连载丨复杂地质条件下超深基坑渗流特性研究（2）

3影响因素分析

在上述模型的基础上分析降水井底部高程、地下连续墙埋深深度以及土层渗透系数对基坑渗流特性的 影响。

3.1?降水井底部高程的影响分析

通过设置不同的降水井底部高程来分析其对基坑渗流特性的影响。分析采用控制变量的方法，即在其余条件相同的情况下，对不同的降水井底部高程进行对比分析。降水井总排水量均为0.7m3/s，地下连续墙的插入深度为55?m，与相对隔水层距离为5?m。降水井底部高程分别选取40?m、45?m、50?m共3种方案如图2所示。

（a）                    （b）

（c）

图2?3种方案下降水井与地下连续墙的相对位置关系示意

（a）方案一；（b）方案二；（c）方案三

图3为3种方案的坑内降深曲线，图4为3种方案的坑外降深曲线。当降水井底部高程为40?m时，恰好进入相对隔水层，坑内降深为22.1?m，坑外降深为10?m；若降水井底部高程提高5?m，则坑内降深提高为23.1?m，较方案一提高1?m，坑外降深为10?m；降水井底部高程提高10?m，坑内降深增24.4?m，较方案一提高了2.3?m，坑外降深仍为10?m。

图3?降水井底部高程与坑内降深的关系曲线

图4?降水井底部高程与坑外降深的关系曲线

由上述的分析可知：在同一降水量条件下，降水井底部高程对坑内降深有明显影响，降水井底部高程越高，坑内降深越大，降水效果越好，而坑外降深基本保持不变。主要原因有以下两方面。

（1）二元结构覆盖层各层的渗透性相差明显，渗透系数自上而下逐步加大，在相同抽水量条件下， 井深大的坑内降深必会降低。

（2）当降水井底部高程低于地下连续墙的底高程，基坑降水很难有效地利用地下连续墙的水平隔渗作用，地下水绕至地下连续墙底部水平进入降水井，渗径较短；当降水井底部高程高于地下连续墙的底高程，地下水需绕过地下连续墙底部，再向上流动进入降水井，可有效利用地下连续墙的隔渗作用，延长水流渗径，加速渗入坑内水流水头的衰减。故当抽水量相同时，提高降水井底部高程能有效降低坑内地下水位，如图5所示。

（a）              （b）

图5?渗流路径示意

（a）方案一；（b）方案二

综上，在二元结构富水覆盖层中开挖基坑时，提高降水井底部高程能提升坑内降水的效率，但在实际工程中，提高降水井底部高程会降低井深，从而降低降水井的排水能力。因此降水井井深并不是越小越好，在确定排水深井时，应结合基坑的开挖深度、开挖规模及单个降水井的排水能力，合理利用悬挂式地下连续墙的水平隔渗作用。

3.2?地下连续墙埋深深度的影响分析

主要分析地下连续墙埋深深度对基坑渗流特性的影响。排水井井底高程均为50?m，坑内的地下水最小降深均为25?m，地下连续墙底高程与相对隔水层距离分别选取5?m、10?m、15?m 共3种方案。

当地下连续墙底与相对隔水层间距为5?m，基坑内各点水头基本降至75?m以下，满足开挖要求；总水头等值线在坑外部较稀疏，在坑内相对较密，且在地下连续墙处发生突变，说明此时地下连续墙的隔渗效果较好，很大程度上阻止了基坑外部的水进入基坑。在抽水作用下，降水井周围水头值相对较低；坑外渗流流速较小，地下连续墙底部渗流流速较大。

当地下连续墙底与相对隔水层间距增至10?m，在降水满足开挖的条件下，坑外的水头线分布加密，地下连续墙处水头值的突变也消失，说明地下连续墙底部的绕渗作用增强；当间距增大，坑外渗流流速也随之增大。

当地下连续墙底与相对隔水层间距增至15?m，在符合开挖条件下，进一步加密坑外的水头线分布，由于地下连续墙底部的绕渗作用，坑外降深也逐步 加大。

综上可知，地下连续墙底与相对隔水层间距对基坑开挖过程中的渗流特征影响较大，但在实际施工过程中，人们通常通过直接观测地下水位和控制基坑的排水量，实现对基坑渗流的控制，因此确定基坑排水量是工程设计中的一个关键环节。3种方案基坑的总排水量见表2。

表2?基坑排水量参数

3.3?地下连续墙埋深深度与降水井底部高程共响 分析

在保持坑内降深不变的前提下，改变地下连续墙埋深深度与降水井底部高程6种方案的渗流分析结果见表3。

表3?地下连续墙渗流参数

（1）?随着地下连续墙底与不透水层间距的增大，防渗墙的隔渗作用减弱，基坑附近总水头等值线渐呈稀疏状。

（2）方案一：降水井底部高程为45?m，与地下连续墙底平齐，坑内总抽水量为1.056?m3/s。

（3）方案二：降水井底部高程为50?m，与地下连续墙底平齐，地下连续墙隔渗减弱，坑内总抽水量增大为1.14?m3/s，与方案一相比增大8?%。

（4）方案三：降水井底部高程为55?m，与地下连续墙底平齐，坑内总抽水量为1.196?m3/s，与方案一相比，地连墙埋深深度减小10?m，而实际的抽水量仅增大13.30?%。可见在这种强透水二元结构地层中的深基坑降水设计中，当地下连续墙不封底时，地下连续墙底强透水层的绕渗作用较大，地下连续墙延长水流的渗径作用并不明显。

（5）方案四：降水井底部高程为50?m，较方案一提高了5?m，即高于地下连续墙底5?m。此时在降水井运行过程中，能有效利用防渗墙的水平隔渗作用，抽水量为0.905?m3/s，与方案一相比减小0.151?m3/s，减小14?%。

（6）方案五：总抽水量为0.98?m3/s，与方案二相比减小0.16?m3/s。

（7）方案六：总抽水量为1.015?m3/s，与方案三相比减小0.181?m3/s。

综上，在强透水二元结构地层的深基坑降水设计中，当地下连续墙不封底时，地下连续墙底的强透水层的绕渗作用较大，地下连续墙延长水流渗径的作用并不明显。故基坑不封底时的降水设计应适当提高降水井底部高程，协调隔渗和排水的相互作用，合理利用防渗墙的水平隔渗作用，以达到事半功倍的效果。

3.4 ? 强透水层渗透系数的影响分析

通过改变模型中强透水层的渗透系数来研究其对基坑渗流特性的影响。仅改变渗透系数的情况下4种方案的基坑抽水量结果见表4。

表4?4种方案的抽水量参数

（1）对比方案一至方案三：当渗透系数每降低至原来的1/10，坑内总抽水量也减小至原来的1/10，二者大致成正比关系，其主要原因是土层渗透系数较大时，该层是基坑渗流的主要通道，其渗透系数直接影响坑内管井的抽水量。

（2）方案四：当透水层渗透系数减小， 是方案三的16?%。主要因为此时透水层转变成弱透水层，与基岩和粘土的渗透性相当，透水层已不再是基坑渗流的主要通道，整个地层都是弱透水性质，井内的水是从基岩和透水地层渗入。综上，当其他条件不变，坑内排水量主要取决于透水层的渗透系数，符合渗流达西定律。

同时，方案一基坑的日排水量为173?664?m3，抽排水能力很难满足，在地层中开挖深基坑，必须将地下连续墙封底，才能保证基坑施工的安全。

方案二基坑的日排水量为17?539?m3，施工场地符合抽排条件时，再结合坑外降水。目前的抽排能力仅基本满足需求，但因施工中存在多种不确定因素，为保证基坑的安全施工，仍建议采用地下连续墙封底方案。

方案三基坑的日排水量为1?884?m3，对抽排能力要求不高，从节约开支和工期的角度，地下连续墙不封底的方案也可行。

方案四，整个地层都呈现为弱透水性，总抽水量较小，目前的抽排能力能够满足需求。这种情况基坑的隔水、降水设计已经不是基坑设计的难点和关键。

因此，在实际施工过程中，应结合透水层的渗透系数特点，采取合适的地下水控制方案，实现工期和施工成本的最优化。

4结论

基于长江一级阶地的场地条件，建立典型的二元结构渗流计算模型，利用三维有限单元法对悬挂式地下连续墙的超深基坑降水问题进行研究，针对基坑降水设计的坑内排水量、地下连续墙埋深深度以及降水井的深度等问题，开展了多种降水方案的模拟计算，并分析对基坑渗流特性的影响，得出的结论如下。

（1）相同的隔渗措施，坑内降水井深度与坑内水头降深关系密切，降水井井深越深，对侧向地下连续墙水平隔渗作用利用得越少。较浅的降水井井深能有效利用地下连续墙隔渗作用，延长渗流路径，渗流的总体强度减弱，若流量不变，井深越浅，坑内水头降深越大。

（2）地下连续墙底与相对隔水层的间距对基坑的渗流特性影响明显，随着间距的增加，地下连续墙的绕渗作用增强，坑内排水量越大，且基坑的总排水量与防渗墙底和相对隔水层间距大致成线性正相关。

（3）不封底深基坑的降水设计应适当提高降水井底部高程，协调隔渗和排水的相互作用，合理利用防渗墙的水平隔渗作用，达到事半功倍的效果。

（4）岩土层的下部强透水地层是渗流的主要通道，对基坑内的抽排水能力要求较高。

透水层具备一定的阻流能力，对坑内抽排水能力要求不高，采用悬挂式地下连续墙和坑内降水结合的降水方案，能充分发挥透水层的阻流作用，实现工期和施工成本的最 优化。

（本文已完结）