張斌，周俊輝，何維維

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

海上人工島基坑工程防滲

張斌，周俊輝，何維維

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

基于某海上人工島基坑工程實例，在地質(zhì)條件復雜、潮差水位變動劇烈、邊界土體透水性大的工程條件下，提出基坑單邊和多邊設置止水帷幕的防滲方案。采用ANSYS軟件建立三維滲流計算模型，分析各方案在不同工況下的滲流流速、流量和滲透坡降。研究表明，在海側(cè)和內(nèi)河道圍堰設置止水帷幕，能有效減少坑內(nèi)涌水量和邊坡滲透坡降，實現(xiàn)安全穩(wěn)定、造價最優(yōu)的防滲效果。此海上人工島基坑防滲方案可為類似工程的設計和施工提供參考。

人工島；基坑；防滲；數(shù)值模擬；流速；流量；滲透坡降

0 引言

隨著我國沿海地區(qū)經(jīng)濟的高速發(fā)展，土地資源日益緊缺，順岸圍墾造地和海上人工島工程的開發(fā)和建設越來越受到重視[1-2]，并由此在港口和巖土工程領域出現(xiàn)新的研究內(nèi)容和方向——海上人工島基坑工程。由于人工島多處于開敞的外海環(huán)境，海上基坑受人工島陸域回填與再開挖、外海潮流、波浪等因素影響顯著，不適于直接采用常規(guī)陸上基坑的設計與施工方法[3-6]。

人工島陸域回填通常采用含水率較高的疏浚料或滲透系數(shù)較大的土石料和海砂等材料，人工島基坑防滲主要考慮截斷外海水系補給和保證開挖坡降穩(wěn)定。本文結合某海上人工島內(nèi)水閘基坑工程，采用有限元數(shù)值模擬的方法研究不同防滲方案對人工島基坑滲流量、流速和滲透坡降的影響，旨在為類似工程的設計和實施提供參考。

1 工程概況

本文引用的基坑總面積為6.49萬m2，最大開挖深度為9.7 m?；娱_挖區(qū)域位于人工島內(nèi)河段，地處北側(cè)出?？?，周邊為新近填海區(qū)，回填料為土石料和吹填海砂，內(nèi)河道邊界為拋石圍堤，透水性大（圖1）。

圖1 基坑平面布置及周邊環(huán)境Fig.1 Layout of excavation and surroundings

根據(jù)勘察資料，場區(qū)天然地基主要為淤泥、殘積土和風化巖?；颖眰?cè)圍堰考慮防浪，堤身采用拋石堤結構；南側(cè)內(nèi)河道圍堰堤身采用黏土回填；東側(cè)新近填海區(qū)回填10 m土石料；西側(cè)新近填海區(qū)回填4 m土石料和9 m海砂。

2 基坑防滲方案

基坑南北兩側(cè)為水域，新建臨時圍堰，并在內(nèi)側(cè)鋪設防滲土工膜；東西側(cè)為新填陸域。本文根據(jù)基坑周邊環(huán)境和地質(zhì)條件，擬提出以下防滲方案。

1）方案1：不設止水帷幕，僅在圍堰內(nèi)側(cè)鋪設防滲土工膜。

2）方案2：單邊防滲方案，僅設止水帷幕①，即海側(cè)圍堰設置止水帷幕。

3）方案3：雙邊防滲方案，設置止水帷幕①和②，即海側(cè)和內(nèi)河道圍堰均設置止水帷幕。

4）方案4：閉合防滲方案，設置止水帷幕①～④，即新建圍堰和新填陸域區(qū)均設置止水帷幕，形成封閉止水區(qū)（圖1）。

各防滲方案止水帷幕設計深度按穿透淤泥層進入殘積土不少于1.0 m控制。

3 防滲數(shù)值分析

根據(jù)以上基坑防滲方案，分別計算對應的坑內(nèi)涌水量，即1 d的滲流量。

在地下水豐富、滲流系數(shù)較大（滲透系數(shù)≥10-6cm/s）的地區(qū)進行支護開挖時，通常需要在基坑內(nèi)降水。如果圍護短墻自身不透水，由于基坑內(nèi)外水位差，導致基坑外的地下水繞過圍護墻下端向基坑內(nèi)滲流，這種滲流產(chǎn)生的動水壓力在墻背后向下作用，而在墻前則向上作用，當動水壓力大于土的水下重度時，土顆粒就會隨水流向上噴涌。

在軟黏土地基中滲流力往往使地基產(chǎn)生突發(fā)性的泥流涌出，從而出現(xiàn)管涌現(xiàn)象。

驗算抗?jié)B流穩(wěn)定的基本原則是使基坑內(nèi)土體的有效壓力大于地下水的滲透力。因此，針對各防滲方案還需分別進行抗?jié)B流穩(wěn)定性驗算。

采用ANSYS軟件建立三維滲流計算模型，分析各方案在不同工況下的滲流流速、流量和滲透坡降。

3.1 計算工況

1）正常工況：按照大潮潮型（表1）24 h過程線進行非穩(wěn)定滲流計算，模擬施工期正常潮位漲落情況。主要計算滲流流量，即基坑涌水量。

2）不利工況：按照2 a一遇高潮位4 m進行穩(wěn)定滲流計算，模擬施工期可能出現(xiàn)的極端潮位。主要計算滲流流速和滲透坡降，判斷發(fā)生管涌破壞的可能性。

表1 大潮潮型24 h對應外海水位Table 1 Spring tide level in 24 hours

圖2 各防滲方案流速矢量分布Fig.2 Velocity vector distribution for anti-seepage schemes

3.2 滲流流速分析

方案1基坑四周不設置止水帷幕，僅在海側(cè)和內(nèi)河道圍堰鋪設防滲土工膜。該方案雖然可以阻止圍堰堤身發(fā)生的滲流，但水流通過河道兩側(cè)拋石堤繞過圍堰發(fā)生滲流，且由于兩側(cè)拋石堤滲透系數(shù)大，導致滲流流速較大，最大流速為0.182 cm/s（圖2（a））。

方案2止水帷幕能夠有效阻止海側(cè)拋石圍堰繞滲的發(fā)生，但內(nèi)河道圍堰處流速仍舊較大，最大流速為0.134 cm/s（圖2（b））。

方案3不僅能夠阻止圍堰發(fā)生滲流，而且能夠有效阻止其兩側(cè)繞滲的發(fā)生，總體防滲效果較為明顯。最大流速為0.012 cm/s，較前兩個方案流速減小較為明顯（圖2（c））。

方案4止水帷幕形成封閉防滲區(qū)域，此方案防滲效果最佳，整個流場內(nèi)滲流速度已經(jīng)很小，最大流速為1.78×10-6cm/s（圖2（d））。

3.3 滲流流量分析

按照正常工況進行24 h非穩(wěn)定滲流計算，模擬施工期正常潮位漲落情況。計算得到不同防滲方案的每小時平均滲流流量（表2）。

根據(jù)各方案每小時平均滲流流量，與時間相乘累加計算可得到基坑1 d涌水量。各防滲方案基坑1 d累計涌水量，如表3所示。

分析可得，方案1水流主要從圍堰兩側(cè)的拋石堤繞滲至基坑內(nèi)，為保證工程安全必須采取措施阻止繞滲發(fā)生。方案2和方案3在海側(cè)與內(nèi)河道圍堰設置止水帷幕可以阻止在河道兩側(cè)拋石堤內(nèi)發(fā)生的繞滲，起到較好的止水效果。方案4形成閉合防滲區(qū)域，防滲效果最好，但止水帷幕工程量大，造價也隨之增加。

表2 不同防滲方案滲流流量Table 2 Flow of anti-seepage schemes

表3 不同防滲方案基坑涌水量對比表Table 3 Comparison of flow for anti-seepage schemes

圖3 各防滲方案滲透坡降分布Fig.3 Hydraulic gradient distribution for anti-seepage schemes

3.4 滲透坡降分析

各防滲方案滲透坡降分布見圖3。

根據(jù)基坑的地質(zhì)條件，本工程最有可能發(fā)生的土體滲透破壞形式為管涌，且土體級配不連續(xù)，允許滲透坡降在0.1～0.2之間，由于在內(nèi)河道拋石堤內(nèi)側(cè)設有反濾層保護，所以當滲流主要發(fā)生在拋石堤而不經(jīng)過反濾層時，允許滲透坡降取值0.2；當滲流通過反濾層時，允許滲透坡降取值適當增大，取值0.5[7]。

方案1滲流主要發(fā)生在海側(cè)和內(nèi)河道圍堰兩側(cè)的拋石堤而不經(jīng)過反濾層，部分土體區(qū)域滲透坡降大于允許坡降0.2，因此發(fā)生管涌的可能性很大（圖3（a））。

方案2滲流主要發(fā)生在內(nèi)河道圍堰兩端的拋石堤而不經(jīng)過反濾層，部分土體區(qū)域滲透坡降大于允許坡降0.2，因此發(fā)生管涌的可能性很大（圖3（b））。

方案3滲流通過反濾層，各部分土體的滲透坡降均小于允許坡降0.5，所以發(fā)生管涌的可能性較?。▓D3（c））。

方案4各部分土體的滲透坡降很小，發(fā)生管涌的可能性也很?。▓D3（d））。

方案2至方案4最大滲透坡降均發(fā)生在防滲體處，而普通防滲材料的允許滲透坡降均較大，不考慮防滲體處的滲透破壞。

4 結語

1）方案1由于圍堰內(nèi)側(cè)設有防滲土工膜，可以阻止圍堰堤身發(fā)生的滲流，但水流通過內(nèi)河道拋石堤繞過圍堰發(fā)生滲流，且由于拋石堤滲透系數(shù)大，導致滲流流速較大，最大流速為0.182 cm/s。方案2止水帷幕能夠有效阻止海側(cè)拋石圍堰繞滲的發(fā)生，但內(nèi)河道圍堰處流速仍舊較大，最大流速為0.134 cm/s。方案3不僅能夠阻止圍堰發(fā)生滲流，而且能夠有效阻止其兩側(cè)繞滲的發(fā)生，總體防滲效果較為明顯。方案4止水帷幕形成封閉防滲區(qū)域，防滲效果最佳。

2）分析比較各方案的涌水量可得，方案1水流主要從圍堰兩側(cè)的拋石堤繞滲至基坑內(nèi)，所以必須采取措施阻止發(fā)生繞滲。方案2和方案3在海側(cè)與內(nèi)河道圍堰設置止水帷幕可以阻止在兩側(cè)拋石堤內(nèi)發(fā)生的繞滲，起到較好的止水效果。方案4形成閉合防滲區(qū)域，防滲效果最好，但造價大幅增加。

3）方案1和方案2部分土體滲透坡降大于允許坡降，因此發(fā)生管涌破壞的可能性較大。方案3和方案4土體的滲透坡降均小于允許坡降，發(fā)生管涌的可能性很小。方案2至方案4最大滲透坡降均發(fā)生在防滲體處，而普通防滲材料的允許滲透坡降均較大，不考慮防滲體處的滲透破壞。

4）根據(jù)不同方案的涌水量和滲透坡降計算分析，建議防滲方案為方案3。該方案不僅有效減少坑內(nèi)涌水量和開挖邊坡滲透坡降，防滲效果顯著，且止水帷幕工程量相對較小，總體實現(xiàn)了安全穩(wěn)定、造價最優(yōu)的防滲效果。

[1]謝世楞.人工島設計的進展[J].海岸工程，1995，14（1）：1-7. XIE Shi-leng.Advances in design of artificial island[J].Coastal Engineering,1995,14(1):1-7.

[2]張志明，劉連生，錢立明，等.海上大型人工島設計關鍵技術研究[J].水運工程，2011（S1）：1-7. ZHANG Zhi-ming,LIU Lian-sheng,QIAN Li-ming,et al.On key design technology for large offshore man-made island[J].Port& Waterway Engineering,2011(S1):1-7.

[3]李小軍，陳映華，宣廬峻.采用水上深基坑圍護法建造特大型船塢塢口的創(chuàng)新設計[J].巖土工程學報，2006，28（S1）：1560-1564. LI Xiao-jun,CHEN Ying-hua,XUAN Lu-jun.Creative design of super large dry-dock head construction by means of deep steel sheet piling excavation in water area[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(S1):1 560-1 564.

[4]李耀良，王理想，余振棟，等.超大面積港池基坑的陸上和水下開挖施工技術[J].建筑施工，2008，30（10）：848-850. LI Yao-liang,WANG Li-xiang,YU Zhen-dong,et al.Excavation technology under water and on land for ultra large foundation pit of harbor basin[J].Building Construction,2008,30(10):848-850.

[5]DG/TJ 08-61—2010，基坑工程技術規(guī)范[S]. DG/TJ 08-61—2010,Technical code for excavation engineering [S].

[6]劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009. LIU Guo-bin,WANG Wei-dong.Excavation engineering manual [M].2nd ed.Beijing:China Architecture and Building Press,2009.

[7]GB/T 50943—2015，海岸軟土地基堤壩工程技術規(guī)范[S]. GB/T 50943—2015,Technical code for levee engineering on soft ground in coast area[S].

Anti-seepage of excavation project in offshore artificial island

ZHANG Bin,ZHOU Jun-hui,HE Wei-wei
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

In combination with an excavation project in an artificial offshore island,we proposed the anti-seepage schemes by setting waterproof curtains on unilateral and multilateral boundaries under the conditions of complicated geology,drastic changes in tide level,and large permeability of soils.The three-dimensional finite element numerical models are established by ANSYS to study the seepage velocity,flow and hydraulic gradient under different calculation conditions.The calculated results show that the flow and hydraulic gradient can be reduced significantly to meet the safety and economic requirements by setting waterproof curtains in the seaside and inner-river side cofferdam.The proposed anti-seepage scheme can also provide a guideline for similar engineering designs and constructions.

artificial offshore island;excavation;anti-seepage;numerical simulation;seepage velocity;flow;hydraulic gradient

U655.54；TU473.5

A

2095-7874（2017）01-0033-05

10.7640/zggwjs201701007

2016-07-25

2016-08-16

張斌（1989— ），男，江西九江市人，碩士，工程師，主要從事港口和巖土工程設計與研究。E-mail：zhangxyzbin@sina.com