确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境影响的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种确定基坑开挖面上方 止水帷幕渗漏对周边环境影响的方法。
【背景技术】 阳00引 自21世纪W来，地下空间的发展得到了不断深化，城市地铁的大规模修建、地下 商场及地下车库等日益增多均有效地缓解了地上空间的压力。伴随着地下空间的开发，基 坑工程也大量涌现，目前，开挖深度达到20~30m的基坑工程越来越多，有的甚至达到40m W上，即为深大基坑。对于深大基坑，现今使用广泛的是井点降水与止水帷幕相结合的方法 来降低基坑内地下水位。其中，止水帷幕在深基坑开挖中，既起到挡±作用，又能起到阻止 地下水横向渗流的作用，总而言之，止水帷幕是深大基坑工程开挖得W顺利进行并保证基 坑周边不因地下水渗流而产生过大变形的技术手段。然而，在实际工程中，因施工工艺、施 工技术等原因经常使得止水帷幕出现不同程度的渗漏，若渗漏发生在基坑开挖面上方的饱 和砂±层，严重的渗漏可能会发生流砂现象，从而导致地面发生沉降、管线破坏、建筑物开 裂等灾害。为此，确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对渗流环境影响的方法，对基坑安全开 挖具有非常重要的意义。
[0003] 经过对现有技术文献的检索发现，对止水帷幕渗漏的研究主要集中在渗漏对地 下水位的影响上，针对的是基坑开挖面下方承压含水层上止水帷幕的渗漏，现有分析方法 采用的是二维有限元法。如Vilarrasa于2011年在《Engineering Geology》上发表的 《A methodology for characterizing the hydraulic effectiveness of an annular low-perme油ility barrier》中利用二维有限元法的数值模拟结果，绘制出不同止水帷幕 渗漏程度下水位降深随时间变化的判断图，但其适用于止水帷幕完全隔断含水层的情况。 Pujades于2012年在《Engineering Geology》上发表的《Hydraulic characterization of diap虹agm walls for cut and cover tunnelling》中利用二维有限元法绘制了不同渗漏 条件下水位降深导数与时间的关系图，并提出了一些解析计算公式，通过两者的结合可W 计算止水帷幕的渗漏系数，其缺点是仅适用于一定条件下的条形基础。
[0004] 事实上，止水帷幕的渗漏属于空间问题，而二维有限元法针对的是简化的平面问 题，不如针对空间问题的=维有限元法更切合实际，因此，有必要建立=维数值模型来模拟 基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境的影响。然而对于=维模型来说，若采用实体单 元，那么在渗漏面积较小的部位，需要网格划分的非常小，使得网格数量偏多，导致计算繁 琐，甚至会影响计算的收敛性，最终无法确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境的 影响。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的不足，提供了一种确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周 边环境影响的方法，在了解±层信息及基坑资料的基础上，根据观测的止水帷幕渗漏情况， 现场测定渗漏处的渗漏面积及实际渗漏量；建立=维有限元模型，在=维有限元模型的相 应位置按照渗漏面积设置自定义渗漏单元，并参照=维有限元模型中渗漏量与渗透系数的 相关关系图确定渗漏位置的渗透系数；对自定义渗漏单元设置渗漏位置的渗透系数，依次 模拟基坑开挖、渗流固结，最终确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏引起的基坑周围地下水 位及地面沉降量。
[0006] 本发明是通过W下技术方案实现的：
[0007] 本发明提供一种确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏对周边环境影响的方法，所述 方法包括如下步骤：
[0008] 第一步，对基坑进行现场勘查，确定±层划分信息及地下水分布情况，并通过钻孔 取±进行室内±工试验，获取±层的物理力学参数；
[0009] 第二步，获取基坑平面尺寸、开挖深度，W及止水帷幕厚度、埋置深度、弹性模量、 渗透系数，确定考虑强度折减效应的止水帷幕等效弹性模量E';
[0010] 第=步，观测基坑开挖面上方止水帷幕的渗漏情况，记录渗漏位置、渗漏形态，确 定止水帷幕渗漏处渗漏面积D、实际渗漏量化；
[0011] 第四步，采用有限元分析软件建立基坑开挖面上方止水帷幕渗漏的=维流固禪合 模型；依据现场调查，在=维流固禪合模型相应的渗漏位置按照渗漏面积设置自定义渗漏 单元，模拟基坑开挖过程；
[0012] 第五步，对自定义渗漏单元假设不同数量级的渗透系数k，，激活基坑开挖面上方 止水帷幕内侧的渗流边界，确定止水帷幕在各个工况下渗漏一段时间（比如1天）后的渗 漏量Q;
[0013] 第六步，建立笛卡尔直角坐标系，横轴为不同数量级的渗透系数k,，纵轴为渗漏量 Q，作出渗漏量Q与渗透系数k，的相关关系图，并根据关系图确定现场测定的实际渗漏量Qk 对应渗漏位置的渗漏系数k;
[0014] 第屯步，对=维流固禪合模型中的自定义渗漏单元设置渗漏位置的渗透系数k，进 行渗流固结模拟，确定基坑开挖面上方止水帷幕渗漏引起的基坑周围地下水位及地面沉降 量。
[0015] 优选地，第一步中，所述的±层划分是指：通过钻孔取±的方法对基坑内地表W下 2. 5倍基坑深度范围内的±层进行划分，随后获取施工现场±样进行室内±工试验，得到施 工现场±层划分信息和地质信息，确定各±层±性及相应±层的厚度；
[0016] 优选地，第一步中，所述的地下水分布情况是指：采用钻孔探水仪对基坑场地进行 地下水钻孔探明，由掲露的±体类型判断含水层的类型及厚度；钻井观测不同含水层的稳 定水位，对于承压含水层采取隔水措施将被测含水层和其他含水层隔离后测其稳定水位。
[0017] 优选地，第一步中，所述的钻孔取±是指：在基坑周围用薄壁取±器获取现场的± 样，±样数W=个试件为宜。
[0018] 优选地，第一步中，所述的室内±工试验是指：密度试验、比重试验、含水率试验、 =轴试验、常规单向压缩试验、载荷试验及室内渗透试验。
[0019] 优选地，第一步中，所述的物理力学参数是指：±体的重度、孔隙比、有效粘聚力、 内摩擦角、压缩模量、泊松比、变形模量、水平渗透系数及垂直渗透系数。
[0020] 优选地，第二步中，所述的止水帷幕等效弹性模量E'满足W下公式：
[0021] E，=nEs，
[0022] 其中：n为模量折减系数，取1/5 ;Es为钢筋混凝±的弹性模量。
[0023] 优选地，第二步中，所述的止水帷幕渗透系数分为水平方向及垂直方向，水平方向 和垂直方向的渗透系数均取混凝±渗透系数。
[0024] 优选地，第=步中，所述的渗漏位置是指：渗漏区域在整个基坑平面的位置坐标， W及在基坑垂直方向上的涂度大小。
[00巧]优选地，第=步中，所述的渗漏形态是指：地下水经止水帷幕渗入基坑时所呈现的 渗漏形状。
[00%] 优选地，第=步中，所述的止水帷幕渗漏处渗漏面积D通过W下方式确定：
[0027] 目测渗漏区域位于地表面的大概位置，在所开挖基坑附近的地表面上选取参照物 (参照物在基坑平面图上有位置坐标），测出参照物和渗漏区域的距离，确定渗漏区域在整 个基坑平面的位置坐标；在渗漏区域的的平面位置坐标处下放测绳，分别测量渗漏区域最 顶端深度hi、最底端深度hz及渗漏区域两个侧边之间的距离1，得到渗漏面积D:
[0028] D= 1X〇i2-hi)。
[0029] 优选地，第S步中，所述的实际渗漏量Qk通过W下方式确定：
[0030] 在基坑开挖面上方止水帷幕渗漏处的正下方安放一个圆桶，测量圆桶的底面直径 t桶的高度h3、桶中水的高度h4;现场测定渗漏位置2个小时的渗漏量Q2k的大小；所述Q2k 满足W下公式： 阳0；31] Qzk=NV+(31d^4)Xh"
[0032] 式中：N为2小时所接渗漏水的桶数，V为圆桶体积；所述圆桶体积V满足W下公 式：
[0033] V= (31 少/4)Xhs;
[0034] 通过现场测定的2个小时的渗漏量Qzk，估算渗漏1天后的实际渗漏量Qk,即Qk= IWzk。
[0035] 优选地，第四步中，所述的自定义渗漏单元是指具有一定渗透性和刚度的二节点 线单元，该自定义渗漏单元与=维模型中的实体单元共节点，且有=个基本参数：渗漏面积 化、渗透系数k和弹性模量E。具体地，渗漏面积化由第=步中实测渗漏面积D确定，满足 公式：D,=D/n，式中n为止水帷幕渗漏位置所经过的网格节点；渗透系数k通过设定不同 数量级的渗透系数k，来确定；弹性模量E取0. 01。
[0036] 优选地，第四步中，所述的S维流固禪合模型是指：模型范围W基坑为中心水平 方向大于降水井影响半径R;模型垂直方向上大于承压含水层底板所在深度；对模型进行 网格划分，输入±体参数和水位大小，并设定模型的初始条件和边界条件，其中：模型的初 始条件为：水位线孔压为零，位移为零；边界条件为：模型四周为常水头边界，底部为固定 边界条件；±体和止水帷幕均采用8节点孔压单元，止水帷幕与±体间设置接触面，接触面 摩擦系数为0. 25。更优选地，所述的降