周思全

(武漢天興洲道橋投資開發(fā)有限公司 武漢 430011)

楊泗港長江大橋?yàn)榇罂鐝綉宜鳂?，錨碇是懸索橋主要的承力結(jié)構(gòu)物。錨碇基礎(chǔ)采用地下連續(xù)墻，錨碇基礎(chǔ)采用外徑98 m、壁厚1.5 m的圓形地下連續(xù)墻加環(huán)形鋼筋混凝土內(nèi)襯支護(hù)結(jié)構(gòu)。錨碇基礎(chǔ)由地連墻、帽梁、內(nèi)襯、底板及填芯混凝土組成。

其中，漢陽側(cè)地下連續(xù)墻嵌入泥質(zhì)砂巖約6 m，總深度為59 m。武昌側(cè)地下連續(xù)墻堅(jiān)硬黏土層不小于7 m，總深度為66 m。為保證地連墻開挖階段受力及剛度的需要，在地連墻頂面設(shè)置剛度較大的帽梁。帽梁為鋼筋混凝土圓形結(jié)構(gòu)，帽梁高3 m、寬度5.0 m。武昌側(cè)及漢陽側(cè)基礎(chǔ)周邊均有重要構(gòu)筑物，但從開挖深度相比，武昌側(cè)錨碇基坑比漢陽側(cè)錨碇基坑開挖深度深，施工風(fēng)險(xiǎn)相對較大，且處于武金堤和武昌大堤之間，距離兩邊大堤不超過20 m?？紤]最不利因素，本文以武昌側(cè)錨碇為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，針對地連墻墻底繞流進(jìn)行計(jì)算，分析錨碇基坑滲流場分布、滲流量及滲透穩(wěn)定性，同時(shí)分析考慮地連墻局部滲漏情況下基坑滲流場分布及分析設(shè)計(jì)方案的防護(hù)效果。

1 武昌岸錨碇基礎(chǔ)水文地質(zhì)條件和滲控措施

楊泗港大橋武昌岸錨碇處覆蓋層中上部為全新統(tǒng)松散或中密狀粉、細(xì)砂，軟塑狀粉質(zhì)黏土及流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；覆蓋層中部為密實(shí)狀礫砂(③1)、圓礫土(③2)；覆蓋層中下部為硬塑～堅(jiān)硬狀黏土(④1)夾密實(shí)狀圓礫土；下部為硬塑～堅(jiān)硬狀黏土(④1)；基巖埋深大于90 m，主要為白堊～第三系泥質(zhì)砂巖。

工程施工區(qū)地下水主要為上層滯水、第四系孔隙承壓水和基巖裂隙水。上層滯水賦存于人工填土及上部黏性土中，水量一般較??；第四系孔隙承壓水主要賦存于全新統(tǒng)第②大層、中上更新統(tǒng)③、⑤大層的粉細(xì)砂、中粗砂、卵礫石層中，為主要地下水含水層，由于長江下切，河床達(dá)此砂層中，因而江水與沿岸沖積層之間地下水存在互補(bǔ)關(guān)系，水力聯(lián)系密切，水位動(dòng)態(tài)隨季節(jié)性變化，水量較豐富；另外在中～上更新統(tǒng)的黏性土中存在分布不連續(xù)的細(xì)、中、礫砂、圓礫土層，由于其厚度較小，連通性差，故該含水層水量一般不大。下伏基巖主要為白堊～第三系泥巖、泥質(zhì)砂巖，基本屬于微透水層，其水量受節(jié)理裂隙發(fā)育程度控制，水量一般不大。

武昌岸錨碇基礎(chǔ)采用地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻[1]本身是基礎(chǔ)的一部分，是較理想的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也起隔水作用。地下連續(xù)墻可以采取的封水抗?jié)B措施有：①地下連續(xù)墻外側(cè)設(shè)置自凝灰漿擋水帷幕，在平面上與地連墻呈同心圓環(huán)布置；②地連墻下采用底部帷幕灌漿；③根據(jù)地下連續(xù)墻施工質(zhì)量和檢查情況，確定是否需要對地連墻槽段間接縫處外側(cè)采用高壓注漿封水處理。

2 滲流數(shù)值模擬方法和計(jì)算條件

2.1 滲流數(shù)值模擬方法

根據(jù)連續(xù)性方程與達(dá)西定律產(chǎn)生的穩(wěn)定滲流微分方程，可以得出連續(xù)介質(zhì)中三維飽和穩(wěn)定滲流控制方程[2]如式(1)。

(1)

式中：h為水頭；kxx、kyy、kzz為3個(gè)主軸方向的飽和滲透系數(shù)。

當(dāng)考慮二維飽和滲流問題時(shí)，其控制方程見式(2)。

(2)

邊界條件為已知水頭條件(第一類邊界)：

h(x,y)|Γ1=f(x,y,z) (x,y,z)∈Γ1

(3)

式中：h為已知函數(shù)，若曲面Γ1上點(diǎn)的水頭相等，上游水位邊界、下游水位邊界及滲出段為給定水頭h邊界(第一類邊界)。

已知流量條件(第二類邊界)：

(4)

式中：n為Γ2的外法線方向，不透水層面則屬于定流量q邊界(第二類邊界)，其法向流量為0。

滲流計(jì)算分析采用國際通用的大型地下水流模擬系統(tǒng)軟件GMS,對于基坑涌水問題，應(yīng)用GMS中的MODFLOW模塊求解，目前大量的基坑降水設(shè)計(jì)采用MODFLOW進(jìn)行計(jì)算。

2.2 滲流計(jì)算模型概化

綜合分析現(xiàn)有資料，對武昌側(cè)錨錠區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)概化,得出滲流數(shù)值模型[3]平面示意圖(見圖1)及地連墻南北對稱剖面示意圖(見圖2)。錨錠區(qū)北(左)側(cè)為長江，由于長江與覆蓋層的砂層相通，因此，模型中的北(左)邊界作為定水頭邊界。工程所在河道右岸設(shè)計(jì)洪水位為27.83～27.93 m，取模型上游水位為27.93 m。北(左)邊界距離南錨錠基坑中心約464 m。模型中的南(右)邊界距離錨錠基坑中心1 000 m，地面高程約22 m，考慮地下水位埋深1～2 m，取下游水位21.0 m。模型的東、西邊界(上、下邊界)分別距基坑中心1 000 m，作為零流量邊界。由于基巖埋深較大，計(jì)算模型的底部邊界取至高程-70.0 m處，作為隔水邊界，模型中基坑底部的地下水位因施工降水而降低，基坑內(nèi)地下水位取基坑底面以下1 m。經(jīng)建模得出滲流計(jì)算三維網(wǎng)格剖分圖見圖3。

圖1 滲流數(shù)值模型平面示意圖(單位：m)

圖2 地連墻南北對稱剖面示意圖

圖3 滲流計(jì)算三維網(wǎng)格剖分圖

2.3 滲流計(jì)算參數(shù)和計(jì)算方法

結(jié)合工程地勘資料和試驗(yàn)成果及類似工程經(jīng)驗(yàn)，對模型中地層的滲透性分區(qū)進(jìn)行了適當(dāng)概化，模型中地層參數(shù)考慮為各向同性。各土層滲透系數(shù)參照楊泗港長江大橋地勘報(bào)告中主要巖土設(shè)計(jì)參數(shù)建議值進(jìn)行取值，地勘報(bào)告中未提供建議值的部位，如地連墻、高壓注漿等的滲透系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值，得到地層滲透系數(shù)取值見表1。

表1 地層滲透系數(shù)取值

根據(jù)施工方案，地連墻施工完成后開挖基坑，基坑內(nèi)土體分層開挖。當(dāng)開挖到基坑底部且尚未封底時(shí)，地連墻兩側(cè)的水頭差最大，這種條件下的滲流場分布對錨碇基坑具有控制意義。本文基坑滲流穩(wěn)定性計(jì)算分析[4]中對錨碇基坑封水的措施考慮了5種工況，滲流計(jì)算工況見表2。

表2 滲流計(jì)算工況

工況Fn1為基本計(jì)算工況，地連墻截?cái)嗤杆畬舆M(jìn)入底部深厚黏土層，無質(zhì)量缺陷；工況Fn2為地連墻未穿過河床覆蓋層下部圓礫土層，分析地連墻嵌入深度的影響；工況Fn3為在工況Fn1的基礎(chǔ)上考慮地連墻在圓礫土層中出現(xiàn)1 m寬的開叉，分析地連墻完整性的影響；工況Fn4在工況Fn1的基礎(chǔ)上考慮地連墻底部存在沉渣層，以及地連墻與周圍土體接觸不良產(chǎn)生縫隙，且縫隙與透水層貫通；工況Fn5在工況Fn4的基礎(chǔ)上考慮對地連墻滲漏部位進(jìn)行注漿加固，分析注漿措施的封水效果。

3 武昌側(cè)錨碇基礎(chǔ)滲流計(jì)算結(jié)果分析

基坑抗浮穩(wěn)定性按式(5)計(jì)算。

Kh=D×γ/(hw×γw)

(5)

式中：Kh為基坑突涌穩(wěn)定安全系數(shù)；D為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度；γ為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度；hw為承壓含水層頂面的壓力水頭高度；γw為水的重度。

基底黏土重力密度按楊泗港長江大橋地勘報(bào)告中主要巖土設(shè)計(jì)參數(shù)取為20.9 kN/m3。通過建立三維地下水模型進(jìn)行計(jì)算，5種工況下滲流計(jì)算結(jié)果見表3，基坑開挖面滲流等勢線分布見圖4。

表3 5種工況下滲流計(jì)算結(jié)果

圖4 基坑開挖面滲流等勢線分布圖(單位：m)

1) 由圖4a)可知，工況Fn1的基坑周邊水頭等值線發(fā)生彎曲，有繞滲現(xiàn)象，等勢線在地下連續(xù)墻內(nèi)密集，水頭削減明顯，表明地下連續(xù)墻可以有效降低基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，起到較好的隔滲效果。根據(jù)滲流量計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)?shù)剡B墻進(jìn)入底部深厚黏土層且無質(zhì)量缺陷時(shí)，基坑流量為16.59 m3/d。由計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，基坑底黏土層滲透比降為0.02，基坑底黏土層抗浮穩(wěn)定系數(shù)為2.508，滿足滲透穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定性要求。這是主要依靠地連墻的隔滲作用,以及基坑降水措施的運(yùn)行避免開挖面土層的滲流出逸，確保了基坑的滲透穩(wěn)定性，同時(shí)降低基坑底部圓礫土層的承壓水頭，確保了基坑的抗浮穩(wěn)定性。

2) 由圖4b)可知，工況Fn2是考慮地連墻以圓礫土層為持力層，而未穿透基底下方的圓礫土層。由于地連墻未全封閉，基坑降水漏斗范圍擴(kuò)大，地連墻內(nèi)水頭等值線不密集，其承擔(dān)的水頭損失降低。與工況Fn1相比較，本工況下基坑流量為473.47 m3/d，相較工況Fn1基坑流量急劇增大，基底黏土層滲透比降增大為0.67，基底黏土層抗浮穩(wěn)定性依靠基坑降水措施降低承壓水頭可以得到滿足。由此可見，基底的黏土層不宜作為防滲依托層。工況Fn2也可以看作是地連墻在圓礫土層中由于礫石含量出現(xiàn)垂直度控制不足等情況而大范圍開叉漏水的影響，因此在地連墻施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

3) 由圖4c)可知，工況Fn3是在Fn1的基礎(chǔ)上考慮地連墻在基坑底部圓礫土層中出現(xiàn)開叉，設(shè)叉縫位于臨江一側(cè)，叉縫寬度1 m。本工況與工況Fn1滲流場的主要差異在地連墻開叉處，水頭等值線在該處附近有一定程度往臨江方向突出，由于地連墻外圍擋水帷幕的作用，等值線擴(kuò)散范圍不大。由于地連墻在叉縫處未全封閉，基坑流量有所增大，本工況下基坑流量為53.1 m3/d，約為工況Fn1的3.2倍。開叉位置附近的滲透比降達(dá)到1.21，有可能發(fā)生滲透變形。

4) 由圖4d)可知，工況Fn4是當(dāng)?shù)剡B墻施工中其底部存在沉渣層，以及地連墻與周圍土體接觸不良產(chǎn)生縫隙，且縫隙與透水層貫通時(shí)，地連墻底部的沉渣層的滲透比降是最大的，達(dá)到了5.6，如果臨基坑一側(cè)有貫穿縫，則沉渣層及裂隙中的細(xì)顆?？赡鼙凰鲙С鲋粱拥?，此時(shí)基坑開挖面滿足不了滲透穩(wěn)定要求?；恿髁縿t為149.93 m3/d，相對無缺陷工況時(shí)，流量增加了約9倍。

5) 由圖4e)可知，工況Fn5是針對地連墻周邊的裂縫和沉渣層采用注漿加固，此時(shí)地連墻起到較好的封水作用，基坑流量減少至24.9 m3/d，基坑滿足滲透穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定性要求，因此地連墻底采用高壓注漿加固對基坑的滲流安全有利。

由此可知，錨碇基礎(chǔ)采用地下連續(xù)墻的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)也起隔水帷幕作用。通過對滲流數(shù)值計(jì)算分析，其結(jié)果表明，采用深地連墻封水方案，能夠起到較好的隔滲效果，同時(shí)結(jié)合深井降水的聯(lián)合措施，可以滿足基坑的滲透穩(wěn)定要求，注漿加固措施對于錨碇基坑的局部滲漏問題具有較好的封水作用。對于存在承壓含水層的條件，基坑在開挖過程中需要采取超前排水措施，同時(shí)降低承壓水頭，以防止出現(xiàn)基坑底面突涌事故。

4 結(jié)論

本文以武漢楊泗港長江大橋武昌側(cè)錨碇基礎(chǔ)地下連續(xù)墻方案為研究對象，通過建立三維地下水模型對錨碇基坑滲流情況進(jìn)行計(jì)算分析，得到如下結(jié)論。

1) 采用深地連墻方案，即地連墻嵌入覆蓋層下部的深厚黏土層，同時(shí)結(jié)合深井降水的聯(lián)合措施，能夠起到較好的封水效果，可以滿足基坑底部的滲透穩(wěn)定性要求。

2) 通過比較地連墻的嵌入深度的滲流計(jì)算結(jié)果表明，地連墻不穿過河床覆蓋層下部圓礫土層比進(jìn)入底部深厚黏土層，其基坑流量和基底滲透比降都有較大幅度的增大，因此地連墻嵌入底部黏土層較為合適。

3) 對于具有承壓水頭的地層，基坑在開挖過程中需采取超前排水措施，以防止出現(xiàn)基坑底面突涌事故。通過基坑降水措施的運(yùn)行來避免開挖面土層的滲流出逸，確保基坑的滲透穩(wěn)定性，同時(shí)降低基坑底部的承壓水頭，確?；拥目垢》€(wěn)定性。

4) 深地連墻方案是安全可靠的，基坑流量也較小，但須在施工過程中注意施工質(zhì)量，防止槽段接縫出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，并及時(shí)處理變形引起的墻與周圍土體的接觸縫問題。如果在基坑開挖前或開挖過程中發(fā)現(xiàn)地連墻墻體滲漏，應(yīng)在注漿加固處理完畢后方可進(jìn)行下一土層的開挖。此外，應(yīng)盡量避免在高江水位期間施工。