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水是影响深基坑工程施工的一个重要因素,伴随着城市化进程的飞速发展,深基坑的数量越来越多,规模也越来越大。武汉地区湖泊众多,地下水量丰富,在水文地质条件复杂地段进行基坑开挖时必须对地下水进行处理,以防坑壁、坑底冒水冒砂及基坑边坡失稳和周围地面不均匀沉降等地下水水患的出现。因此,有必要对基坑渗流场进行研究,以便为后续的基坑降水工程提供借鉴。
本文以武汉工业路地铁站深基坑降水工程为依托,从渗流理论的发展过程出发,在讨论渗流连续方程、基本微分方程及定解条件的基础上,推导建立了二维非稳定渗流的伽辽金有限元方程,在此基础上运用GeoStudio系统软件中的SEEP/W模块,对该基坑的其中一段,建立了数值模型,分别对止水帷幕插入深度、抽水井插入深度、抽水井边距以及帷幕存在缺陷等工况的基坑渗流场进行了二维非稳定渗流模拟分析,得到以下相关结论:
(1)基坑内水位降深,由无帷幕时的7.2m增加到帷幕深30m时的17.2m,增幅达139%;帷幕下断面的最大流速由帷幕深20m时的13.4m/d增加到帷幕深30m时的66.6m/d,增幅达397.2%。说明止水帷幕的插入深度对基坑渗流场的影响很大,随着帷幕深度的增加,抽水稳定时,坑内水位不断降低,近似呈线性关系;帷幕下断面的最大流速也不断增加。
(2)在定流量抽水条件下,抽水井的深度由22m增加到31m时,坑内水位降深由14.5m减小到13.5m,相对减幅为-6.6%;帷幕下断面的最大流速由34.5m/d减小到33.6m/d,相对减幅为-2.3%。可见,抽水井滤管的长短对基坑渗流场影响不大,较短的滤管也能达到相同的降水效果,但要求土体的渗透能力必须满足一定的要求。
(3)抽水井到基坑壁的距离为1m增加到9m时,坑内水头降深为12.9m增加到13.5m,相对增幅为4.9%;对帷幕下断面的最大流速影响不超过0.44%。可见,抽水井的边距对基坑渗流场的影响是非常微小的。随着抽水井边距的增加,抽水稳定时,基坑内水位有降低的趋势;帷幕下断面的最大流速先减小,然后略有回升,但幅度不大。
(4)止水帷幕缺陷高程18m时,坑内水位降深为9.2m,相对于无缺陷,坑内水位降深减小幅度达32.2%。可见,帷幕缺陷的存在会使基坑内水位升高,达不到设计降深;最大流速也产生在帷幕缺陷处,使基坑降水失败。
(5)各种工况下,随着抽水历时的增加,坑内水位降深和帷幕下端面流速都不断增加,在抽水初期,增长较快,当抽水时间超过20天时,水位下降和流速增长趋于平缓并最终稳定。