不同帷幕深度在基坑开挖时的渗流影响分析

郝英泽

(黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150080)

0 引 言

为保证基坑边坡工程的稳定，常需进行降水工程和地基防渗措施。降水工程可降低坑外地下水位，保证土体开挖的稳定性，避免造成坑内外的地面不均匀沉降。同时为防止水向坑内渗流造成坑内外的水头差，出现管涌、流沙现象等，需采取堵排防渗措施，包括侧向隔水和封底隔水两种，常见的侧向隔水帷幕有地下连续墙、搅拌桩、板桩。当坑底土层渗透性高，采用封底隔水帷幕，包括高压旋喷桩、深层搅拌桩、压浆止水帷幕等。在软土地区，可降低挡土桩的变形，形成的重力式结构体可兼具隔水和挡土功能[1]。

1 渗流有限元原理

当渗透方向同物理坐标时，渗流定解可近似为求解能量泛函的极值问题，其微分表达式为：

(1)

单元水头插值函数为：

(2)

式中：Ni(ξ,η,ζ)为单元形函数；Hi为水头值；(ξ,η,ζ)为单元局部坐标[2]。

转换可得渗流场的几何形式：

[K]{H}={F}

(3)

式中：K为渗透矩阵；{H}为水头列阵。

主渗流方向单元u、v、w与整体坐标系x，y，z关系式为：

(x，y，z)T=R{u，v，w}T

(4)

在局部坐标系下的单元几何矩阵为：

[B′]=[R][B]

(5)

则单元渗透矩阵表达为：

(6)

3 工程实例

3.1 计算模型

某高层建筑的基坑开挖深度16 m，宽度40 m。土质为砂土与砂砾石等，土体力学参数天然状态：γ=19.5(kN/m3)、C=14.4kPa、Φ=27.2；饱和状态：γ=20.5(kN/m3)、C=12.24kPa、Φ=23.12。防渗设计中止水帷幕宽度为1 m，深度根据计算需要设定16m-30m依次递加[3]。基坑模型如图1所示。

图1 基坑平面模型

3.2 边界条件

定水头边界：AF、DC，隔水边界：AB、BC，除定水头边界和隔水边界，其余边界均为变水头边界[4]。

3.3 计算结果

文章对止水帷幕深度为16 m、18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m、30 m八种工况条件进行计算分析，止水帷幕渗透系数为1.25×10-8m/s[5]。基坑的渗流通量计算结果见图2。

(a) (b)

基坑渗流量和侧壁关系对比结果如图3所示，可知基坑渗流量最小值在距基坑侧壁20m，最大值在距1.6 m处，分析是因止水帷幕侧壁阻碍地下水流动，在1.6m处阻碍作用最为明显，随着帷幕深度的增加，渗流量不断降低，阻滞作用逐渐平缓。

图3 基坑渗流量和侧壁关系曲线图

基坑渗流速度随帷幕深度的矢量变化如图4所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)图4 不同帷幕深度的渗流速度矢量图

由图可知，当帷幕深度为16 m时，基坑外侧渗流主要体现在坑脚处，该处的渗流速度明显大于其他位置，此时的渗流速度为3.53×10-6m/s,随着帷幕深度的增加，最大流速点不断下移，当帷幕深度达到一定值，此后渗流速度逐渐趋于平缓稳定。

4 结 论

基于渗流分析有限元原理，根据实际基坑工程地质资料，有限元计算不同帷幕深度的基坑渗流速度和渗流通量值，对比分析各深度的基坑渗流场变化规律。结果表明随止水帷幕深度增加，基坑的渗流量与流速先升后降，达到一定值后，基坑外侧地下水位逐渐平缓，各控制变量值趋于稳定。