m 处，悬挂式帷幕深度为35.5 m，为完全隔水材料，同时基坑东侧和北侧卵石层内含有黏土层，黏土层渗透系数较小。建立的模型如图3所示。

图3 基坑模型示意图

根据工程实际地质条件，将地层简化为具有代表性的五个地层，分别为杂填土层、粉质黏土层、细砂层、黏土层和卵石层，各土层的渗透系数为：粉质黏土层渗透系数k=0.05 m/d；细砂层渗透系数k=5.0 m/d；黏土层渗透系数k=0.001 m/d；卵石层渗透系数k=80 m/d。

根据工程地质勘测条件，卵石层内常年水位在地下埋深20 m 左右，基坑深度为23.29 m，为保证基坑底部水位距离基坑底部有0.5～1.0 m，设置基坑外初始水头值为29 m，基坑底部水头值为26 m。

3 数值模拟结果分析

3.1 基坑渗流路径

基坑渗流路径模拟图如图4所示，从图中可以看出，在有悬挂式止水帷幕的基坑中，地下水渗流均由止水帷幕底部流过，增加了地下水的渗流路径，能够有效地减少基坑涌水量。在有黏土层的基坑内北侧，地下水渗流需要通过黏土层部分，从黏土层内渗流出来水量较小。

图4 基坑渗流路径模拟图

3.2 基坑水头值和降水影响范围

基坑水头值和降水影响范围示意如图5所示，可以看出基坑内水头值固定在26 m，基坑外水头最大值固定在29 m，基坑外水头值在26～29 m 之间变化，基坑北侧水头变化比较缓慢，水头变化有以下趋势：（1）随着距离止水帷幕距离的增加，基坑外水头值越来越大；（2）随着距离止水帷幕距离的越来越大，基坑外水头值增加的趋势越来越小。同时可以看出，基坑外水头值在距离基坑100～130 m 变化不大，趋于平稳，由于基坑北侧底部含有黏土层等透水性较小地层，基坑南侧坑外水位降深大于基坑北侧水位降深，基坑内降水对基坑北侧建筑物影响较小。

图5 基坑水头值和降水影响范围示意图

3.3 基坑内节点流量图

基坑内节点流量图如图6所示，可以看出基坑内涌水量有以下趋势：（1）基坑内角落处的节点涌水量大于基坑中间部位的涌水量，且变化趋势明显；（2）基坑内靠近止水帷幕一侧涌水量值大于基坑中间部位涌水量值，随着距离止水帷幕的距离的增加，涌水量值越来越小。基坑内节点最大涌水量为130.57 m3/d，通过对数据整理，基坑内涌水量可以达到1970.3 m3/d。

图6 基坑内节点流量图

3.4 基坑内渗流速度

基坑内渗流速度如图7−图9所示，当基坑内渗流达到稳态时，基坑内水平方向渗流速度较小，竖向渗流速度较大。同时基坑内渗流速度有以下趋势：（1）基坑内角落处的渗流速度较大，基坑内中间部位渗流速度较小；（2）基坑内靠近止水帷幕一侧渗流速度较大，随着距离止水帷幕的距离的增加，渗流速度越来越小。

图7 基坑内X 方向渗流速度示意图

图8 基坑内Y 方向渗流速度示意图

图9 基坑内Z 方向渗流速度示意图

4 现场监测数据分析

基坑外不设置降水井降水，基坑内按25 m 距离间隔设置30 口降水井，基坑外侧设置7 口水位观测井。

4.1 基坑内涌水量

基坑内涌水量对比如图10所示，当基坑内渗流状态达到稳定时，基坑内实际监测涌水量值和数值模拟值趋势相同，基坑内涌水量可以达到1970 m3/d左右。

图10 基坑内涌水量对比图

4.2 基坑外水位降深

基坑外水位降深如图11、图12所示，可以看出基坑外水位下降实际监测值与数值模拟值趋势相同，较为接近，但存在较小的差异，主要由于在数值模拟过程中仅仅考虑了地下渗流场对基坑外水位降深的影响，对地层参数和属性与实际存在一些差距。另外，基坑北侧水位下降小于基坑南侧的水位下降，主要是由于基坑底部北侧含有黏土层等透水系数较小的土层，其渗流速度相对于南侧的较小，水位下降比较缓慢。

图11 基坑外南侧水位降深图

图12 基坑外北侧水位降深图

5 结论

依托东城区人民医院基坑工程开展了悬挂式止水帷幕基坑涌水量和降水影响半径的数值模拟计算和监测，主要得出以下结论：

（1）利用有限元数值模拟软件分析的基坑内涌水量与实际监测的数值趋势相同，日涌水量可以达到1970 m3。

（2）设置悬挂式止水帷的基坑，原基坑降水影响半径不再适用，降水影响半径比原来有所减小。

（3）随着距离止水帷幕距离的增加，基坑外水头值越来越大；随着距离止水帷幕距离的越来越大，基坑外水头值增加的趋势越来越小。

（4）基坑内角落处的节点涌水量大于基坑中间部位的涌水量，且变化趋势明显；基坑内靠近止水帷幕一侧涌水量值大于基坑中间部位涌水量值，随着距离止水帷幕的距离的增加，涌水量值越来越小。

（5）基坑内角落处的渗流速度较大，基坑内中间部位渗流速度较小；基坑内靠近止水帷幕一侧渗流速度较大，随着距离止水帷幕的距离的增加，渗流速度越来越小。