异形落底式地下连续墙阻渗作用分析∗

杨彦子，唐 红，黄云浩

（武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430081）

0 引言

近年来，随着我国城市化进程的加速，城区面积不断扩大，人口密度急剧增大，现代高层建筑更加重视立体空间的使用。 建设垂直空间的重点之一为地下空间建设，地下围护结构可为地下空间阻水、挡土。 其中，落底式地下连续墙为我国常用的超高层建筑地下围护结构［1］，其优点为机械施工振动较小、噪声低、墙体刚度大、防渗性能优异、适用多种地基条件、能充分利用土地资源、贴近建筑红线，因此城市高层建筑地下结构设计常常选择地下连续墙作为建筑挡水结构。 而当今发展条件下，城区内施工环境日益复杂，使用矩形地下连续墙会损失部分土地使用率，造成土地资源的浪费；矩形结构的地下连续墙虽然施工方法简单成熟，但容易破坏地下水渗流路径，对长江重补给城市地下水资源造成阻碍。

现阶段对于异形落底式地下连续墙的研究有所欠缺，目前常见的仍为矩形地下连续墙。 孙淑贤［2］基于理论数学模型和试验的方式研究发现，增加止水帷幕的插入深度会增加地下水的绕渗路径，且地下水在止水帷幕下方的绕渗速度加快，流速高造成水头损失加大，易发生流砂现象；同时基坑下部产生较大水力坡度，而基坑外水头损失不大，从而形成相当大的渗流力，对基坑底部的稳定性不利。 黄阜等［3］基于有限差分法分析了地下水渗流效应对基坑开挖的影响，并且用有限差分法对地下水渗流场进行了模拟。 顾健［4］和赵宇亭［5］基于工程实例与现有施工工法分析了异形地下连续墙的施工难点，特别是异形槽段开挖阶段转角的处理问题。 张凯华［6］根据钻孔抽水试验计算出地下水渗流造成滞水区时对周边土体的影响半径及形成“池盆效应”可能造成的破坏。 秦明霞［7］根据工程案例设计了一套地下水加压试验系统，根据试验得出基坑施工过程中地下水渗流对土的抗剪强度的影响，其中土体颗粒在渗流作用下会产生一定的固结错位移动，提升了土颗粒间的连锁效应，增强了破坏力。 地下水渗流的速度变化与水压差对落底式地下连续墙周边土体造成的影响是不可忽视的，而地下连续墙的建设反过来又会影响地下水的渗流路径，造成地下滞水区的形成，加剧了流速差值与水压差值的变化。 异形落底式地下连续墙在几何形状上为防止破坏地下水渗流路径而设计，在截断地下水流通路径问题上尽量削弱影响，保护周边地表建筑，最大程度利用建筑红线内的土地资源。 随着新技术的出现，异形落底式地下连续墙的施工方案在经济成本和时间成本上的劣势也得以改善，因此是一种值得研究的地下连续墙结构设计思路。

本文对比了不同异形地下连续结构在地下水影响作用下产生的渗透力，以分析不同几何结构对水土流失及工程风险的改善作用。

1 阻渗分析

1.1 模型设计

利用COMSOL 有限元软件进行模拟，以长800m、宽300m 的矩形土层作为模拟的基础流场，以长164m、宽130m、墙厚2m 的落底式地下连续墙为基础地下结构，并在四角分别进行不同程度的切角与倒圆角，形成止水帷幕形状不同的数种工况。

实际工程中的渗流多为平面问题，故建立二维渗流模型。 流场内地下水渗流规律符合达西定律的慢速渗流状态，土体模型忽略气体对水流的影响，故为饱和土。 根据不可压缩流体的假设和水流连续条件，在体积不变的条件下，饱和土流入微单元的水量必须等于流出的水量［6］。 与异形落底式地下连续墙联合后的水土联合体采取流固耦合-固定几何的模拟接口，删除微小影响因子，着重分析异形几何结构对地下水的阻渗效果，具体评估标准为渗透变形量和渗流速度。 因存在江堤等构筑物阻挡，故不考虑湍流情况；固体力学接口不考虑地下水对落底式地下连续墙的力学作用，只分析几何结构对地下水的截流阻渗效力，故设定为刚体无滑移外壁。

1.2 无切面矩形落底式地下连续墙

地下连续墙设计模型如图1 所示。

地下连续墙四周土体为渗流场发生区域，将模型的层流场和固体力学部分进行全耦合，形成的模拟渗流场如图2 所示。

图2 无切面矩形地下连续墙渗流场（单位：m／s）Fig.2 Seepage field of no cut surface rectangular drop-bottom diaphragm wall （unit： m／s）

地下水渗流在经过地下结构时，地下水的渗流路径被大幅度改变，地下水的流速在迎水面上大幅度减小，在迎水面的转角处则大幅度增加，最大流速为18.372×10－4m／s，迎水面最小流速接近于停滞且存在回流，流速为－6.64×10－4m／s，可能存在蓄水区，渗流速度差为25.012×10－4m／s。 渗流水在迎水面会出现较大的流速差值，产生因流速不一致而出现的渗透力。

输入孔隙水压力后，结果如图3 所示。 由图可知，无切面落底式地下连续墙结构四周的孔隙水压力梯度值为－108 ～－213N／m3，最大值与最小值的差值为105N／m3，存在渗透破坏的风险。

图3 无切面矩形落底式地下连续墙孔隙水压力场（单位：N／m3）Fig.3 Pore water pressure field of no cut surface rectangular drop-bottom diaphragm wall （unit： N／m3）

1.3 异形落底式地下连续墙

1.3.1 模型建立

模拟以切除矩形结构四角为基础，构造异形落底式地下连续墙，其几何特征为一次切面、二次切面及全圆弧面。 其中，墙体厚度与深度和原矩形地下连续墙相同，并放入相同的渗流场中，输入达西流数值后，模拟渗流影响。

模拟时，由于只考虑渗流场影响，故不定义几何体本身属性，如渗透系数、材料刚度、滑移度等数值，着重考虑几何体对渗流路径及孔隙水压力的影响。 建模形成3 种异形落底式地下连续墙，如图4所示。

图4 不同形式的落底式地下连续墙Fig.4 Different forms of drop-bottom diaphragm wall

1）第1 种是将无切面矩形落底式地下连续墙的4 个角等边切除，缩进半径为20m，形成一次切面的异形落底式地下连续墙。

2）第2 种是将一次切面的异形落底式地下连续墙的折角再次等边切除，缩进半径为17.5m，形成二次切面的异形落底式地下连续墙，其设置目的是为了试验极端设计下的几何结构是否存在边界效应，以优化设计并得到工程造价、工期与结构效能之间互相平衡后的最优解。

3）第3 种是将无切面矩形落底式地下连续墙的4 个角设置成圆弧面，形成全圆弧面异形落底式地下连续墙，设置目的是模拟环形地下结构对地下水渗流路径的影响。

1.3.2 达西速度场模拟

将3 种异形落底式地下连续墙的几何模型放入低速流场，水头差设置为长江丰水期最大承压水位，以考虑极限状态，模拟结果如图5 所示。

根据模拟结果可知，渗流在经过一次切面异形落底式地下连续墙时的流速相较于无切面矩形落底式地下连续墙的流速差值有所改善，其迎水面切面折角处最大流速为16.176×10－4m／s，最小流速为－5.94×10－4m／s，渗流速度差为22.116×10－4m／s，相较于矩形无切面落底式地下连续墙，渗流速度最大值与最小值的差值下降11.58%。

在经过二次切面异形落底式地下连续墙时，其地下水渗流流速差值进一步减小，其迎水面切面折角处最大流速为 13.027 × 10－4m／s， 最小流速为－6.019×10－4m／s，渗流速度差为19.046×10－4m／s，相较于一次切面落底式地下连续墙下降13.88%，与矩形地下连续墙相比，渗流速度的最大值与最小值的差值下降23.85%。

全圆弧面落底式地下连续墙的情况并未使达西流的流速差下降，其迎水面圆弧面处最大流速15.48×10－4m／s，最小流速为－6.395 5×10－4m／s，渗流速度差为21.875×10－4m／s，与二次切面异形地下连续墙相比流速差有所上升，渗流速度的最大值与最小值的差值下降14.9%。

1.3.3 孔隙水压力模拟

将3 种模型接入孔隙水压力环境，结果如图6所示。

图6 地下连续墙孔隙水压力场（单位：N／m3）Fig.6 Pore water pressure field of diaphragm wall （unit： N／m3）

在同等单元体大小的情况下，一次切面落底式地下连续墙结构四周的孔隙水压力在－107 ～－173N／m3，最大值与最小值之间的差值为66N／m3，对比无切面矩形地下连续墙的数据，压力差值下降了37.1%，有效改善了因压力差值产生的颗粒对水阻力，同时降低发生渗透破坏的风险。

二次切面落底式地下连续墙结构四周孔隙水压力在－105 ～－143N／m3，最大值与最小值之间的差值为38N／m3，对比一次切面落底式地下连续墙，压力差值下降了42.4%，对比无切面矩形落底式地下连续墙，压力差值则下降了63.8%，高低压力差值进一步下降，且下降幅度明显，大幅度改善了地下水渗透环境。

全圆弧面落底式地下连续墙结构四周的孔隙水压力梯度值为－104 ～－142N／m3，最大值与最小值之间的差值为38N／m3，对比二次切面落底式地下连续墙结构并没有变化，说明改善效果存在边界效应，在制造成本与结构性能间存在平衡。

2 地下结构群对环境的影响

武汉位于长江中下游地区，长江对武汉城区地下水、周边地下工程施工以及地下结构物渗漏的影响是不可忽视的，尤其是超高层建筑的地下工程。

对于临江地下工程而言，孔隙承压水主要赋存于场区中部砂土层中，工程基坑边线距长江亲水平台临水侧距离较近，场区孔隙承压水与长江水体存在密切的水力的联系，水量丰富，在长江丰水期，江水补给地下水，反之地下水补给江水，年变幅随距江边距离的增大而减小。 在1—3 月承压水位较低，枯水期（2 月）承压水位一般为11.600 ～15.000m，7—9 月承压水位较高，丰水期（8 月）承压水位一般为20.400 ～22.800m［8］。 地下水径流相应表现为每年丰水期地下水由长江向阶地内侧流动、反之地下水从阶地向长江流动，在长江平水期，地下水的径流速度极为缓慢。 在一般的临江工程项目中，每年长江枯水期是地下水排泄的主要时段。

随着临江建筑的不断修建，地下结构呈现加深且密集化的趋势，对地下水的渗流路径造成影响，在长江丰水期影响地下水由长江向城区补充，而枯水期则影响地下水由城区向长江回流。 当长江进入丰（枯）水期时，地下水渗流量增加，临江地下结构物会对地下水的渗流路径造成阻挡，使局部孔隙水压力提高，压力差扩大，相对渗流速度差值变化较大，从而使长江两岸土地的地下水环境劣化，且在地下结构周边的低速渗流会造成一定程度的地下积水，对周边土体造成影响，可能使其性状较工程勘测时期发生改变，留下隐患。 因此，地下结构在设计之初，应适当考虑地下结构对地下水渗流路径及周边地下水环境的影响，在环境保护与经济效益之间寻求平衡点，以减少隐患，并达到环境友好的目的。

3 案例分析

楚商大厦由1 栋超高层主塔楼及裙房组成（见图7），项目规划总用地面积29 193.41m2，总建筑面积548 338.28m2。 其中主塔楼108 层，地面以上高475.90m；裙房为19 层，地面以上高79.50m。

图7 楚商大厦效果Fig.7 Effect of Chushang Mansion

场地地下水类型主要有上层滞水、孔隙承压水及基岩裂隙水。 上层滞水主要赋存于第1 层填土中，该层地下水与下部砂性土层中的孔隙承压水被黏性土阻隔，主要来自大气降水及城市管道渗漏补给［9-10］，水位受季节性控制，随季节而变化，无统一水位线，水量不大。 勘察期间测得上层滞水水位埋深0.300 ～3.500m，水位标高22.990 ～23.480m，根据区域水文地质资料及临近场区施工经验，场区内的孔隙承压水水位标高年变化幅度一般为3.000 ～5.000m，洪水期水位标高年变化幅度可达到8.000～10.000m。

楚商大厦采用地下连续墙作为止水帷幕，地下连续墙布置如图8 所示，因考虑复杂地下水环境，落底式地下连续墙的西北、西南角采取切面设计，考虑到地下水渗流路径的疏导作用以防止地下积水造成的路面下陷，还考虑了最大化使用红线内的用地面积，减少土地浪费，且使用了TRD（trench cutting re-mixing deep wall method）工法桩，在保证施工质量与效率的同时，完成异形结构的施工。

图8 楚商大厦地下连续墙平面Fig.8 Diaphragm wall plane of Chushang Mansion

4 结语

通过对3 种不同几何结构的异形落底式地下连续墙的多物理场进行模拟和对比，主要得出以下结论。 当优化几何结构时，地下结构对周围土体地下水流速的影响可以降低，其中一次切面落底式地下连续墙周围土体的地下水渗流速度差的峰值相比于矩形落底式地下连续墙下降11.58%，有效减小渗流速度差，减少了低速渗流造成积水区的风险，减少了长江向地下水重补给过程的干扰；而孔隙水压力差值相比于矩形落底式地下连续墙下降37.1%，有效降低了地下水对土体骨架的渗透力影响，降低了渗透破坏的风险。 二次切面落底式地下连续墙周围土体的地下水渗流速度差的峰值相比于矩形落底式地下连续墙下降23.85%，进一步降低了渗流速度差，对地下水渗流路径的干扰进一步减小；孔隙水压力差值相比于矩形落底式地下连续墙下降63.8%，效果相较于一次切面落底式地下连续墙更为明显。 而全圆弧面落底式地下连续墙对地下水渗流速度差的优化程度与二次切面接近，对孔隙水压力差值优化程度与二次切面近乎相同，说明地下连续墙的几何结构改进效果存在边界效应，在优化效果与施工成本之间可以取一个平衡点，不用一味追求几何结构上的改变。

随着武汉沿江地区开发的不断深入，高层和超高层建筑在沿江区域的不断建设，地下结构的密度和深度也不断增加，同时，新型施工工法与施工机具也日益更新换代。 相较于普通的矩形落底式地下连续墙，异形落底式地下连续墙在施工难度上已经降低，采用TRD 或MJS 等工法来进行施工，在控制成本与进度的同时对环境更加友好。