确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境影响的方法

摘要

本发明提供了一种确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境影响的方法，该方法根据土层信息及基坑资料，观测的止水帷幕渗漏情况，现场测定渗漏处的渗漏面积及实际渗漏量；建立三维有限元模型，在模型的相应位置按照渗漏面积设置自定义渗漏单元，并参照三维模型中渗漏量与渗透系数的相关关系图确定渗漏位置的渗透系数；对自定义渗漏单元设置渗漏位置的渗透系数，依次模拟基坑开挖、渗流固结，最终确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏引起的基坑周围地下水位及地面沉降量。本发明方法简单，便于推广，具有很大的应用价值；该方法适用于基坑开挖面上方止水帷幕渗漏的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种确定基坑开挖面 上方止水帷幕渗漏对周边环境影响的方法。

背景技术

自21世纪以来，地下空间的发展得到了不断深化，城市地铁的大规模修建、 地下商场及地下车库等日益增多均有效地缓解了地上空间的压力。伴随着地下空 间的开发，基坑工程也大量涌现，目前，开挖深度达到20～30m的基坑工程越 来越多，有的甚至达到40m以上，即为深大基坑。对于深大基坑，现今使用广 泛的是井点降水与止水帷幕相结合的方法来降低基坑内地下水位。其中，止水帷 幕在深基坑开挖中，既起到挡土作用，又能起到阻止地下水横向渗流的作用，总 而言之，止水帷幕是深大基坑工程开挖得以顺利进行并保证基坑周边不因地下水 渗流而产生过大变形的技术手段。然而，在实际工程中，因施工工艺、施工技术 等原因经常使得止水帷幕出现不同程度的渗漏，若渗漏发生在基坑开挖面上方的 饱和砂土层，严重的渗漏可能会发生流砂现象，从而导致地面发生沉降、管线破 坏、建筑物开裂等灾害。为此，确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对渗流环境影 响的方法，对基坑安全开挖具有非常重要的意义。

经过对现有技术文献的检索发现，对止水帷幕渗漏的研究主要集中在渗漏对 地下水位的影响上，针对的是基坑开挖面下方承压含水层上止水帷幕的渗漏，现 有分析方法采用的是二维有限元法。如Vilarrasa于2011年在《Engineering Geology》上发表的《Amethodologyforcharacterizingthehydrauliceffectivenessof anannularlow-permeabilitybarrier》中利用二维有限元法的数值模拟结果，绘制 出不同止水帷幕渗漏程度下水位降深随时间变化的判断图，但其适用于止水帷幕 完全隔断含水层的情况。Pujades于2012年在《EngineeringGeology》上发表的 《Hydrauliccharacterizationofdiaphragmwallsforcutandcovertunnelling》中利用 二维有限元法绘制了不同渗漏条件下水位降深导数与时间的关系图，并提出了一 些解析计算公式，通过两者的结合可以计算止水帷幕的渗漏系数，其缺点是仅适 用于一定条件下的条形基础。

事实上，止水帷幕的渗漏属于空间问题，而二维有限元法针对的是简化的平 面问题，不如针对空间问题的三维有限元法更切合实际，因此，有必要建立三维 数值模型来模拟基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境的影响。然而对于三维 模型来说，若采用实体单元，那么在渗漏面积较小的部位，需要网格划分的非常 小，使得网格数量偏多，导致计算繁琐，甚至会影响计算的收敛性，最终无法确 定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境的影响。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏 对周边环境影响的方法，在了解土层信息及基坑资料的基础上，根据观测的止水 帷幕渗漏情况，现场测定渗漏处的渗漏面积及实际渗漏量；建立三维有限元模型， 在三维有限元模型的相应位置按照渗漏面积设置自定义渗漏单元，并参照三维有 限元模型中渗漏量与渗透系数的相关关系图确定渗漏位置的渗透系数；对自定义 渗漏单元设置渗漏位置的渗透系数，依次模拟基坑开挖、渗流固结，最终确定基 坑开挖面上方止水帷幕渗漏引起的基坑周围地下水位及地面沉降量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境影响的方法， 所述方法包括如下步骤：

第一步，对基坑进行现场勘查，确定土层划分信息及地下水分布情况，并通 过钻孔取土进行室内土工试验，获取土层的物理力学参数；

第二步，获取基坑平面尺寸、开挖深度，以及止水帷幕厚度、埋置深度、弹 性模量、渗透系数，确定考虑强度折减效应的止水帷幕等效弹性模量E’；

第三步，观测基坑开挖面上方止水帷幕的渗漏情况，记录渗漏位置、渗漏形 态，确定止水帷幕渗漏处渗漏面积D、实际渗漏量Q_k；

第四步，采用有限元分析软件建立基坑开挖面上方止水帷幕渗漏的三维流固 耦合模型；依据现场调查，在三维流固耦合模型相应的渗漏位置按照渗漏面积设 置自定义渗漏单元，模拟基坑开挖过程；

第五步，对自定义渗漏单元假设不同数量级的渗透系数k_j，激活基坑开挖面 上方止水帷幕内侧的渗流边界，确定止水帷幕在各个工况下渗漏一段时间(比如 1天)后的渗漏量Q；

第六步，建立笛卡尔直角坐标系，横轴为不同数量级的渗透系数k_j，纵轴为 渗漏量Q，作出渗漏量Q与渗透系数k_j的相关关系图，并根据关系图确定现场 测定的实际渗漏量Q_k对应渗漏位置的渗漏系数k；

第七步，对三维流固耦合模型中的自定义渗漏单元设置渗漏位置的渗透系数 k，进行渗流固结模拟，确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏引起的基坑周围地下 水位及地面沉降量。

优选地，第一步中，所述的土层划分是指：通过钻孔取土的方法对基坑内地 表以下2.5倍基坑深度范围内的土层进行划分，随后获取施工现场土样进行室内 土工试验，得到施工现场土层划分信息和地质信息，确定各土层土性及相应土层 的厚度；

优选地，第一步中，所述的地下水分布情况是指：采用钻孔探水仪对基坑场 地进行地下水钻孔探明，由揭露的土体类型判断含水层的类型及厚度；钻井观测 不同含水层的稳定水位，对于承压含水层采取隔水措施将被测含水层和其他含水 层隔离后测其稳定水位。

优选地，第一步中，所述的钻孔取土是指：在基坑周围用薄壁取土器获取现 场的土样，土样数以三个试件为宜。

优选地，第一步中，所述的室内土工试验是指：密度试验、比重试验、含水 率试验、三轴试验、常规单向压缩试验、载荷试验及室内渗透试验。

优选地，第一步中，所述的物理力学参数是指：土体的重度、孔隙比、有效 粘聚力、内摩擦角、压缩模量、泊松比、变形模量、水平渗透系数及垂直渗透系 数。

优选地，第二步中，所述的止水帷幕等效弹性模量E’满足以下公式：

E’＝ηE_s，

其中：η为模量折减系数，取1/5；E_s为钢筋混凝土的弹性模量。

优选地，第二步中，所述的止水帷幕渗透系数分为水平方向及垂直方向，水 平方向和垂直方向的渗透系数均取混凝土渗透系数。

优选地，第三步中，所述的渗漏位置是指：渗漏区域在整个基坑平面的位置 坐标，以及在基坑垂直方向上的深度大小。

优选地，第三步中，所述的渗漏形态是指：地下水经止水帷幕渗入基坑时所 呈现的渗漏形状。

优选地，第三步中，所述的止水帷幕渗漏处渗漏面积D通过以下方式确定：

目测渗漏区域位于地表面的大概位置，在所开挖基坑附近的地表面上选取参 照物(参照物在基坑平面图上有位置坐标)，测出参照物和渗漏区域的距离，确 定渗漏区域在整个基坑平面的位置坐标；在渗漏区域的的平面位置坐标处下放测 绳，分别测量渗漏区域最顶端深度h₁、最底端深度h₂及渗漏区域两个侧边之间 的距离l，得到渗漏面积D：

D＝l×(h₂-h₁)。

优选地，第三步中，所述的实际渗漏量Q_k通过以下方式确定：

在基坑开挖面上方止水帷幕渗漏处的正下方安放一个圆桶，测量圆桶的底面 直径d、桶的高度h₃、桶中水的高度h₄；现场测定渗漏位置2个小时的渗漏量 Q_2k的大小；所述Q_2k满足以下公式：

Q_2k＝NV+(πd²/4)×h₄，

式中：N为2小时所接渗漏水的桶数，V为圆桶体积；所述圆桶体积V满足 以下公式：

V＝(πd²/4)×h₃；

通过现场测定的2个小时的渗漏量Q_2k，估算渗漏1天后的实际渗漏量Q_k， 即Q_k＝12Q_2k。

优选地，第四步中，所述的自定义渗漏单元是指具有一定渗透性和刚度的二 节点线单元，该自定义渗漏单元与三维模型中的实体单元共节点，且有三个基本 参数：渗漏面积D_z、渗透系数k和弹性模量E。具体地，渗漏面积D_z由第三步 中实测渗漏面积D确定，满足公式：D_z＝D/n，式中n为止水帷幕渗漏位置所经 过的网格节点；渗透系数k通过设定不同数量级的渗透系数k_j来确定；弹性模量 E取0.01。

优选地，第四步中，所述的三维流固耦合模型是指：模型范围以基坑为中心， 水平方向大于降水井影响半径R；模型垂直方向上大于承压含水层底板所在深 度；对模型进行网格划分，输入土体参数和水位大小，并设定模型的初始条件和 边界条件，其中：模型的初始条件为：水位线孔压为零，位移为零；边界条件为： 模型四周为常水头边界，底部为固定边界条件；土体和止水帷幕均采用8节点孔 压单元，止水帷幕与土体间设置接触面，接触面摩擦系数为0.25。更优选地，所 述的降水井影响半径R采用承压含水层的经验公式：

$R=10S\sqrt{K},$

式中：S为水位降深(m)，K为承压含水层的水平渗透系数(m/d)。

优选地，第四步中，所述的模拟基坑开挖过程是指：削弱基坑内侧土体，移 除基坑内部土体单元完成基坑开挖模拟，土体损失率通过基坑内侧土体的削弱程 度进行调节，控制在1％以内。

优选地，第五步中，所述的不同数量级的渗透系数k_j取10^-6m/s、10^-5m/s、 10^-4m/s、10^-3m/s、10^-2m/s。

优选地，第五步中，所述的激活基坑开挖面上方止水帷幕内侧的渗流边界条 件是指：将基坑开挖面上方止水帷幕内侧的孔隙水压力设置为零。

优选地，第六步中，所述的实际渗漏量Q_k对应渗漏位置的渗漏系数k通过 以下方式确定：

在相关关系图的纵轴上标出实际渗漏量Q_k的位置，并作出水平线，与Q～ k_j相关关系图相交于一点，在该点作出垂直线，即得到实际渗漏量Q_k对应渗漏 位置的渗漏系数k。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在基坑开挖面上方的止水帷幕渗漏模型中，对渗漏处设置自定义渗漏 单元，解决了三维模型中网格划分困难、计算繁琐等难题，最终确定了基坑开挖 面上方止水帷幕渗漏对周边环境的影响。本发明方法简单，便于推广，具有很大 的应用价值。本发明适用于基坑开挖面上方止水帷幕渗漏的问题。

附图说明

图1a为本发明一实施例基坑开挖面上方止水帷幕渗漏下模型的网格局部放 大图；

图1b为本发明一实施例基坑开挖面上方止水帷幕渗漏下模型三维网格图；

图2为本发明一实施例自定义渗漏单元示意图；

图3为本发明一实施例止水帷幕渗漏下渗漏量Q与k_j相关关系图(渗漏1 天后)；

图4为本发明一实施例止水帷幕渗漏下第一承压含水层剖面I-I′水位降深图 (稳定)；

图5为本发明一实施例止水帷幕渗漏下剖面I-I′地面沉降图(100天)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为 前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围 不限于下述实施例。

某基坑工程为圆形基坑，采用高压旋喷桩作为止水帷幕，基坑所处位置的含 水层体系为多层的含水层-弱透水层互层。在基坑开挖时，基坑开挖面上方的止 水帷幕出现渗漏现象。

本实施例提供一种确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境影响的方 法，所述方法包括如下步骤：

第一步，对基坑进行现场勘查，确定土层划分信息及地下水分布情况，并通 过钻孔取土进行室内土工试验，获取土层的物理力学参数。

通过钻孔取土方法确定基坑所处的土层自上而下为：

第一层是厚度为14m的粉土、粉质黏土，属于潜水层；

第二层是厚度为7m的粉质粘土，属于第I弱透水层；

第三层是厚度为10m的粉砂，属于第I承压含水层；

第四层是厚度为5m的粉质粘土，属于第II弱透水层；

第五层是厚度为18m的粉土，第II承压含水层；

第六层是厚度为6m的粉质粘土，属于第III弱透水层。

取土作室内常规试验获得基坑土层土体的物理力学性质为：

第一层粉土、粉质粘土的重度为19.6kN/m³、泊松比为0.25、孔隙比为0.80、 压缩模量为6530KPa、内摩擦角为25°、水平渗透系数为6.94×10^-8m/s、垂直渗 透系数为3.47×10^-8m/s；

第二层粉质粘土的重度为19.8kN/m³、泊松比为0.30、压缩模量为5410KPa、 内摩擦角为21°、孔隙比为0.71、水平渗透系数为2.31×10^-8m/s、垂直渗透系数 为8.10×10^-9m/s；

第三层粉砂的重度为20.4kN/m³、泊松比为0.25、孔隙比为0.58、变形模量 为16000KPa、内摩擦角为30°、有效粘聚力为4.0kPa、水平渗透系数为 4.86×10^-5m/s、垂直渗透系数为1.74×10^-5m/s；

第四层粉质粘土的重度为20.2kN/m³、泊松比为0.30、孔隙比为0.72、压缩 模量为6260KPa、内摩擦角为24°、水平渗透系数为1.16×10^-8m/s、垂直渗透系 数为4.64×10^-9m/s；

第五层粉土的重度为20.3kN/m³、泊松比为0.25、孔隙比为0.68、变形模量 为12570KPa、内摩擦角为30°、有效粘聚力为4.8kPa、水平渗透系数为 2.31×10^-5m/s、垂直渗透系数为9.26×10^-6m/s；

第六层粉质粘土的重度为20.0kN/m³、泊松比为0.30、孔隙比为0.68、压缩 模量为5350KPa、内摩擦角为22°、水平渗透系数为9.29×10^-9m/s、垂直渗透系 数为4.63×10^-9m/s；

第二步，获取基坑平面尺寸，开挖深度和止水帷幕厚度、埋置深度、弹性模 量、渗透系数信息，确定考虑强度折减效应的止水帷幕等效弹性模量。

本实施例的基坑为圆形基坑，半径为18m，开挖深度为32m；止水帷幕的厚 度为1.2m、深度为48m、重度为25kN/m³、水平渗透系数为1.0×10^-9m/s、垂直 渗透系数为1.0×10^-9m/s。考虑强度折减效应的止水帷幕等效弹性模量E’满足以 下公式：

E’＝ηE_s，

其中：η为模量折减系数，取1/5；E_s为钢筋混凝土的弹性模量，得其值为：

$E^{,}={\mathrm{\eta E}}_s=\frac{1}{5}\times 34500=6900MPa.$

第三步，观测基坑开挖面上方止水帷幕的渗漏情况，在整个基坑平面，渗漏 位置A(如图1a所示)位于基坑中心东偏北45°方向的止水帷幕内侧壁上，且 渗漏形态呈竖向线状渗漏；通过下放测绳，测出渗漏处的顶端深度h₁＝21m、底 端深度h₂＝24m，渗漏区域两个侧边之间的距离l＝5cm，故渗漏面积D＝0.15m²； 所述实际渗漏量Q_k通过以下方式确定：

在基坑开挖面上方止水帷幕渗漏处的正下方安放一个底面直径d为1m，桶 的高度h₃为1.5m的圆桶，现场测定渗漏位置2个小时的渗漏量Q_2k的大小，2 小时后桶中水的高度h₄为1.046m，其中，Q_2k满足以下公式：

$Q_{2k}=NV+\left({\mathrm{\pi d}}^2/4\right)\times h_4=1\times \frac{\pi \times 1^2}{4}\times 1.5+\frac{\pi \times 1^2}{4}\times 1.046=1.9996m^3$

式中：N为2小时所接渗漏水的桶数，即为1，V为圆桶体积，V满足以下 公式：

V＝(πd²/4)×h₃＝(π×1²/4)×1.5＝1.1781m³。

通过现场测定的2个小时的渗漏量Q_2k，估算渗漏1天后的实际渗漏量Q_k， 即：

Q_k＝12Q_2k＝12×1.9996＝23.9952m³。

第四步，采用有限元分析软件建立基坑开挖面上方止水帷幕渗漏的三维流固 耦合模型；依据现场调查，在三维流固耦合模型相应的渗漏位置按照渗漏面积设 置自定义渗漏单元，模拟基坑开挖过程。

确定降水井影响半径R，本实施例中，第I承压含水层渗透系数为4.86×10^-5m/s，即4.2m/d，基坑开挖过程中基坑内第I承压含水层水位在基坑开挖面下1m， 即承压水位为-25m，本工程初始承压水位为-1m，故水位降深为24m，降水井影 响半径R为：

$R=10S\sqrt{K}=10\times 24\times \sqrt{4.2}=492m$

分析模型以基坑为中心，水平方向大于降水井影响半径492m，向外扩展 500m，以消除边界条件对计算结果的影响；在平面上，研究范围为1000×1000m²； 在垂向上，计算深度为60m。在水平方向上，有限元网格由基坑向外由密变疏， 每层平面含2920个节点，2829个单元；在垂直方向上，划分为17层。整个模 型共有54720个节点，48093个单元。

如图1a、图1b所示的基坑开挖面上方止水帷幕渗漏下模型网格局部放大 图、三维网格图。输入土体参数和水位大小，并设定模型的初始条件和边界条件。 其中：

模型的初始条件为：分析模型中各含水层初始水位为地面下1m，水位线孔 压为零，位移为零；

边界条件为：模型四周为常水头边界，底部为固定边界条件。

土体和止水帷幕均采用8节点孔压单元，止水帷幕与土体间设置接触面，接 触面摩擦系数为0.25。

依据现场调查，在分析模型相应的渗漏位置A(如图1a所示)设置自定义 渗漏单元，渗漏位置共经过3个节点，故设置3个自定义渗漏单元，渗漏面积 D_z＝D/n＝0.15/3＝0.05m²，图2为自定义渗漏单元示意图。

本实施例中，所述的模拟基坑开挖过程是指：削弱基坑内侧土体，移除基坑 内部土体单元完成基坑开挖模拟，土体损失率通过基坑内侧土体的削弱程度进行 调节，控制在1％以内。

第五步，对自定义渗漏单元假设不同数量级的渗漏系数k_j，激活基坑开挖面 上方止水帷幕内侧的渗流边界，确定各工况在基坑开挖面上方的止水帷幕渗漏处 渗漏1天后的渗漏量Q。

本实施例中所述的不同数量级的渗透系数k_j取为10^-6m/s、10^-5m/s、10^-4m/s、 10^-3m/s、10^-2m/s。

本实施例中所述的激活基坑开挖面上方止水帷幕内侧的渗流边界条件是指： 将基坑开挖面上方止水帷幕内侧的孔隙水压力设置为零。

第六步，建立笛卡尔直角坐标系，横轴为不同数量级的渗透系数k_j，纵轴为 渗漏量Q，作出渗漏量Q与渗透系数k_j的相关关系图(如图3所示)，根据现场 测定的实际渗漏量Q_k＝23.9952m³，在相关关系图的纵轴上找到该点，并作水平 线，该水平线与相关关系图交点对应的横坐标即为渗漏位置的渗透系数k：

k＝1.0×10^-5m/s。

第七步，对三维流固耦合模型中的自定义渗漏单元设置渗漏位置的渗透系数 k＝1.0×10^-5m/s，进行渗流固结模拟，最终得出基坑开挖面上方止水帷幕渗漏位置 A处线状渗漏下第I承压含水层剖面I-I′水位降深图(稳定)(如图4所示)、剖面 I-I′地面沉降图(100天)(如图5所示)。

本实施例可以准确的确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境的影响， 最终得出基坑开挖面上方止水帷幕渗漏处周围地下水位及地面沉降量，相比较只 集中于渗漏对地下水位的研究显得更全面、更科学、更可靠。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于 上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修 改，这并不影响本发明的实质内容。