加青双，宋 飞

(1.中铁六局集团广州工程有限公司，广东 广州 514000；2.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

近年来，国内部分学者、工程师对基坑降水效果也做了相关研究。例如，聂庆科等[1]通过现场试验，研究了粉土地基中群井条件下的真空井点降水过程及降水效果；曹亚西等[2]对新疆粉砂地层采用井点降水进行了现场试验，分析研究得出井点大小、深度及打井位置与降水效果的关系；马昌慧等[3]采用Visual MODFLOW数值计算软件模拟了武汉某基坑工程的降水渗流场，得到地基与基坑距离和沉降成反比，增加帷幕深度可提高降水效果，有效减小地基沉降；莫振泽等[4]结合现场试验并利用ABAQUS有限元软件建模，对不同降水井布置方案、降水效果的影响因素及通道主体结构和周围地表变形等进行数值模拟，确定最佳降水井布置方案和降水速率。

综上所述，现阶段对降水效果及相关研究，大多采用现场试验和数值模拟方式，而数值模拟软件现主要采用Visual MODFLOW和ABAQUS等，但由于易用性和上手操作难度等原因，普及范围不大。SEEP/W软件是基于非饱和土力学理论的岩土工程和岩土环境数值模拟软件Geostudio中的模块，可进行饱和-非饱和渗流场的数值模拟[5]，完成二维稳态及瞬态饱和-非饱和渗流计算，故可利用SEEP/W进行深基坑降水效果对比。此外，由于SEEP/W软件在计算效率和操作性、易用性上的平衡，在基坑降水效果对比研究中具备更多优势。本文以佛山地铁3号线某深基坑为背景，对降水后土体各项指标进行对比分析，以得出更优降水施工方式。

1 工程概况

1.1 工程简介

基坑属于新建地铁3号线工程，位于广东省佛山市顺德区高村，地貌单元为珠江三角洲冲积平原地貌，地势较平坦，起伏不大。工程所在地层土体含有大量深厚淤泥及淤泥质土，高压缩性、强度指标小、含水量大且渗透性小。在施工过程中，因其具有低渗透性及高持水性，对基坑开挖的排水固结不利，不仅影响地基强度，而且也延长地基固结稳定时间。

在对基坑进行降水施工时，管井降水在现场施工中是常用方式，常见降水井类型有普通管井、真空管井等。本工程拟采用真空管井降水，地下连续墙兼作止水帷幕进行施工。

1.2 井点布置原则

工程在降水井平面布置时，控制井管轴心间距为10～20m，降水井深度结合地层特点及开挖深度，坑内降水井深度仍控制在开挖面以下3～4m，井深不超过加固底面深度；真空疏干深井的布置原则为：井平面位置最终施工时应避开坑内支撑、格构柱、坑内加固等位置，过滤器以分断面过滤器为主。

成井施工结束后，在真空管井内及时下入潜水泵等设备并进行标识。将滤管埋入含水层内，潜水泵深入储水层，在孔壁与砂管间填充滤水层至地下静水位以上，接近井口一定范围内采用黏土填实封严，最下端的滤管用2层以上筛网包裹，最上端滤管密封。抽水与排水系统安装完毕，即可开始试抽水，本工程真空管井降水施工如图1所示。根据施工进度计划，采用真空抽水以确保预降水效果，每台真空泵配置深井数量可根据管路系统内的真空度调整。在进行降水疏干过程中，需同时对坑内外地下水位实时监测其变化。

图1 管井降水施工示意

1.3 真空管井运行

在开始降水运行前，需进行降水试运行。测定静止水位，安排好抽水设备、电缆及排水管道做生产性抽水试验运行，验证降水效果，检验排水系统是否通畅，抽出来的水应排入场外市政管网，以免抽出的水就地回渗，影响降水效果。同时，验证电路系统是否正常，检查电箱和电缆线等设备，确保降水持续进行。抽水试验时间为≥7d且≥2/3最大设计降深，时间充足情况下达到最大设计降深。

对于基坑降水施工，降水应在基坑开挖前15～30d或更早进行，以保证有效降低开挖土体中的含水量，确保基坑开挖施工顺利进行。并根据要求加载真空负压，以疏干基坑上部开挖土体，开挖过程中保持继续持续抽水，进一步疏干上部土体。根据开挖进度，井内水位应控制在基坑开挖面以下一定深度内，在真空疏干深井正式抽水前，应及早施工坑外潜水位观测孔。潜水水位观测孔施工完成后及时开启真空疏干深井进行疏干降水。一般正常情况下，真空疏干深井基本保持24h连续抽水，出现降水异常时，根据需要进行调整。本次采用的新型技术超级压吸联合抽水系统是一种集送气系统、真空抽水系统于一体的不间断式抽水方式。

真空管井降水过程中，对真空管井降水效果的影响因素众多，本文主要针对土体渗透系数、止水帷幕深度等重要因素，对比分析真空管井和普通管井降水情况下降水效果。设置不同渗透系数意在模拟不同地质条件下真空管井与普通管井降水受土质影响大小，以便提供类似工程参考。

2 模型简介

2.1 SEEP/W软件与非饱和渗流理论

SEEP/W主要用于模拟多孔介质(包括土体、岩石)中地下水的渗流，分析各种复杂饱和和非饱和渗流问题。SEEP/W软件现已在岩土工程[6]、水利水电工程[7]、矿业工程[8]和安全工程[9]与灾害防治[10]等分析和设计中得到较广泛应用。

由于SEEP/W采用自动网格划分技术及非结构化网格技术，用户可对研究区域进行快速有效的网格划分。在SEEP/W中，土体参数如土水特征曲线和水力传导曲线等可自定义也可使用软件内置典型土壤参数，本文选用软件内置典型土体参数。

SEEP/W中用于非饱和流控制的控制方程是Richards方程[11]。1931年Richard将Darcy定律应用到非饱和流中并推导得出非饱和渗流基本微分方程[12]：

式中：H为总水头；k(θ)x为x轴方向的水力传导率；k(θ)y为y轴方向的水力传导率；k(θ)z为z轴方向的水力传导率；Q为流量边界；θ为土壤体积含水率；t为时间。应用此公式，SEEP/W对模型每个网格进行求解，获得相应数值解。软件中非饱和土体参数涉及2个最重要参数即土水特征曲线和水力传导曲线：

1)土水特征曲线 含水量与基质吸力间的函数关系[13]。在SEEP/W中提供4种土水特征曲线确定方式，包括数据点函数、Fredlund-Xing经验函数、Van Genuchten 经验函数及用户加载函数，本文选用数据点函数输入。

2)水力传导曲线 渗透系数与基质吸力间函数关系。在SEEP/W中提供2种确定方式，即渗透系数数据点函数和用户加载函数，本文采用前者。

2.2 模型尺寸与网格划分

根据佛山地铁3号线现场实际情况，基坑宽21.3m、深16.9m。考虑模型边界均为3～5倍基坑尺寸，取模型长121.3m(基坑两侧各50m)、高70m。模型基坑平面内设置2口排水井，降水井深22m，于开挖面以下5.1m，两降水井间横向间距10.9m，距离两侧基坑边缘5.2m。

模型网格设置为2m矩形网格单元，过渡区域为三角形网格单元，佛山地铁3号线基坑2D模型如图2所示。

图2 佛山地铁3号线基坑降水2D模型(单位：m)

2.3 材料与边界条件

为探究2种降水方式在不同渗透系数土体与止水帷幕深度下的降水效果，研究设置3种渗透系数和3种止水帷幕深度对不同工况降水效果进行对比分析。参数设置包括渗透系数为4.00，0.40，0.04m/d，止水帷幕深度为0(即不设置止水帷幕)，32，43m，对参数进行组合分析，共计9种工况。

SEEP/W软件边界条件分为水头、流量及其他边界条件。根据模型尺寸和真空管井降水条件，设置模型边界条件主要定义水头条件，总水头70m、真空管井降水水头-8m及普通管井降水水头0m。

3 深基坑降水效果对比分析

利用软件SEEP/W建模，对各工况进行瞬态分析，计算所设置工况降水30d内每天各参数，主要统计降水稳定深度、最大流量及达到稳定水流量所需时间3个重要参数指标，对深基坑降水计算结果进行分析。

3.1 降水稳定深度对比

本文统计软件SEEP/W模拟降水30d后的压力水头，认为压力水头为0m时等值线即为降水稳定深度。对比计算结果发现，在降水施工达到稳定深度后，真空管井降水0m压力水头等值线均呈“W”形状，即在两降水井间和降水井与基坑边缘间等值线深度小于降水井处等值线深度(分别用C和B表示)，如图3所示。而普通管井降水0m压力水头等值线为两降水井间和降水井与基坑边缘间分别较平缓但降水井两侧稳定深度不同。

图3 “W”形0m压力水头等值线示意

同时，根据计算结果看出，随着止水帷幕的深度增加，各工况均会出现帷幕外压力水头0m等值线更接近地面；对于真空管井，基坑边缘与降水井间的降水稳定深度会随着止水帷幕的深度增加而增加，两降水井间的降水稳定深度大致不变；对于普通管井，止水帷幕的存在使得两降水井间和降水井与基坑边缘的降水稳定深度更接近。两种降水井降水稳定深度随止水帷幕深度变化而出现的现象，是由于止水帷幕的存在，会一定程度阻止或减缓其外侧丰富地下水对基坑内侧降水后水位的补充。

统计各工况0m压力水头等值线在两降水井间和降水井与基坑边缘间的深度，可描绘出大致降水范围。无止水帷幕时降水稳定深度对比曲线如图4所示，同一位置真空管井降水稳定深度均比普通管井降水深度要大，而土体渗透系数与降水稳定深度正相关，其余止水帷幕深度的工况计算结果规律均相同。

图4 0m止水帷幕降水稳定深度对比

本文统计各工况降水过程中降水稳定深度数据，得到表1。

表1 降水稳定深度对比

通过对表1中各工况的降水稳定深度分析可发现，真空管井降水施工完成后，0m压力水头等值线上方存在大范围压力水头为负值的区域，即出现大范围负压区，降水稳定深度普遍较普通管井更深，表明其降水效果更好；并且在渗透系数越小、止水帷幕越深时，真空管井降水稳定深度优势越明显。

3.2 最大水流量对比

不论是采用何种降水井施工，其降水过程中的降水流量不总是恒定不变。根据软件SEEP/W计算结果，在30d降水过程中，不论普通降水井还是真空降水井，降水井水流量趋势均相同：从急剧增大到逐渐趋于平缓，并且各工况降水过程中的最大流量总是出现在第1天，随后会突然降低并迅速趋于稳定。不设置止水帷幕降水流量与时间关系曲线如图5所示，在土体渗透系数较小时，真空管井降水流量总是比普通管井降水流量大，而随着渗透系数变大，普通管井降水流量与真空管井降水流量逐渐接近，甚至会超过真空管井稳定后降水流量。

图5 0m止水帷幕水流量-时间曲线

综合统计降水过程中所出现的最大降水流量，这很大程度上可反映基坑降水效率。无止水帷幕各工况最大降水流量对比曲线如图6所示，对比发现：同一土体渗透系数下，真空管井降水最大流量远远大于普通管井降水最大流量，且随着土体渗透系数的增大，最大降水流量也随之增大，该规律对所设置工况的其余止水帷幕深度模型计算结果规律同样适用。

图6 0m止水帷幕降水最大流量对比

本文统计各工况降水过程中出现的最大降水流量，得到表2。

表2 最大降水流量对比

对表2中各工况最大降水流量对比分析可看出，真空管井降水最大流量远远大于普通管井最大降水流量，是其1.6～50.0倍，且止水帷幕越深，土体渗透系数越小，这一差距体现得越明显，此时真空管井降水优势越明显。

3.3 达到稳定水流量所需时间对比

本文对所设置工况进行数值模拟计算后，分析降水稳定水位和水流量规律，发现随着降水施工的进行，不论是压力水头(见图3)还是降水井流量(见图5)均会在一段时间后趋于稳定，达到这一稳定状态意味着降水与坑外补水已接近平衡，因此达到稳定水流量所需时间也是在考虑降水效果时需关注的一个重要因素。本文认为，当降水流量变化率<3%时，降水流量达到相对稳定，处于较平缓区间。统计各工况真空管井降水和普通管井降水达到稳定时间，可以得到表3。

表3 达到稳定水位时间对比

由表3可看出，随着土体渗透系数增大，土体对水的传导率也越大，降水更容易，所以达到稳定水流量的时间也越短；对比同一土体渗透系数时，普通管井降水达到稳定的时间也短于真空管井降水所用时间，这是由于普通管井形成的地下水与管井间的压差更小，其达到的稳定水位更高，所以用时会更短。对比同一土体渗透系数，止水帷幕设置越深，使得达到稳定的时间越长，且对真空管井降水影响越大。

3.4 施工现场试验对比

现场施工前，在相同含水地质条件、相同井结构、相同抽水时间条件下，分别对采用真空管井降水和普通管井降水的疏干抽水能力进行了相应的对比试验。

两种方式降水完成后，选取基坑中部和基坑底部距降水井2.5m和5.0m距离的8个区域，每个区域采集2组土体样本进行含水率对比，数据为：原状土为40.2%，普通管井降水后为30.0%，真空管井降水后为19.8%。

由此可见，真空管井降水的出水率远高于传统降水。现场试验与数值模拟结果一致(见图7)。

图7 疏干抽水能力对比试验照片

4 结语

1)利用基于非饱和理论的仿真软件Geo-SEEP/W完成基坑降水的数值模拟，以此对比基坑降水效果的尝试可行，探索了降水施工数值模拟和方案比选新途径。

2)对于不同土体材料，渗透系数对降水效果的影响极大。在渗透系数较小的地质环境下，如淤泥或淤泥质土，采用真空管井降水更高效。

3)设置止水帷幕可有效阻止或减缓坑外地下水流入，且对于止水帷幕越深的情况，真空管井降水优势越明显。