基坑降水过程中地下水渗流数值模拟

王光岩+范会龙+雷少华

摘 要：降水施工环节中除了流砂、管涌等渗透问题造成的基坑渗水破坏外，也存在由于基坑降水引起的地面沉降，对基坑及周围建筑产生一定影响。文章阐述了渗流理论的相关发展历程，对渗流理论相关理论基础进行了基本介绍。结合青岛市某工程实例，依据工程勘察相关内容，利用FLAC3D软件对该工程案例进行了相应的建模分析。利用origin后处理作出了基坑沉降与降水时长的关系图，综合分析获得青岛地区基坑沉降相关规律。

关键词：渗流；FLAC3D；沉降；数值模拟

在深基坑工程施工必须解决地下水问题，由于基坑深度的增加必须妥善解决降水问题。并且在绝大多数的东营地区，存在着较高地下水位的砂土、粉土层，如果基坑降水不利，由于基坑内外造成的水位差极易产生流砂、管涌等基坑支护破坏现象，很大程度上影响了基坑稳定性能。

基坑工程不仅涵盖了土力学中的变形、强度、稳定、流固耦合等问题，还与基坑支护各结构相互作用相关，对其分析判断也有一定困难。并且在如今基坑降水造成的应力场变化、土体变形及周围环境影响方面，都为得到准确的定量答案。随着数值模拟分析软件在基坑工程中的应用和相关渗流理论的发展，使得在基坑工程技术和理论获得了新的研究方向和一系列研究成果。

1 地下水渗流研究的发展概况

1.1 主要基于实践的初始阶段

最早进行并取得成果的渗流理论研究即著名的Darcy定律是，它由法国岩土师于1856年结合其承担的喷泉工程实例、结合相关试验研究获得的渗流理论，在砂土中一般应用较多，该定律是渗流理论的一项突破。之后工程师相继研究了一维水流、二维水井的相关渗流现象以及更为深入的渗流问题。这些理论研究虽然具有一定的局限性，但是，为未来的渗流理论研究奠定了基础，众多工程师以此围绕水井形成了连续介质条件下的古典渗流理论。

1.2 基于数学解析的发展阶段

J.Boussinesq利用数学解析的方法着重研究了非稳定流渗流问题，并于1904年提出其合理偏微分方程式。C.V.Theis基于上述非稳定流研究成果进行了承压水井渗透公式的推导，实现渗流方面的推广，创造了渗流分析的新阶段。斯特里热夫于1946年结合数学分析理论，建立了可靠数学解析方法理论，实现了地下水在可压缩土层中渗流分析的定性。H.M.盖尔谢瓦诺夫等人在其研究渗流状态下的土体结构固结情况时，将土体渗透率看作随土体渗流状态下的孔隙率不断变化而变化的一种函数。Boulton N.S、Hantush M.S等人分别进行了渗流研究工作，在各自研究成果下获得了渗流运动的公式。

4 数值模拟分析

4.1 工程概况

本论文选取青岛市即墨市古城改造配套外管网工程进行降水工程的研究。基坑开挖深度闸室段为9.20m，集水池、泵池段为11.10m。基坑面积约1950m2，周长约为180m。基坑支护为二级的安全等级。场地地下水属于潜水类型，场地地下水水位主要受降水的影响，场地地下水埋深为0.50m～1.38m。场区地下水常年最高水位埋深为0.50m。地下水水位变化幅度为0.50～2.00m。

4.2 模型的建立

4.2.1 模型的基本假定

为了方便模型的建立，进行以下假定以简化建模：（1）土体模拟中的模型采用摩尔—库伦弹塑性模型；（2）模拟深度内的水体假定为潜水模型；（3）假定每层土的分界面都是均匀水平的，忽略其不均匀性；（4）简化土层分布，土体性质相同或相近的按作同一土层处理；（5）利用实体单元模拟基坑支护结构，支护采用弹性结构模型。

4.2.2 模型初始条件及边界条件

（1）模型初始条件。该计算模型的初始应力为重力，沿Z轴负方向分布；流体为定水头下的初始状态模型；地下水位位于地表下1m左右。（2）模型力学边界。在该模型中，模型侧面和底面为边界，限制侧面的水平运动，限制底面的竖直运动，地表面能够自由运动。保证地表面自由运动。（3）模型流体边界。假定基坑降水范围外的水体保持稳定，水位保持在稳定水平。基坑内部为定流量边界，基坑底边界为隔水边界，基坑四周为定水头边界条件。

4.2.3 降水模拟步骤

降水模拟分析过程主要按照以下几个步骤进行，其整体分析思路如下：（1）依据工程概况及需要，建立基坑降水模拟模型；（2）施加模型力学应力场，获得模型初始应力分布状况；（3）设定模型的流体边界条件并施加地下水位和孔压应力，运算获得平衡；（4）在初始应力平衡状态下，设置围护结构模型及其参数，同时将位移和速度归零，在该条件下运算模型获得稳定；（5）设置降水井点并设定参数；（6）在渗流条件下，进行预先设定时长降水作业，获得土体孔隙水压力变化；（7）降水结束后，开启力学运算模式，实现计算平衡获得模型沉降情况。

4.3 FLAC3D模拟分析

4.3.1 基坑渗流分析

文章利用后处理软件Origin进行数据的分析作图。在FLAC3D分析处理完毕后，将计算结果导入Origin软件中，绘得图像进行分析。分别为基坑降水作用下，基坑内外某点孔压随时间变化曲线、基坑内外孔压随深度变化曲线。

在基坑降水过程中，止水帷幕起到截水、限制土体位移作用，能够减小由于降水对基坑外土体产生的渗流作用。孔压的降低同时会引起土体的变形，进而限制孔压减小，因此孔压降低速率随着时间增加逐渐减小。同时，地下水受到重力影响，使得地下水孔压随着深度的增加而增大。由于止水帷幕深度的限制，在15m深度以下的区域内，水体受井点作用显著增大，基坑外土体孔压随深度变化速率呈现由慢到快的趋势。

孔压的分布并不是一条直线，在距离降水井较近区域，孔压值较低，从而孔压分布等值线呈现中间上凸而降水井附近呈现一定下凹的趋势，符合图中孔压分布等值线的规律。如果沿着图示分布线的垂直方向画线，得到的即为地下水流的流线，流线与等势线相互垂直，基坑外水流线绕过围护结构，同基坑内土体向降水井汇集。

4.3.2 土体沉降变形

为较为形象直观反映沉降变形，将沉降进行适当放大，获得沉降放大30倍显示模型，利用flac3D获得基坑及周围土体在井点降水作用下的沉降模型。并依据此获得基坑降水作用下的沉降规律，如图5所示为基坑在降水30天后的沉降分布图。

本工程中降水井点在基坑内部呈环状分布，基坑最大沉降位于基坑中心，整个井群包围区域沉降都相对较大。对基坑模型进行剖分，选取基坑Y=0位置处剖分，获取降水时间变化沉降剖面关系曲线，分析基坑沉降曲线。

沉降变形主要集中于基坑内部及基坑周围10m范围内，其它区域沉降较小。基坑沉降曲线随着降水时间增加，下凸更加明显，由55mm增加至130mm左右，基坑外土体沉降一定程度的增加。止水帷幕的作用有效减小了渗流与孔压场对基坑周围的影响，在沉降曲线图中，止水帷幕处沉降均小于最大沉降的二分之一，在基坑外10m位置显著减小，基坑外10m处沉降不足3cm，止水帷幕起到了很好的约束变形、限制位移的作用。

4.3.3 土体水平位移

分析基坑及周围土体在基坑井点降水的作用下，土体水平方向位移分布图如图9、图10所示。利用Origin软件后处理模拟结果，获得土体在水平方向X、Y方向上位移关系曲线图。

从X与Y轴方向的位移分布图中可以看出，在基坑四周围护结构上，有很大的水平作用力，并且该力均是指向基坑方向，表示基坑周围土体水平方向上向基坑内部运动。

围护结构在基坑工程限制土体位移发挥了重要作用，有效保证了基坑的稳定。

4.3.4 沉降分析

如图13所示，获取四个位置处30天降水沉降曲线，分析沉降结果。

基坑沉降主要发生在基坑内部及基坑周围10m距离处，基坑降水随着降水时间的增加而增大。降基坑的降水作用加速土体固结随着降水的时间的增加，土体沉降速率逐渐降低。土体沉降增长速率逐渐降低，最大沉降增长量由6.24mm降低为3.16mm。

改变基坑内井群抽水量，获得单井抽水量20m3/day、50m3/day、100m3/day、300m3/day情况下基坑沉降。井群抽水量的不同，造成基坑沉降值的不同。基坑外虽然受止水帷幕的作用，减小了固结变形，但随降水井点抽水作用的增强，基坑外土体沉降同样增加。基坑内外沉降变形受降水量影响较大，基坑内影响大于基坑外。抽水量较大的工况下，变形场维持在较高程度，特别是收降水影响较大的基坑内部，土体固结沉降较大。

通过对以上工况的研究，增加降水时间、增大降水量都会使基坑内部沉降和影响范围增加，并且随着工况值的增加而增大。但是止水帷幕的增大，会增加基坑内部沉降，减小基坑周围沉降值。选取合理的降水条件、采用适宜的止水帷幕，为保证基坑安全和限制基坑沉降都能起到积极作用。

5 结语

文章对基坑渗流理论发展研究现状进行了阐述，选取东营地区某基坑降水实例，利用FLAC3D软件建立了模型，对基坑降水实现了三维有限差分模拟，对减少基坑沉降措施进行分析，主要结论如下：（1）利用有限差分FLAC3D软件能够有效分析基坑降水的结构与过程，并通过模拟能够实现对基坑降水中水位与沉降的有效预测。（2）基坑降水过程中，不仅仅存在基坑土体的沉降变形，还会产生土体的水平位移，这种水平位移主要存在于基坑周围土体中，在围护结构附近达到最大。（3）对基坑渗流分析和变形中，观察基坑渗流场与变形场分布，表明围护结构在基坑降水中，在防止水体渗流、保证基坑干燥、限制基坑周围土体横向变形、保证施工可靠中发挥着关键的作用，有助于保证整个降水施工的顺利进行。（4）在该案例中由于井坑降水井点为环形群井，可以将其视为一个大井点，基坑沉降分布呈现环状。基坑沉降影响范围较广，但较大沉降变形主要集中于基坑内部，基坑周围沉降相对较小。在基坑外20m处基坑沉降已达到较小水平。