止水帷幕深度对地下水渗流规律的影响分析

汪勋文，江 继

(1.武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430081； 2.武汉市汉阳市政建设集团有限公司，湖北 武汉 430050)

0 引言

海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[1]。毕晓晴[2]介绍了下沉式绿地、透水铺装、植草沟渗透设施及地下蓄水池等海绵城市设施；张月[3]从法律法规制度建设、相关配套政策制定等方面总结了海绵城市建设；黄云浩[4]认为目前海绵城市研究主要是地表处理措施，对于高层建筑超大超深基坑止水帷幕对深层地下水渗流场的影响研究较少；孔政、欧阳健等[5-6]通过现场抽水试验及SEEP/W软件对落底式止水帷幕地下水渗流特性进行了一定的研究；周鹏华[7]通过中心岛法施工研究了基坑采用不同止水帷幕时基坑内外水位和孔隙水压力变化规律；何绍衡[8]通过ABAQUS软件模拟了基坑分级降水开挖对坑外地下水及地表沉降的影响。

本文从工程背景出发，依托实际工程建设场地的水文地质条件，通过施工现场抽水试验坑内外抽水井水位降深数据，利用FLAC3D软件构建数值模型，研究有无止水帷幕，止水帷幕是否落底以及不同深度止水帷幕对地下水渗流变化规律的影响，为实际工程止水帷幕设计提供参考依据，为海绵城市建设提供新思路。

1 工程概况

武汉长江航运中心大厦项目坐落在武汉市江汉区，北临民生路，东临沿江大道，西临黄陂街。基坑长约210 m，宽170 m，开挖面积31 121 m2，普遍开挖深度在19 m～22.4 m之间，局部深度接近25.5 m。研究区地貌单元属长江一级阶地，沿埋藏深度呈典型的二元结构，即上部以杂填土、黏性土为主，逐步过渡到下部的粉细砂及底部卵砾石层，是具有“固、液、气”三相性的多孔介质[9]。水文地质垂直地层划分见表1，综合考虑各项因素，本基坑被判定为一级深基坑工程。基坑及降水井平面布置示意图见图1。

2 FLAC3D分析模型的建立

实际施工过程落底式止水帷幕和抽水井的干扰，使施工现场地下水不能维持稳定流状态，而是三维渗流状态。故可以进行简化计算，利用连续方程和其定解条件，对三维非稳定渗流的规律进行分析，即求多孔介质中的水流动问题。

因此，对地下水问题进行简化，可以简化为研究地下水在多孔介质中的流动问题，并利用连续方程和定解及其定解条件，对三维非稳定渗流的规律进行分析。

根据地质勘察资料、相关规范资料和当地的工程经验可得其各层土体及计算参数如表1所示，本项目地连墙的渗透系数为10-6cm/s。

基坑所处土层的渗透系数是通过基坑土层勘测到的渗透系数K,单位为cm/s，通过下式进行换算得到：

k=K×1.02×10-6。

其中，k为FLAC3D计算中的渗透系数，m2/(Pa·s)；K为土层的渗透系数，cm/s。由此得到了FLAC3D各层土的渗透系数K,如表1所示。

表1 水文地质垂直地层划分及模型参数

因此，基坑计算模型渗流场的初始边界条件可以被确定下来。在坑内设置透水边界作为降水井的滤管部分，抽水时设置控制水头作为降水井水头。由于基坑施工范围较大，水流量较大，设置基坑两侧远离降水井处为界，假定地下水位不变，即为水头界，根据基坑降水影响半径的规律；假定地质为均质且各向同性，根据含水层水平向与竖向的渗透性质。

地下水渗流的补水边界选择模型左、右边界和地表，不透水边界选择止水帷幕，根据表1中的各项参数，给每一地层赋值，得到对应的概化模型，如图2所示。

本模拟过程以观测承压含水层的变化为主，故根据实际勘察数据赋值承压含水层初始水位，且根据实际勘察范围地质情况简化后，进行小范围模拟来进行研究。

同时，为兼顾模拟速度和精度，划分网格时，相对于一般区域，加密重点研究部位。计算区域水平范围及网格划分如图3所示。

基坑降水模拟中，边界条件有止水帷幕、抽水井定流边界、模型范围定水头边界等。在基坑降水模拟中，模型按照项目的具体设定，范围为基坑左边界，并依据武汉地区数据资料及施工经验，将止水帷幕深度设为入基岩层2 m，厚度1 m，渗流系数设定为5×10-5，地连墙深度37 m，抽井深度40 m。本数值模型拟合修正是利用多井抽水试验观察数据进行的。抽水试验模拟是在工程抽水试验的设计基础上，基于初始数值模型的模拟。

通过对止水帷幕系数和含水层渗透系数在合理范围内调整，对长江航运中心项目基坑降水模型进行校正，降水模型拟合校正图如图4所示，SWZ1为基坑中部新增水位观测井。

对比发现计算结果与实测数据存在一定差异，这是由于数值计算忽略一些实际施工中遇到的问题，由于变形趋势差别不大，验证本模型与相关参数的均合理。

3 止水帷幕埋深的影响分析

3.1 落底式止水帷幕降水模拟

根据长江航运中心基坑降水井布置方案，进行方案一降水模拟(见图5)。方案一主要考虑止水帷幕嵌入中风化泥岩0.5 m(止水帷幕埋深约为56 m)，其他条件不变。

采用非稳定流进行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d时模拟区域稳定后的基坑孔隙水压力空间等值线(如图6所示)。

由图6能够发现，采用方案一时，随着抽水天数的增加，基坑内孔隙水压力不断下降，直至达到降水井埋深。

在抽水模拟前期，当止水帷幕嵌入泥岩时，基坑外侧含水层在水平向表现为水平渗流，而且没有明显的向下越流和绕流现象。在抽水模拟后期，止水帷幕嵌入泥岩深处时出现较为显著的向下越流和绕流现象。可以发现止水帷幕并不能完全切断基坑内外的水力联系，但采用止水帷幕改变了地下水渗流方向且止水效果相当显著。

3.2 悬挂式止水帷幕(52 m)降水模拟

根据长江航运中心基坑降水井布置方案，进行方案二降水模拟。方案二主要考虑止水帷幕落在承压含水层③-2细砂上(止水帷幕埋深52 m)并未嵌入泥岩，其他条件不变。

采用非稳定流进行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d时模拟区域稳定后的基坑孔隙水压力空间等值线(见图7)。

由图7能够发现，采用方案二时，随着抽水天数的增加，基坑内孔隙水压力不断下降，直至达到降水井埋深。

在整个降水井抽水过程中，由于弱承压含水层即相对隔水层中粉质黏土层的隔水性较差，承压含水层细砂层具有水力联系，使得坑外地下水经地连墙和止水帷幕底部透水层发生绕流，在地连墙和止水帷幕底部周围分别产生了土体“渗流集中”的现象。基坑底部的水被抽走，形成一个排水面，使孔压降低的土层向下扩张，最终在止水帷幕底部处，坑外地下水通过绕流涌入附近的降水井。同时在整个降水过程中存在水平方向和竖直方向的渗流，且水平方向的渗流作为主要渗流方式。

3.3 悬挂式止水帷幕(36 m)降水模拟

根据长江航运中心基坑降水井布置方案，进行方案三降水模拟。方案三主要考虑止水帷幕落在承压含水层③-2细砂上(止水帷幕埋深约为36 m)并未嵌入泥岩，其他条件不变。

采用非稳定流进行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d时模拟区域稳定后的基坑孔隙水压力空间等值线(见图8)。

当采用方案三止水帷幕与地下连续墙埋深相同时，对比方案二，能够发现，随着止水帷幕插入深度的减小基坑底部孔隙水压力逐渐增大。

3.4 无止水帷幕降水模拟

根据长江航运中心基坑降水井布置方案，进行方案四降水模拟。方案四主要考虑无止水帷幕时，地下水渗流情况分析模拟，其他条件不变。

采用非稳定流进行模型，抽水1 d,5 d,15 d,30 d时模拟区域稳定后的基坑孔隙水压力空间等值线(见图9)。

由图9能够发现，在方案四无帷幕的情况下，地下连续墙发挥部分止水作用，基坑外侧含水层在水平向表现为水平渗流，而且并没有明显的向下越流和绕流现象。基坑内侧地下连续墙能减缓地下水渗流的速率和地下水渗流路径，对地下水的渗流有着较大的影响。地下水向基坑渗流方向没有止水帷幕时，其路径由水平逐步转成竖直，最终在抽水井处汇集。基坑内侧竖直方向的渗流作为主要渗流方式。

3.5 方案对比分析

以基坑为中心向外辐射的区域，在基坑降水到达稳定状态后，会形成一个潜水自由面，基坑降水的涌水量大小受到该潜水自由面影响的区域和下降深度的直接影响，同时，地连墙及止水帷幕的存在也会对其产生一定影响，其形状类似于漏斗。

通过数值模型模拟基坑降水过程中潜水自由面的变化情况，模拟降水情况与实际基本相符，水位在开始抽水的15 d里下降速度更快，然后逐渐平缓下来，到了30 d后，基本上平稳下来(见图10)。

随着止水帷幕深度的加深，从图10中可以看出，基坑中孔隙水压力具有一定的变化。

当地下水达到稳定流状态时，从基坑底部孔隙水压力变化曲线可知，当止水帷幕深度为56 m时(此时止水帷幕已落底)，基坑底部孔隙水压力最大值为0.54 MPa，当止水帷幕深度为52 m时(此时止水帷幕未落底)，基坑底部孔隙水压力最大值为0.88 MPa，当止水帷幕深度为36 m时(此时止水帷幕未落底)，基坑底部孔隙水压力最大值为0.94 MPa。无止水帷幕时，基坑底部孔隙水压力最大值为1 MPa。

3.6 止水帷幕阻碍作用对海绵城市的影响分析

止水结构阻滞对海绵城市的影响有以下几个方面：挤占地表水的渗水空间，减少地表水的渗水速率，最后使与止水结构临近处的海绵城市设备效率降低，这是由于阻滞作用，导致地下水的渗水速率降低，局部地下水水位升高过快引起的。

地下结构对天然流场的阻隔或截断会使得地下结构两侧地下水的水位局部上升或下降，造成两侧水力梯度增大[10]，阻碍地下水的流通，降低附近海绵城市设施的效率。同时，较大幅度的水位变化会造成建筑物内突水和增加附近建筑因浮托力而破坏的风险[11]，为城市的建设带来隐患。

4 结论

武汉地处长江中游江汉平原，为长江冲积平原地貌，分为长江Ⅰ级，Ⅱ级阶地，这类结构的特点是下部具有深厚的砂土及卵砾石层，渗透性大，地下水丰富，具有承压性，且与长江有一定的水力联系[12]。针对这种典型的地质构造，结合数值模拟，发现影响规律如下：

1)设置止水帷幕会改变地下水渗流方向。无止水帷幕时，基坑外侧含水层在水平向表现为水平渗流，基坑内侧表现为竖直渗流，有止水帷幕的情况下，在止水帷幕处地下水产生绕流的现象，并且让含水层的渗流方向从水平流变成越流。

2)当采用落底式时，止水帷幕里侧和外侧孔隙水压力分布有显著差别，孔隙水压力等值线呈现较大波动；在砂卵石地层时，随着止水帷幕插入深度的增加基坑底部孔隙水压力逐渐降低。

3)相同条件下，落底式止水帷幕相对于非落底式止水帷幕，对地下水的流动影响较大，从而降低附近海绵城市设施效率，故需根据工程实际水文地质情况合理选择止水帷幕形式及深度。