近年来, 利用超深落地式止水帷幕 (地下连续墙、TRD工法桩、高压旋喷桩等) 配合深井井点进行降水的方法 (又称落地式、嵌岩式或封闭式基坑降水) 在深基坑工程中逐渐兴起^[1]。理论上, 落地式止水帷幕能够隔绝基坑内外水的水力联系^[2], 实际上, 基于止水帷幕工程的隐蔽性, 加之施工技术所限, 落地式止水帷幕往往存在缺陷, 从而影响止水帷幕的隔渗效果^[3,4]。若这些缺陷较大且不能及时补救, 开始基坑降水作业后, 在基坑内外形成的较大水头差的作用下, 地下水将通过止水帷幕的漏点携带砂土由坑外涌入坑内, 形成涌漏现象^[5]。但是, 若能够在施工降水之前了解止水帷幕的隔渗效果, 大致确定止水帷幕潜在缺陷的位置, 就可以提前修补处理这些地方, 并在施工中加强监测, 合理安排施工阶段的降水设计方案, 有效预防工程事故的发生。目前对落地式止水帷幕隔渗效果评价的研究极少^[6], 且在实际工程应用中的可操作性较差。

引入止水帷幕建立后的坑内抽水、坑外观测的连通试验, 研究止水帷幕的隔渗效果评价问题。首先, 通过现场试验结合理论分析, 提出连通渗透系数、隔渗系数的概念及其计算方法, 并给出通过隔渗系数进行隔渗效果评价的依据。最后, 结合武汉某深基坑工程实例, 采用该方法计算止水帷幕的隔渗系数, 评价止水帷幕的隔渗效果, 指出止水帷幕潜在的涌漏点位置并与工程监测结果进行比较。

基于大量落地式止水帷幕条件下基坑降水工程的研究, 为了解决落地式止水帷幕隔渗效果的评价及止水帷幕涌漏点的确定问题, 通过现场连通试验, 提出一种落地式止水帷幕隔渗效果评价方法。

连通试验是为测定含水层与含水层之间, 或泉水、地下暗河出露处等地下水露头点相互之间的水力联系而进行的野外试验^[7]。现在将此概念引入存在止水帷幕的基坑中^[8], 可理解为在基坑落地式止水帷幕封闭之后的一种原位水文地质试验, 是基坑落地式止水帷幕建立之后, 在基坑内设置主孔抽水, 基坑外设置观测孔进行试验, 查明抽水井点与观测井点之间的连通情况, 检查落地式止水帷幕内外地下水的水力联系, 进而评价落地式止水帷幕的止水效果。

由于地下连续墙等止水帷幕施工工艺特点, 使得止水帷幕的渗透性具有很大不均匀性, 因此相同抽水井与坑外不同位置的2口观测井得到的数据往往不能反映同一渗透性, 所以该连通试验每组最少设2口试验井, 其中基坑内1口抽水井、基坑外1口或多口观测井, 其试验井布井如图1所示。为了能够更有效、准确地反映落地式止水帷幕的隔渗效果及其缺陷可能存在的位置, 在布置试验井时, 应优先布置止水帷幕施工质量较难控制的基坑转角处, 除转角处外应尽量分段、均匀布置, 然后根据实际情况加密试验井布置, 试验组布置越密集越能探明止水帷幕情况。

由于采用单口井抽水, 在落地式止水帷幕的作用下对基坑外地下水位的影响较小, 故试验中应满足2个基本条件:试验井的布置应适当靠近止水帷幕, 不宜距离止水帷幕过远;地下水水位应基本不受外界其他因素影响。在实际工程中一般都可以满足试验井靠近止水帷幕这一条件, 而第2个条件, 当需降水的含水层为承压含水层时可满足。因此, 该方法主要适用于降水层为承压含水层的落地式止水帷幕条件下的基坑降水工程。

渗透系数是基坑降水设计中最重要的一个参数, 理论上, 对于基坑中的某一确定含水层, 其土体颗粒的形状、大小、颗粒级配及地下水的黏滞性等因素确定, 其渗透系数也就确定。当考虑落地式止水帷幕对基坑周围地下水渗流场的影响及其隔渗效果, 此处采用连通试验得到的参数进行渗透系数求取, 将采用该方法求得的渗透系数定义为连通渗透系数, 记为K^*。此处的连通渗透系数没有实际的物理意义, 只是为了反映止水帷幕隔渗作用所计算的一个虚拟的渗透系数。其具体计算方法如下所述。

根据承压水单个观测孔的抽水试验确定渗透系数^[1]:

式中:K为渗透系数 (m/d) ;Q为抽水井涌水量 (m³/d) ;M为承压含水层厚度 (m) ;r₁为观测井与抽水井距离 (m) ;r_w为抽水井半径 (m) ;S₁为观测井降深 (m) ;S_w为抽水井降深 (m) 。

从式 (1) 中可以看出, 影响渗透系数的因素包括涌水量Q、承压含水层厚度M、抽水井与观测井的水位降深差 (S_w-S₁) 、观测井与抽水井距离和抽水井半径之比 (r₁/r_w) 等。在给定的试验条件下, 涌水量、承压含水层厚度均已确定, 所以试验过程中仅需观测2口观测井的水位降深, 并测定观测井及其与抽水井的距离。

采用连通试验的观测数据进行计算, 即可得到止水帷幕存在后的连通渗透系数K^*:

则连通渗透系数:

式中:ΔS为连通试验观测井1与观测井2的降深差 (m) ;r'为连通试验观测井2与观测井1降水井距离之比。

为了更明确、清晰地反映落地式止水帷幕建立后的隔渗效果, 将连通渗透系数K^*与场地原渗透系数K的比值定义为隔渗系数λ, 即

地下连续墙等止水帷幕的渗透性不均匀, 存在裂隙部位的渗透性较大, 而无裂隙的部位渗透系数较小, 所以在评价止水帷幕隔渗效果时, 通常根据各连通试验组计算得到的隔渗系数, 依据表1对落地式止水帷幕的防渗效果进行分段评价, 并预测潜在涌漏点位置。

某深基坑项目位于武汉, 紧邻轻轨、道路及居民楼, 基坑开挖面积约78 702m², 普挖深度为场地标高下18.450~20.450m, 塔楼区域坑中坑深2.525~5.300m。基坑重要性等级为一级。

基坑采用明挖顺作法施工, 采用周边超深落地式地下连续墙兼作补充止水帷幕。地下连续墙墙底进入强风化泥岩≥2m。基坑内布置97口50t/h降水井, 基坑外布置23口观测井。

场地地貌单元属长江Ⅰ级阶地。场区内覆盖层为一套达50~60m第四系全新统冲洪积地层, 表层为 (1) 杂填土, 其下层具有典型的二元结构, 从上至下分别为 (2) 淤泥、 (3) 粉质黏土、 (4) 粉土、粉砂互层、 (5) ₁粉砂夹粉土、 (5) ₂粉细砂 (局部夹粉质黏土) 、 (5) ₃粉细砂、 (6) 中粗砂夹砾卵石、 (7) ₁强风化泥岩、 (7) ₂中风化泥岩, 下伏基岩为志留系泥岩。

场区地下水主要为上层滞水、层间承压水2种类型。影响基坑开挖的主要是赋存于粉细砂层中的承压水。勘察期间在抽水试验观测井中量测到承压水稳定水位在地面下5.62m, 武汉地区长江一级阶地砂土层中的承压水水头高度年变化幅度在3.0~4.0m。根据场区的水文地质勘察及抽水试验报告, 承压含水层渗透系数K=20m/d, 影响半径R=235m。基坑开挖后坑底位于粉细砂层中。

根据基坑布井情况, 本次连通试验共进行了5组, 各组试验的试验井设置为: (1) 第1组抽水井为SJ10, 观测井为CJ16; (2) 第2组抽水井为SJ81, 观测井为CJ13, CJ14; (3) 第3组抽水井为SJ21, 观测井为CJ04, CJ05; (4) 第4组抽水井为SJ02, 观测井为CJ01, CJ02; (5) 第5组抽水井为SJ37, 观测井为CJ22。井位如图2所示。每组试验抽水约7h, 水位基本达到稳定。

根据连通试验的观测数据, 结合文中提出的连通渗透系数计算新法, 根据式 (2) 计算可得各组试验的连通渗透系数及隔渗系数, 如表2所示。

结合表2得到的连通渗透系数结果, 根据式 (3) 计算得到各试验组所在位置的隔渗系数, 结合表1对各段止水帷幕的隔渗效果进行评价, 找出涌漏点可能存在的位置, 隔渗系数及评价结果如表3所示。

从表3中得出基坑西侧止水帷幕的隔渗效果明显好于基坑东侧。基坑东侧、东南角、东北角的地下连续墙可能存在漏点。为了缩小漏点存在的范围, 可进一步在疑似涌漏位置布置多个连通试验组, 采用所述方法进行计算、分析、评价。

在基坑开挖降水过程中对基坑外道路、房屋建筑等进行了沉降监测, 其中道路沉降量监测点沿基坑边道路每隔15~25m布置1个监测点 (见图3) 。

根据监测资料, 基坑开挖降水约6个月后, 各沉降监测点的累计沉降量如图4所示。根据现场观察及基坑监测结果, 55~62段 (基坑东侧) 累计沉降量明显比其他段监测点的沉降量大。该现象产生的原因之一可能是降水过程中部分区段基坑止水帷幕隔渗效果较差或存在渗漏点, 当基坑内大量抽水时, 在基坑内外水头差的作用下基坑外地下水渗流入坑内, 引起坑外地下水水头下降, 孔隙水压力降低、有效应力增大, 坑外部分土体压密, 引起地面发生一定程度沉降, 该现象印证了表3计算结果。另外, 后期施工过程中, 基坑东南角根据实践应用, 利用连通试验及隔渗系数法, 对试验结果进行计算、分析, 可以有效评价落地式止水帷幕的防渗效果, 预测涌漏点可能存在位置。

1) 隔渗系数法通过现场连通试验及计算方法, 求取连通渗透系数及隔渗系数, 据此评价落地式止水帷幕的隔渗效果, 继续预测止水帷幕的涌漏点位置。

2) 隔渗系数法评价落地式止水帷幕隔渗效果, 主要适用于降水目的层为承压含水层的情况, 如武汉长江一级阶地。

3) 为了能够更有效、准确地反映落地式止水帷幕的隔渗效果及其缺陷可能存在的位置, 在布置试验井时, 应优先布置止水帷幕施工质量较难控制的基坑转角处, 除转角处外应尽量分段、均匀布置, 然后根据实际情况加密试验井布置, 试验组布置越密集越能探明止水帷幕情况。