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富水砂层深基坑悬挂式止水帷幕降水方案优化研究祁凌飞1，曲新钢2，周山君2，宋子文3，杨军1(1.清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京100084；2.中建国际建设有限公司，北京100029；3.中国建筑第六工程局有限公司，天津300171)摘要：基于以色列特拉维夫市某地铁项目现场勘察以及抽水试验数据，采用三维有限元模型对 A 车站深基坑悬挂式止水帷幕的降水方案进行分析。经计算，国外设计分包提出的降水方案没有考虑不透水层的空间不均匀分布，造成基坑中部降水深度不能满足现场施工水位要求。通过进一步分析单井流量、降水井排布以及滤管埋深等因素对降水效果的影响，给出了优化改进建议，增大降水深度的同时减小了基坑两端与中部的水头差，有利于基坑开挖和节省成本。可供类似项目的设计、施工人员参考。关键词：基坑降水；优化方案；数值模拟；富水砂层；悬挂式止水帷幕；工程实例中图分类号：U231+.3文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.S025DEWATERINGDESIGNOPTIMIZATIONFORDEEPEXCAVATIONWITHSUSPENDEDIMPERVIOUSCURTAININWATER-SANDYLAYERQILing-fei1,QUXin-gang2,ZHOUShan-jun2,SONGZi-wen3,YANGJun1(1.LaboratoryofCivilEngineeringSafetyandDurabilityofChinaEducationMinistry,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.ChinaStateConstructionEngineeringCorporationInternationalOperations,Beijing100029,China;3.ChinaConstructionSixthEngineeringBureauCo.,Ltd,Tianjin300171,China)Abstract:The dewatering design of deep excavation with suspended impervious curtain for A station wasanalyzedbyusingthree-dimensionalfiniteelementmodelandbasedonthedataofgeotechnicalinvestigationandpumpingtestofMetroGreenLineProjectinTelAviv,Israel.Accordingtothesimulationresults,theoriginaldewateringdesigncouldnotmeettherequirementsofwaterlevelforconstructioninthemiddleofthefoundationpit,becausethespatialunevendistributionofimperviouslayerwasnotfullyconsidered.Afterfurtheranalyzingtheinfluenceofseveralfactorsondewateringeffectsuchasdischargeofsinglewell,distributionofdewateringwellsanddepthrangeofscreen,thesuggestionsforimprovementweregiven,whichincreasethedewateringeffectandreducetheheaddifferencebetweenbothendsandthemiddleofthefoundationpit.Anditisalsoconducivetoexcavationandcostsaving.Thisworkcanbeusedasareferenceforpeoplerelatedtodesignandconstructioninsimilarprojects.Keywords:dewatering of foundation pit;optimizing design;numerical simulation;water-sandy layer;suspendedimperviouscurtain;engineerexample收稿日期：2022-06-08；修改日期：2023-01-09基金项目：中国建筑股份课题项目(CSCEC-2020-Z-41)通讯作者：杨军(1974)，男，四川人，研究员，博士，博导，主要从事地下工程的教学和研究(E-mail:).作者简介：祁凌飞(1998)，男，甘肃人，硕士生，主要从事基坑安全以及岩土数值模拟研究(E-mail:);曲新钢(1986)，男，山东人，高工，学士，主要从事国际工程管理研究(E-mail:qu_);周山君(1987)，男，河北人，高工，学士，主要从事基础设施工程研究(E-mail:zhou_);宋子文(1987)，男，河北人，初级工程师，硕士，主要从事地下工程施工及理论研究(E-mail:).第40卷增刊Vol.40Suppl工程力学2023 年 6月June2023ENGINEERINGMECHANICS213近年来，为了缓解城市交通拥堵问题，世界各国纷纷大力发展地铁建设，其中不少中国施工企业的身影。相比于国内，前往海外进行施工的一大挑战在于部分城市地质条件以及技术要求较为特殊。特拉维夫市是以色列的第二大城市，位于沙漠边缘，滨临东地中海。由于城市规模发展，市政府交通部门规划了多条地铁线路。当地淡水极度缺乏，因此在工程建设中对降水以及回灌的要求十分严格，有关费用也相当昂贵。本文通过对某车站基坑开挖中的降水过程进行数值模拟，分析单井降水效率与降水井间距、流量之间的关系，提出优化后的降水方案，解决问题的思路和方法可供类似工程参考。1工程概况该地铁项目线路长约 4.5km，沿 Gevirol 大道呈南北走向。除盾构区间外，还包括 1 座明挖车站、3 座盖挖车站外箱、2 座盾构始发井、2 段地面出入段以及项目沿线交通导改、管线迁改以及线路两端的地面工程等。道路红线宽度小于 30m，车站主体外箱轮廓宽约 26m，沿线车站均紧邻既有建筑施工。项目所含出地面段、始发井、盖挖区间段均不设置内箱结构，后期永久结构另外施作，对地连墙防水和结构连接节点施工质量要求高。A 站为其中的一座盖挖车站，基坑平面如图 1所示，基坑南北走向，主体平面尺寸为 197m23m。横剖面如图 2 所示，海平面标高为0.00m，潜水位标高0.70m，基坑支护结构采用地下连续墙，兼做止水帷幕，墙底标高为40m，基坑开挖深度 26.1m、坑底标高16.1m，设计的降水水位标高为17.25m12。11196.523.3图1A 站基坑平面图Fig.1PlanofAstationfoudationpit特拉维夫地区的海岸平原含水层主要由一种叫 Kurkar 的风成砂组成，这种砂土由碳酸盐胶结产生，沉积于更新世时期。薄层海相黏土将海岸含水的 Kurkar 区域划分为不同的复杂含水层(见图 3)。工程场地范围内有 4 个地下含水层，从上到下分别记为 A、B、C、D。往东看，含水层变得不可分割和高度非均质性，含有大量的泥质和陆相黏土透镜体。复杂含水层的底部由一层深厚海相黏土形成，可视为不透水层。项目线路由南向北呈下坡走向，由地下水位线以上逐渐过渡至水位线以下，穿越地层主要为砂土层，渗透系数1105m/s1102m/s，车站基坑是典型的富水砂层基坑工程。同时由于基坑中部相对不透水层的缺失，止水帷幕并未全部插入不透水层，属于悬挂式止水帷幕2。黏土层-2潜水位0.7地连墙地面+10.0023.301.50坑底标高16.10设计降水水位17.25降水井滤管 砂土-1 黏土层-1(局部)砂土-291.00101.00150.00 砂土-340.00WE 回填土图2A 站 1-1 横剖面图Fig.21-1crosssectionofAstation图3Kurkar 砂土与深色黏土混合物2Fig.3MixtureofdarkclayandKurkar22降水数值模拟2.1渗流理论公式深基坑降水地下水渗流三维数值模拟的理论基础是达西定律。地下水渗流的速度矢量表达式为3：v=kh(1)vkkx、ky、kzh(x,y,z)式中：为渗流速度；为渗透系数矩阵，对角线元素分别为，其余非对角元素为 0；为某一时刻点处的水头值。214工程力学对饱和土样，在忽略渗流导致土骨架变形的情况下，流入微元体的水体积等于流出水体积加上微元体内水被压缩的体积，由此可得连续性方程34：Tv+W nKwpwt=0(2)WnKwpwpw=whzw式中：为源汇项；为土体孔隙率；为孔隙水的 体 积 压 缩 模 量；为 孔 隙 水 压 力，且 有，为水的重度。将式(1)达西定律代入式(2)连续性方程，可得三维渗流问题的基本方程56：x(kxhx)+y(kyhy)+z(kzhz)+W Ssht=0(3)SsSs=wKw/n式中，为贮水系数，其物理含义为水头上升一个单位高度时，由于孔隙水压缩使单位体积的饱和土体能多容纳的孔隙水体积，。2.2模型范围和单元划分考虑到回灌井的位置以及渗流影响范围，数值模型的平面范围取 1000m1000m，模型地面标高为 10m，底部标高为150m。土层共划分为6 层，其中第层为局部分布的黏土层，根据现场钻孔以及抽水试验信息确定其分布范围79，相关参数见表 1。表1A 站地层参数Table1ParametersofstratumaroundAstation编号 土层名称层顶标高/m层底标高/m土体容重/(kNm3)kh水平渗透系数/(md1)kv竖直渗透系数/(md1)Ss贮水系数/(m1)填土10819.030.00010.0001105K砂土-184022.036.00012.0001105黏土-1313321.80.0010.0011103K砂土-2409122.912.0000.8001105黏土-29110121.80.0010.0011103K砂土-3 101 15022.912.0000.8001105使用岩土有限元软件 PLAXIS3D 进行建模，其中土体和地连墙均采用 10 节点四面体单元模拟，降水以及回灌井采用井单元模拟，对基坑范围以及井点周围的单元进行局部加密，共划分256697 个单元、366644 个节点。2.3模型边界条件A 站周围场地的地下水水位基本稳定在0.7m左右，主要的水力边界是西部的地中海以及悬挂式止水帷幕。模型西侧边界定义为常水头边界，水头高度 0m，关闭模型其余水平边界以及顶部、底部边界。地连墙设置为不透水。2.4现有降水方案A 站现有设计降水方案见表 2。在基坑内沿边缘均匀设置 30 口降水井，其中东、西两侧各14 口降水井，间距 15m，南、北两条短边的居中位置各布置 1 口降水井。所有降水井的滤管标高范围为25m30m。根据现有施工方案以及施工条件，初步预计站箱降水时间不超过 6 个月。同时在距离基坑 200m400m 范围内设置深层回灌井 19 口，主要位于基坑西侧，回灌深度为90m。根据现场地质勘探以及抽水试验，设计的 30 口降水井最大总降水流量和总回灌流量为 600m3/h(换算为单井抽水流量 480m3/d)，预计 6 个月后总的抽水量为 2587104m3。由于以色列处于沙漠边缘，淡水资源极度匮乏，对工程建设中的降水以及回灌措施要求严格，抽取以及排放地下水都要收取高昂的税费。为此，施工单位希望可以通过进一步精确计算对现有降水方案进行优化，尽量减少现场地下水的抽取和排放量。首先对原降水方案建立的三维有限元模型进行渗流分析，模型单元划分及边界条件如前文所述。图 4 为网格划分后的有限元模型，展示了土体分层、坑内降水井及局部不透水层的分布情况。分析结果表明，国外设计分包提出的现有方案下，稳定的地下水渗流水位最高点标高为13.1m，未达到设计降水标高17.25m。下面从单井流量、降水井数量及滤管埋深1011三方面出发对设计方案进行改进优化。3降水方案优化3.1单井流量对降水效率的影响增大所有降水井的抽水流量以及回灌井的排水流量，基坑范围以下地下水水位线最高点标高随单井抽水流量的变化如图 5 所示。由图 5 可以看出，在保持原有降水井设置不变、仅增大单井抽水流量的情况下，需要将单井抽水流量从 480m3/d 增大至 720m3/d 才能满足设计水位标高。文献 6 中工程案例的地质情况与本项目相似，折算后的单井每延米流量与本项目单井流量为 720m3/d 时的每延米流量接近，说明本文数值模拟的结果较为合理。工程力学215从图 6 地下水位的分布来看，原有降水井布置方案下基坑南北侧的地下水位(30m)明显低于基坑中部(17m)，无疑是造成了降水流量的浪费，下面通过重新排布降水井来优化降水效率。3.2降水井排布对降水效率的影响根据现场地质条件，基坑内南、北两侧各约1/4 面积区域存在相对不透水层，厚度范围标高31m33m，而基坑中部位置则为深厚的 Kurkar砂层。由 3.1 节内容可知，基坑中部的水位下降明显小于南、北两侧，因此考虑将南、北两侧的降水井移至基坑中部。改进后的降水井排布方案如表 2 所示。根据试算，改进后的 4 种方案较原有方案都有不同程度的优化。表 3 中，选取单井流量为510m3/d 时设计降水水位标高位置(17.25m)的坑内孔隙水压力进行对比。深色部分表示基坑内未被疏干的范围。可以看出，优化后的方案 2 和方案 3 降水效果较好，坑内水位可以达到设计水位标高，其他方案均无法在单井流量为 510m3/d 时满足设计降水需求。3.3滤管埋深对降水效率的影响在原方案中，井点滤管埋深为25m30m，而设计降水水位为17.25m，与国内一些项目的降水方案对比可知，井点滤管埋深偏大6。因此，在表2改进后降水井排布Table2Improvedarrangementofpumpingwells序号降水井排布降水井数量原方案30130228328428注：4 种方案与原方案的总抽水量/排放量相同；原方案与方案 1 中的单井抽水流量相同，均为 q；方案 2 中虚线框内的 8 口井流量为 1.25q，其余均为 q；方案 3 中虚线框内的 4 口井流量为 1.5q，其余均为 q；方案 4 中虚线框内的 12 口井流量为 1.17q，其余均为 q。图4A 站有限元数值模型Fig.4FiniteelementnumericalmodelofAstation4505005506006507007508008502019181716151413(720,17.25)基坑降水后地下水位/m设计降水水位单井抽水流量/(m3d1)图5不同单井流量下的降水后地下水水位Fig.5Groundwaterlevelafterdewateringwithdifferentsingledischargeszy/m8642024681012141618202224262830图6有限元模拟降水后基坑纵剖面地下水水位分布(单井流量 480m3/d)Fig.6Simulationresultofgroundwaterleveldistributioninlongitudinalsectionoffoundationpitafterdewatering(thesinglepumpingflowis480m3/d)216工程力学有限元模型中将井点滤管位置提升至20m25m，单井流量与原方案相同。计算后得出，在单井流量为 480m3/d 时，滤管深度对 30d 后的降水深度影响较小，二者计算结果接近。如果采用 3.2 节的优化排布方案，则单井流量需要达到 520m3/d才能满足设计降水需求。3.4最终优化方案综合上述讨论的单井流量、降水井排布、滤管埋深等因素，对原方案进行优化，具体对比见表 4。最终优化方案是基于表 2 中方案 3 并进一步提升了滤管埋深得出的，虚线框范围内的四口降水井流量为 780m3/d，其余降水井流量为 520m3/d，可以满足设计降水需求。值得一提的是，从表 3的结果对比来看，方案 4 对降水效果也有较为可观的优化，而且相较于其他优化方案而言更加方便施工(所有降水井都位于坑内边缘)。在本项目中之所以最终没有采用方案 4，是因为需要适当增加抽水量，而在沙漠城市施工对抽水成本十分敏感。在基坑降水费用较低的地区，可以优先考虑方案 4 的布置思路以方便施工。表4最终优化方案Table4Finaloptimaldesign序号降水井排布滤管埋深范围/m总流量/(m3d1)降水后水位/m原方案25301440013.1优化方案20251560018.04结论本文结合现场勘察以及抽水试验数据，采用三维有限元模型对 A 车站深基坑悬挂式止水帷幕的降水方案进行分析。通过对比单井流量、降水井排布及滤管埋深等因素对降水效果的影响，给出了降水方案的优化改进建议。主要结论如下：(1)根据渗流有限元数值模拟的结果，国外设计分包提出的 A 站原有降水方案无法达到设计降水标高，主要是基坑中部的地下水位降深无法满足要求。这是由于场地内存在深厚的 Kurkar 砂层，以及设计的抽水流量不足。此外，按照原有方案进行降水时基坑南、北两侧的稳定地下水水头高度与基坑中部差距较大，不利于现场施工。(2)结合现场地质条件，提出 4 种优化方案：将单井流量从 480m3/d 增大至 520m3/d，并将靠近南、北两端的降水井移至基坑中间位置，可以有效降低基坑中部地下水水位并缓解基坑南、北两侧与中部水头差过大的问题。(3)相比于单井流量以及降水井位置，滤管埋深对最终降水效率的影响较小。经过数值模型检验，可以将原有方案中的滤管埋深从25m30m范围提升至20m25m 范围，进一步节省工程造价。参考文献：彭世红,周思源,董卓越,等.新旧混凝土植筋界面抗剪承载力影响因素研究及规范对比J.工程力学,2023,1表3不同方案的坑内降水效果对比Table3Comparisonofeffectswithdifferentdewateringdesign序号降水30天后设计标高平面处水头/m坑内地下水最高水位/m原方案13.9117.1217.3317.34.16.3工程力学21740(增刊):167173.PENGShihong,ZHOUSiyuan,DONGZhuoyue,etal.InfluencingfactorsandcodecomparisonofshearcapacityofnewandoldconcreteinterfacewithplantingbarsJ.EngineeringMechanics,2023,40(Suppl):167173.(inChinese)VANLOOJ,DEGROM.GreenlineTelAvivarlozorovstation dewatering design report R.Israel:AdvancedGroundwaterTechniques,2021.2宋二祥.土力学理论与数值方法M.北京:中国建筑工业出版社,2020:86108.SONG Erxiang.Theory and numerical methods ingeomechanics M.Beijing:China Architecture&BuildingPress,2020:86108.3SONGEX.Elasto-plasticconsolidationundersteadyandcyclic loads D.The Netherlands:Delft University ofTechnology,1990.4BENTLEY.Scientific manual of PLAXIS R.TheNetherlands:BENTLEY,2021.5娄平,赵星,汤卓,等.朝阳站富水砂卵石层施工动态降水控制技术研究J.铁道科学与工程学报,2019,16(2):457463.LOUPing,ZHAOXing,TANGZhuo,etal.Studyondynamic dewatering control technology 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