基于地下水渗流场数值模拟的不同地基处理方案影响分析

范晓岭 安静 李长洙

1.北京交科公路勘察设计研究院有限公司 北京 100191

2.中国建筑业协会 北京 100055

1 引言

由于我国西部地区特殊的自然环境和地理位置等方面的原因，在实施西部大开发战略的过程中，必须注重脆弱生态环境的保护，特别是公路、铁路等线状工程，在穿越湿地保护区时，工程建设方案应最大可能的减少对地下水径流场的扰动，保护工程建设范围内的地下水资源。

新疆位于欧亚大陆腹地，在地质构造作用下形成了三山夹两盆，具有典型的内陆盆地气候特征，其水的循环主要为内循环，地下水通常为干旱区的主要供水资源[1]。

柴窝堡湖位于欧亚大陆腹地，属典型温带大陆性干旱气候，年均气温5.0℃，年降水量64mm，年蒸发量2716mm。其整体位于构造断陷盆地，盆地四周冰水型河流水系发育，是形成湖体的主要补给源。流域内含有丰富的地下水资源，是乌鲁木齐市供水的主要贮备水源[1]。近些年由于水资源开发利用过度，汇入湖体水量减少，目前主要接受地下水的侧向径流补给[2]，且湖泊水位出现不断下降，面积不断萎缩，生态环境极为脆弱[3]。

根据盆地内水文地质单元的划分情况，湖体位于封闭的柴窝堡-盐湖强烈沉降带水文地质区，沿洼地中心分布着条带状承压-自流水带，多见地下水溢出，是湖体的主要地下水补给来源之一[4]。该条带状在长期浸泡和缓慢水流作用下，是盆地范围内主要的软弱土分布地带，宽度2-4km不等，厚度约5-7m，见图1。

图1 柴窝堡盆地水文地质略图

公路等现状工程在以路基形式穿越该条带状承压-自流水带时，需要进行软弱土地基处理。在地基处理过程中不可避免对地下土体的渗透性产生影响，改变地下水的渗流场。在该条带状的地下水渗流作为柴窝堡湖主要的补给来源之一情况下，需要选择合适的地基处理方式，最大限度的减少对地下水渗流场的影响。

2 工程概况

结合某高速公路穿越苇湖湿地工程方案开展研究，该工程建设位置及方案见图2。受线路展线影响，线路同柴窝堡湖重要地下水补给带呈小角度交叉，穿越里程约3.2km，其中跨越自流区域位置工程方案为桥梁，其他部分为路基，路基最大填高3.5m。该段场地主要为粉质黏土、细中砂及角砾土等地层互层分布为主，其中浅部地层为粉质黏土，厚度5-8m不等。该区域为地下水的自流区域，受长期地下水浸泡影响，浅部的粉质黏土多呈软塑、流塑状，一般地基承载力在80kPa左右，根据路基填筑要求，需要对其进行加固处理。

图2 线路穿越承压-自流水带工程方案

3 柴窝堡湖区域水文地质条件

柴窝堡湖流域为山间盆地型闭流水系，受地形地貌控制，北侧地下水总体由北向南东运移，柴窝堡湖东北，受三个山方向地下水侧向径流补给，地下水总体流向为南西向；在湖盆轴部，受多层结构承压水影响，地下水流向为东南方向，向洼地轴部及柴窝堡湖和盐湖方向运移。

湖盆地层由山前冲洪积的粗颗粒土逐渐向湖盆中心过渡到土砂互层状分布，地下水类型也由单一的丰富潜水过渡为潜水、承压水等多层结构。地下水主要接受山前地表径流经粗颗粒下渗后的侧向补给，以蒸发和人工开采为主要排泄方式。

线路穿越位置为湖盆的轴部位置，同轴部夹角约为30°，见承压地下水的溢出，流向东南，汇至柴窝堡湖，流速缓慢，地表多以饱和软塑流塑状粉质黏土为主，承载力低，不满足路基承载力要求。根据勘察揭露的地层情况，线路穿越位置浅部地层存在5-7m厚的软塑状粉质黏土，其下部为8-10m的厚层角砾土和砾砂层，其中角砾土充填物的细中砂，渗透系数较高。共揭露一层地下水，靠近地表，为承压水，含水层为软塑状粉质黏土下部的角砾土和细中砂，承压水头约5-7m。

4 地基处理后地下水渗流演化过程及对公路路基边坡稳定性影响

4.1 计算模型与工况

目前常用的软土地基处理方法包括碾压、夯实、排水固结、换土垫层、挤密、振冲碎石桩、高压喷射注浆、深层搅拌及铺设土工聚合物等多种方法[5]-[9]。考虑不同地基处理方法对地下水渗流场的影响，建立包括地基处理后近似完全阻断地下水渗流、以透水桩作为地下水渗流通道和部分阻断地下水渗流等三种模式[10-11]，其中近似完全阻断对应的地基处理方式为碾压、夯实、换土垫层、挤密、深层搅拌、高压喷射注浆，以透水桩作为地下水渗流通道对应的地基处理方式为振冲碎石桩，部分阻断地下水渗流对应的地基处理方式为CFG桩、管桩等。计算横断面选取垂直与湖盆轴部的条带状承压-自流水带，计算模型分别见图3和图4，模型长度300m，高23m，共划分2259单元，2393个节点。

图3 不同渗透性地基处理方案地下水渗流计算模型

图4 以透水桩作为地下水渗流通道计算模型

物理力学参数根据勘察成果、室内试验及经验给出，计 算采用摩尔库伦本构模型，数值分析所用的计算参数见表1。

表1 土体物理力学参数

4.2 不同地基处理方式对地下水渗流的影响

柴窝堡湖主要以条带状承压-自流水带的地下水渗流作为主要补给来源，本次模拟在正常渗流作用下，不同地基处理方式对地下水渗流的影响，模拟见图5、图6和图7。

图5 近似完全阻断地下水渗流计算模型

图6 以透水桩作为地下水渗流通道计算模型

图7 部分阻断地下水渗流计算模型

（1）根据图5分析，当采用近似不透水地基处理方式时，地下水在含水层中靠近地基处理下部，单位流量由小变大，过渡不明显，流量同下部位置变化近似相等。

（2）根据图6和图8分析，当采用部分阻断地下水渗流的地基处理方式时，部分地下水在承压水头作用下沿地基处理位置运动至地表和路基位置；在地基处理位置靠近地下水渗流上游，单位流量出现较大的增加和突变，水平方向的流量大于垂直向上方向的流量，并沿地下水渗流方向逐渐减少。分析主要是由于地下水总流量在向上运动过程中损失了向下游补给的地下水水量。

图8 X、Y水通量沿自流带变化趋势

（3）根据图7分析，当采用透水桩的地基处理方式时，因透水桩渗透系数较大，地下水在承压水头作用下，主要沿透水桩由桩底运动至地表和路基位置。因地基处理一般情况下大于路基填筑范围，在无路基压覆位置，地下水自由渗出，有路基压覆位置，地下水继续在路基范围内发生渗流，且流量在路基压覆起始位置沿地下水渗流方向逐渐降低，无路基压覆位置，流量变化不大。分析主要是路基的压覆作用延长了地下水的渗流通道，增大了路基中的孔隙水压力。

4.3 不同地基处理方式对路基稳定性影响

路基稳定性一方面受填筑材料、地基及地下水的影响，另一方面，孔隙水压力的存在也同时降低坡体的安全储备系数，诱发滑动[12-13]。当采用不同地基处理方式时，地下水的渗流对路基边坡稳定性影响差异较大。因本次主要考虑地下水的渗流对路基边坡的稳定性，当采用近似不透水或部分阻断地下水渗流的地基处理时，地下水渗流对路基边坡影响较小，因此本次以透水桩地基处理方式为例，说明地下水渗流对路基边坡的稳定性影响，并进行了数值模拟，分别见图8和图9。

图9 考虑渗流作用的路基边坡稳定性计算

根据图9和图10对比分析，在不考虑渗流的情况下，路基边坡稳定系数在1.331-1.996，处于稳定状态，如考虑渗流，路基边坡最大稳定系数为1.145，处于不稳定状态。根据图9和图10模拟对应的处理方式，图9不考虑渗流作用的状态即为采用近似不透水的地基处理方式，图10即为采用透水桩作为地下水渗流通道的地基处理方式。当采用部分阻断地下水渗流的地基处理方式，地下水的渗流对路基边坡稳定性的影响介于二者之间。

图10 未考虑渗流作用的路基边坡稳定性计算

5 结论

项目在以路基形式穿越柴窝堡盆地条带状承压-自流水带时，通过数值模拟方法，建立了3种模型，分别模拟了不同地基处理方式对地下水渗流场的影响，以及渗流对路基边坡稳定性的影响。

（1）根据模拟结果，当采用碾压、夯实、高压喷射注浆、深层搅拌等近似不透水渗流模型时，对地下水的渗流影响相对较小，且对路基边坡稳定性影响最小。

（2）当采用振冲碎石桩等透水桩作为地下水渗流通道模型时，地下水渗流水流量在桩底位置变化较大，且随着地下水沿透水桩向上渗流至路基边坡位置，孔隙水压力的增大降低了路基边坡的稳定性。

（3）当采用部分阻断地下水渗流地基处理方式时，对地下水的渗流及路基边坡的稳定性介于上述两者之间。

（4）项目处于干旱区，地下水的渗流补给受区域水资源利用及调蓄补给作用影响，渗流场的变化相对较复杂。文章采用的数值模拟方法主要依据现有的水文地质条件进行研究，其适用时段有一定的局限性，必要时应通过水文地质试验获得更加直观的数据作为研究的参考依据。