高 鹏 （安徽建工检测科技集团有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

随着各类基础设施建设的蓬勃发展，基坑工程越来越多。随着建设规模的日益增大，基坑深度也日益增加。根据相关调查研究表明，基坑工程事故中有70%是受地下水及地表水直接或间接造成的[1]。对于跨江大桥、过江隧道在建设过程中，水位对基坑全生命周期的安全稳定有着十分重要的影响，且沿江地区粉细砂地层分布广泛，在汛期易造成管涌、流土等渗流破坏，威胁到基坑的安全稳定。因此，针对汛期高水位，开展渗流分析对其安全度汛起着十分重要的作用。

目前，学者针对基坑结构稳定分析、富水地层渗流分析等做了大量研究。杨斌等[2]通过开展室内模型试验以及离心模型试验等方法，研究了基坑支撑结构面上的土压力分布规律以及土压力随着支撑结构发生位移的不同的变化规律。智慧渊等[3]开展了基坑支撑结构地连墙的渗流分析以及涌沙涌水等事故的原因和后果分析，针对涌水事故提出了针对性的防治措施。姜皓[4]针对富水砂层地区的深基坑工程，针对围护结构地连墙接缝处渗流破坏问题提出了可以止水处理的技术措施。黄戡等[5]基于流-固耦合理论，建立了基坑的三维数值网格模型，分析了基坑施工开挖过程中渗流作用力对支护结构变形稳定性的影响以及对相邻建筑物结构安全的影响。

本文以某过江隧道基坑工程为例，针对汛期高水位情况下基于有限元方法进行渗流分析，研究汛期长江高水水位情况下基坑及周围土体的压力水头、孔隙水压力以及总水头分布情况。通过以上分析结果确定基坑逸出点以及逸出点的水力比降，对比地层临界水力比降，判断是否会发生管涌。

1 工程简介

1.1 工程概况

该过江隧道基坑工程采用了明挖顺作法，分5 层开挖，整体总长共45.5m，开挖宽度在35.77～43.40m，最大深度为27.20m。基坑围护结构采用了地下连续墙，基坑内支撑结构采用了钢筋混凝土支撑、钢管支撑、钢筋混凝土顶圈梁以及三轴搅拌桩的混合式内支撑形式。

1.2 地层概况

该过江隧道基坑工程整体覆盖层厚度在49～55m 范围，以流塑状淤泥质土以及粉细砂为主，底部为新鲜基岩。

根据勘探揭示的岩土层自上而下分述如下。①回填土，厚度0.7～-6.7m，平均2.51m。②淤泥，厚度0.5～9.6m，平均3.94m。③粉质黏土层自上而下分为淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土。淤泥质粉质黏土，厚度1.00～30.70m，平均9.84m；粉质黏土，厚度1.70～13.60m，平均5.71m；粉土，厚度0.70～12.70m，平均厚度5.53m。④粉砂，厚度1～22m，平均厚度23.24m。⑤细砂，厚度为0.70～38.40m，平均厚度26.91m。⑥强风化粉砂岩，厚度为0.50～10.60m，平均厚度为2.66m。⑦中风化粉砂岩，揭露厚度0.60～35.30m。

1.3 水文地质条件

该深基坑工程场区范围内地下水分为松散岩类孔隙潜水以及基岩裂隙水两种。且工程位于长江沿岸，沿江地区地下水水位、水量受长江水补给的边界条件影响较大，从长江水位与地下水位变化的对应关系看，两者存在明显的关联关系。人工填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土为弱透水土层，粉砂、细砂底层均为中等透水土层，粉土、全风化凝灰角砾岩、全风化粉砂岩。石英砂岩、中风化粉砂岩、石英砂岩、泥质粉砂岩、中风化角砾岩为弱透水土层。左线基坑涌水量预估为6778m³/d。右线基坑涌水量预估为6857m³/d，北岸盾构井基坑涌水量预估为4835m³/d。

2 基坑汛期高水位渗流分析

本次基坑渗流计算采用有限元方法，主要任务包括：确定在汛期水位下基坑及周围土体的孔隙水压力，压力水头以及总水头分布情况；确定基坑逸出点以及逸出点的水力比降，判断是否满足要求，是否会发生管涌。

2.1 计算原理

基坑工程中的渗流问题是属于连续介质的饱和-非饱和非恒定渗流问题，对其描述及其求解概要叙述如下[6]。

2.1.1 渗流控制方程及边界条件

①渗流控制方程

认为非饱和土中渗流问题服从达西定律，根据水流连续性方程假定孔隙水压力不随时间变化而改变，渗流控制方程为：

在水头H与时间变量无关时，得到地下水稳态流控制方程为：

式中：H 为总水头，h 为压力水头，y为位置水头；kx、ky分别为x与y方向渗透系数；Q为微元体边界流量；mw为体积含水量变化系数；γw为水的容重。

针对本工程所涉及的相关渗流计算只考虑岩土体的饱和稳定渗流和饱和非稳定渗流问题，不考虑岩土体的非饱和渗流情况。

②渗流边界条件

基坑在长江汛期12.2m水位的条件下渗流问题的边界条件为水头边界条件，可表达为：

式中：H(x,y)表示在二维条件下基坑某一边界S在t时刻的水头，根据基坑在稳定的水位情况下的渗流条件，可确定该边界S的水头边界值H1(x,y,t)。

2.1.2 渗流分析有限元方法

由式（1）、式（3）构成渗流问题的定解条件，由该定解条件，通过适当的数学方法可求出端头井基坑满足式（3）的唯一水头分布的解。本工程涉及的基坑渗流问题求解，其计算模型长江水位为12.2m 的瞬态边界条件，并且基坑场区地层复杂，用解析方一般很难获得该模型的解析解。故针对本工程的渗流分析，采用具备处理复杂地层和几何边界能力的有限单元法进行求解。

本次渗流分析采用GEO-STUDIO软件的SEEP/W 有限元分析模块进行模拟，SEEP/W 模块可以对基坑的饱和-非饱和稳态渗流和瞬态渗流进行分析。通过SEEP/W 模块可以进行渗流分析，得到不同时刻、不同位置的孔隙水压力、压力水头、总水头分布情况以及逸出点水力坡降。

2.2 计算剖面

根据工程资料可知，本次基坑开挖地层，自上至下土层依次为回填土淤泥、粉质粘土、粉土、粉砂、细砂等地层。随着持续的降雨，长江水位上涨，出于工程安全考虑，对本次施工的基坑进行数值模拟。本次选取A-A 剖面和B-B 剖面做为本次渗流计算剖面，见图1。根据确定的计算剖面建立相应的GEOSTUDIO 有限元网格模型，详见图2，其中A-A 剖面的网格模型共11652 个节点、11476个单元，B-B 剖面的网格模型8217个节点、8092个单元。

图1 渗流计算剖面

图2 计算剖面有限元网格模型

2.3 计算参数

本次渗流计算所涉及的基坑土体及支护结构渗透系数取值详见表1。

表1 基坑土体及支护结构渗透系数

2.4 计算工况

根据汛期施工进度以及当前长江水位，确定该基坑渗流计算工况为向下开挖19m，分为长江水位12.2m、12.4m、12.6m、12.8m、13.0m 五个工况进行模拟分析。

2.5 计算结果

通过GEO-STUDIO 软件中的SEEP/W 渗流计算模块对A-A 剖面、BB 剖面在计算工况以下的渗流情况进行分析计算，渗流计算结果具体如下。

A-A 剖面以及B-B 剖面的渗流分析得到孔隙水压力等值线云图，压力水头等值线云图及总水头等值线云图，见图3～图5。

图3 计算剖面孔隙水压力等值线

图4 计算剖面压力水头等值线

图5 计算剖面总水头等值线

由上述计算结果可知，随着汛期来临，长江水位上升，基坑周围的水流会向着基坑的方向入渗。由于地连墙和止水墙的阻挡作用，水流主要沿着地连墙和止水墙的底部向基坑内绕渗，当基坑外部水位足够高时，水流会从基坑底部流出。其中，A-A 剖面，在总水头的作用时，基坑底部的水力比降值最高达到1.412；B-B 剖面在总水头作用时，基坑底部的水力比降值最高达到0.367。

在工况二到工况五的长江水位不同条件下，对基坑A-A 剖面、B-B 剖面进行了与工况一相同的数值模拟分析，获得不同工况下孔隙水压力、压力水头及总水头的分布情况，并统计基坑底部的逸出面的水力比降。

2.6 计算结果分析

①工况一的计算结果分析

依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287-008）[7]计算了常规土体发生管涌临界水力比降Jcr的计算公式：

式中：γ'和γw分别是土的浮重度和水的重度。

经过计算得到基坑土体的临界水力比降，见表2。

表2 基坑土体临界水力比降

根据工况一条件下的计算结果可知：A-A 剖面水力比降为1.412，而基坑底部逸出面地层为粉土，其临界水力比降为1.429，计算结果接近临界比降，有一定的可能发生管涌，应加以防范；B-B剖面水力比降为0.367，小于临界比降，较为安全。

②水力比降随水位的变化规律分析

在工况一到工况五的条件下，根据渗流分析的结果，基坑底部的逸出面的水力比降与长江水位的变化关系见图6。

图6 水力比降随水位变化关系图

由图6 可知，随着长江水位的增长，计算的A-A 剖面、B-B 剖面水力比降的数值都会随之增长。且水位由12.2m增长到12.4m 时，水力比降的增长幅度最大。因此，在做基坑防护时，水位越高，基坑的防护等级也要随之提高。

随着长江水位的增加，对A-A 剖面计算获得的坑底水力比降较B-B 剖面增大幅度大且显著。当长江水位增加至13m 时，水力比降达到1.438，超过基坑底部土体发生管涌的临界水力比降。因此，随着水位增高，基坑底部发生管涌的可能性逐渐增大。因此，需密切关注坑外水位上升过程中基坑底部是否发生管涌，并做好防止管涌的加固预案。

3 结论

本文以沿江粉细砂地层某深基坑为背景，基于有限元方法开展了基坑开挖过程中汛期高水位条件下渗流分析，得到了在汛期高水位下基坑及周围土体的孔隙水压力，压力水头以及总水头分布情况；根据渗流分析结果确定基坑逸出点以及逸出点的水力比降，判断是否满足要求是否会发生管涌。根据现场水位情况，得出在长江水位超过13m 时，基坑底部地层可能会发生渗透破坏。通过上述研究为沿江基坑设计与施工提供了参考。