富水砂层悬挂式止水帷幕基坑降水渗流分析

牛磊 杲亚强 孔燕 崔亮

【摘    要】：为了验证坑内降水导致基坑外地下水位下降量与止水帷幕设置深度的关系，利用ModFlow三维渗流软件，计算出不同止水帷幕深度条件下基坑外侧水头降深值。结果显示，随着止水帷幕深度的增加，坑内降水对坑外的影响减小，前期增长显著，待止水帷幕长度增加到一定值后，继续增加止水帷幕长度对于减小坑外水位下降幅度贡献不大，但工程造价显著增加。

【关键词】：悬挂式；止水帷幕；河漫滩地区；富水砂层；基坑降水；渗流

【中图分类号】：TU753【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）02-52-03

【DOI編码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.013

Analysis about Seepage in Foundation Pit Dewatering of Pensile Curtain in Water-Rich Sand Area

NIU Lei1，GAO Yaqiang1，KONG Yan2，CUI Liang1

（1. Shanghai Changkai Geotechnical Engineering Co. Ltd.， Shanghai 200093，China;

2. China Railway 11th Bureau Group Urban Rail Engineering Co. Ltd.， Wuhan 430074，China）

【Abstract】：In order to verify the relation between groundwater level drop outside excavation caused by precipitation and pensile curtain setting depth， this paper uses ModFlow， a three-dimensional seepage software， to  calculate drawdown of water head outside excavation under different pensile curtain depths.The results show that： with the increase in the depth of the curtain， the effect of precipitation on the pit is reduced， and pre-growth is significant. When the length of the water curtain is increased to a certain value， the continued increase in the length of the water curtain has little effect on reducing the decline in the water level outside the pit， but the project cost is significantly increased.

【Key words】：pensile; curtain; floodplain area; water-rich sand area; foundation pit dewatering; seepage

近年来，随着城市轨道交通的发展，哈尔滨地铁建设速度快、规模大，按一条新线30站的规模估算，50%的站位位于松花江河漫滩地区。哈尔滨松花江漫滩地层主要特点为含水层透水性较强，地下水与松花江存在较强的水力联系，松花江侧向径流补给和地表水下渗补给为主要补给来源。深基坑开挖降水难度和风险较大。现阶段，哈尔滨地区基坑止水帷幕多进入泥岩，理论上将上部承压含水层隔断；但是以牺牲工程造价、施工周期和地下生态环境为代价的。在确保安全的前提下，悬挂式止水帷幕的应用能够大大降低工程造价，缩短工期，避免了资源的浪费及对松花江漫滩地区地下水生态环境的破坏[1]。本文依托哈尔滨轨道交通3号线体育公园站，利用ModFlow三维渗流软件，研究不同深度止水帷幕基坑降水对周边环境的影响。

1 工程概况

哈尔滨轨道交通3号线体育公园站总长482.0 m，标准段宽19.7 m，深度约17.5～20.45 m。周边建筑物距离基坑距离均在2倍基坑深度范围以外。见表1。

根据区域地质资料及勘察情况，本工程所处地貌单元属松花江低漫滩，涉及地下水主要有潜水和孔隙承压水两种。

1）潜水。主要赋存于第四系全新统砂层中，地层富水性好，透水性强，与松花江及何家沟水力联系密切，含水层总厚度20～30 m，受松花江侧向径流补给与何家沟地表水下渗补给为主要补给来源，排泄方式主要为蒸发及人工开采，地下水水位年变幅2～3 m。

2）孔隙承压水。本场地第一层承压水主要赋存于2-4层砂层中，含水层顶板为2-4-1层粉质黏土，底板为7-1层粉质黏土，由于2-4-1层局部缺失，承压水与上部潜水连通，承压水水头高与潜水面一致。第二层承压水主要赋存于第四系下更新统东深井组冰水堆积层砂层中，含水层顶板为7-1层黏性土层，底板为白垩系下统粉砂质泥岩，含水层厚度约9～15 m，因7-1层黏土层局部缺失，该含水层水无稳定隔水层，局部与上部潜水层联通，具微承压性。勘察期间承压水水头高程在110.0 m左右，承压水水头高约30 m。该含水层透水性强，富水量大，主要接受侧向径流补给，以侧向径流排泄为主。

结合地层情况，进行了现场专项水文地质抽水试验，获取了各含水层以及弱透水层的水文地质参数。见表2。

2 止水帷幕方案

结合基坑开挖深度，受力计算地下连续墙最小深度为32 m，因此本次模拟计算最小计算深度为32 m，按照哈尔滨以往的设计经验，地下连续墙需要设置47 m，墙底需要进入下部的8-1层泥岩隔水层。

基坑开挖至基底位于第一层2-4层中粗砂层，局部进入2-4-1层粉质黏土层中，第二层2-4层中粗砂层为承压含水层，其初始水位埋深5 m，基底抗突涌安全系数Fs最小值为0.09，基坑开挖至基底最大水位降深15.5 m，水头降深非常大，降水量和降水风险极大。考虑第二层2-4层中粗砂层底埋深24.9～33 m，地下连续墙受力计算最小深度为32 m，大部分区域已经将第二层2-4层中粗砂层隔断。7-2层承压含水层抗突涌安全系数计算结果显示Fs介于0.748～1.98，左右线共计37个钻孔，其中Fs超过1.1的有7个孔，介于1.0～1.1之间的有15个孔，介于0.9～1.0之间的有11个孔，低于0.9的只有4个孔。Fs对应最小值位置，基坑开挖至基底时安全水位埋深11.92 m，最大水位降深7.8 m。

结合本工程地下水风险分析，针对7-2层地下连续墙采用悬挂式，结合地层情况初步确定深度为37 m。

3 计算模型

3.1 网格剖分边界条件

将整个研究区域四周的水平侧向边界按第一类边界条件的定水头边界处理，垂向上部边界取至地面，下部边界取至8-1层泥岩顶板下4 m（埋深 49.0 m）[2]。

垂向从上向下土层总共分成 7层，地表埋深取0 m，深度49 m范围土层分层情况见表3。

整个剖分区域呈长方形，根据场地实际水文地质结构特征，遵循边缘单元稀、基坑中心单元密的原则，将整个计算区域在平面上剖分成358×420 的矩形网格单元。见表4。

3.2 止水帷幕

止水帷幕设置0、32、37、47 m 4个不同深度，进行地下水渗流计算，评估基坑不同深度止水帷幕条件下坑内降水对坑外地下水影响情况[3]。

3.3 降水井

降水井数量根据不同止水帷幕情况下基坑涌水量并结合单井涌水量进行计算。降水井深度按照进入基底下6 m左右设置，均为26 m。不同深度的止水帷幕，降水井的数量均为44口，单井出水量设置不同。

3.4 模拟结果

不同止水帷幕条件下降水结果见表5。

不同止水帷幕深度下，降水运行60 d后，分别在坑内选取点位，坑外选取止水帷幕外2 m的位置点位进行计算数据分析。见图1。

0 m止水帷幕和32 m止水帷幕均未隔断含水层。0 m止水帷幕，运行60 d后，坑内水位降深仅有4.5 m；32 m止水帷幕，运行60 d后，坑内水位降深仅9 m，这两种情况均未达到基坑开挖水位降深要求，由于坑外大量水平线的补给及越流补给，坑内降水对坑外的影响比较大。

37 m止水帷幕和47 m止水帷幕均隔断上部潜水含水层。止水帷幕37 m深，运行7 d水位降深达到安全开挖要求；止水帷幕47 m深，运行7 d水位降深达到安全开挖要求，同时通过渗流路径图可以看出，坑内抽水，坑外绕流路径比较深，坑外水位降深较小。

4 结论

随着基坑止水帷幕深度增加，坑外水位降深减小。基坑止水帷幕深37 m隔断2-3层、2-4层，坑外水位降幅较32 m深止水帷幕时大幅度减小，降水引起的坑外土体沉降大幅度减小；基坑止水帷幕深47 m时将2-3层、2-4层和下7-2层全部隔断，基坑降水运行后坑外水位较37 m止水帷幕条件下，略有减小。综合以上对比综合分析，最终建议基坑悬挂式止水帷幕深度选取37 m。

群井抽水时的止水帷幕对渗流场造成的影响不可忽略。当带有止水帷幕的围护结构插入承压含水层较深时，坑内降水效果明显好于坑外降水。对于坑内降水，减压井过滤器底端深度须小于止水帷幕底端深度，如果降水井过滤器底端的深度超过止水帷幕底端的深度，伸入承压含水层下部，则抽出的大量地下水来自于止水帷幕以下的水平径向流，不但使基坑外侧承压含水层的水位降深增大，降水引起的地面變形也增大，失去了坑内减压降水的意义。故一般工程中，当止水帷幕部分插入减压降水承压含水层中，坑内减压降水必须合理设置减压井过滤器的位置，充分利用止水帷幕的挡水（屏蔽）功效，以较小的抽水流量，使基坑范围内的承压水水头降低到设计标高以下，尽量减小坑外的水头降深，以减少因降水而引起的地面变形。

参考文献：

[1]冯晓腊，谢武军，卢智强，等.悬挂式止水帷幕对基坑降水的影响[J].土工基础， 2006，（4）：33-36.

[2]沈媛媛，蒋云钟， 雷晓辉，等.地下水数值模拟中人为边界的处理方法研究[J].水文地质工程地质，2008，（6）：12-15.

[3]宋玉田，魏茂雪，齐永红.深基坑防渗帷幕插入深度的分析[J].山东水利，2003，（8）：41-42.

[4]陈新国.悬挂式止水帷幕对基坑降水影响的定量研究[D].武汉：中国地质大学，2007.

[5]汤光明，王建平，张紫艳，等.悬挂式止水帷幕止水作用的数值分析[J].建筑技术开发，2011，38（7）：20-22+32.

[6]金晓文，曾  斌，刘建国，等.地下水环境影响评价中数值模拟的关键问题讨论[J].水电能源科学，2014，32（5）：23-28.