Barrier effects of surrounding group piles on deformation of foundation pits induced by dewatering
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摘要: 城市已有地下结构会对地下水流动和地层运移带来阻隔作用，该条件下的基坑设计与施工应考虑该阻隔效应的影响，但传统研究尚未充分揭露邻近结构阻隔作用对地下水渗流及基坑变形的影响机制。依托天津某地铁车站基坑工程开展了室内模型试验，通过在基坑-土-邻近结构（以桩基结构为例）物理模型中布设应力与变形传感器以全过程实时监测基坑抽水过程中坑内外水位变化、围护结构侧移、坑外地表沉降和围护结构两侧水土压力，探讨了有/无桩基结构时基坑降水引起的围护结构及周边土体变形规律，并揭示桩基结构阻隔效应对基坑抽水引发变形的影响机制。研究发现：①当基坑外存在桩基结构时，由于其对地下水运动的阻隔效应，较小的基坑涌水量可引起较大的坑内水位下降，此时，可适当减少坑内降水井的数量来实现同样的降水效果；②邻近桩基结构对地层运动的阻隔效应将导致基坑抽水过程中围护墙墙前侧向总压力更大、围护墙墙后侧向总压力更小，为此，抽水引起的围护结构侧移及坑外地面沉降更小。基坑设计时应考虑邻近结构对基坑施工环境效应的影响，从而得到更合理的基坑支护与施工方案。Abstract: The existing underground structures in urban areas can block the groundwater flow and soil movement (i.e., barrier effects). On this occasion, the design and construction of foundation pits should consider the influences of the barrier effects. However, the mechanism of groundwater seepage and deformation of foundation pits under the barrier effects of the adjacent structures has not been fully revealed. In this study, two laboratory-scale tests are conducted based on a metro foundation pit in Tianjin. A series of stress and deformation sensors are placed in the physical model for pit-soil-structures (taking pile foundation as an example) to monitor the real-time variation of water level, deformations of retaining wall, settlements of ground surface, and pore-water and earth pressures at both sides of the retaining wall during dewatering of the foundation pit. Based on the tests, the deformation laws of the retaining wall and surrounding soil caused by dewatering considering and without considering the adjacent pile foundations are discussed. The mechanism of deformation of the foundation pit induced by dewatering under the barrier effects of pile foundations is also revealed. Two main conclusions are drawn: (1) Larger groundwater drawdown in the pit can be caused by smaller water yield due to the barrier effects of pile foundations on groundwater flow. In this case, the number of pumping wells in the pit can be appropriately reduced to achieve the same pumping effects. (2) The barrier effects of the adjacent pile foundations on the ground movement may lead to a larger lateral pressure in front of the retaining wall and a smaller lateral pressure behind the enclosure wall. On this occasion, the deformation of dewatering-induced retaining wall and settlement of ground surface outside the pit may be much smaller. The effects of the adjacent underground structures on the foundation pits should be considered in the design so that a more reasonable supporting scheme and construction plan can be obtained.
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Keywords:
- foundation pit /
- dewatering /
- barrier effect /
- pile foundation /
- deformation /
- model test
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0. 引言
北疆干旱地区某平原水库位于天山北缘山前冲洪积下部细土平原区。水库经四面筑坝围成，主要构筑物包括大坝、放水(兼放空)涵洞、入库建筑物等，总库容2.81亿m3，属大(2)型水库。自工程投入运行以来，有力支撑了北疆地区的工、农业用水。然而，受不良地质和恶劣环境影响，水库运行存在风险隐患。影响因素主要体现在：大坝基础为深覆盖层软基，主要为第四系全新统洪积低液限粉土和低液限黏土，局部夹薄层的透镜体粉细砂层；库区地处新疆内陆干旱地区，蒸发量大，地下水含盐量高，对普通水泥具有结晶类硫酸盐强侵蚀性；地区冬季气温极低，极端最低气温可达-40℃。软基蠕变、反复冻融、盐害等问题长期威胁着水库运行安全。
渗流破坏是水库大坝的主要破坏形式之一，也是最值得关注的破坏类型[1-4]。平原水库一旦发生渗流破坏，后果不堪设想。目前来看，库水位变化、坝体反复冻融等原因对坝体内渗流性状产生影响。鉴于此，有必要根据工程地质勘察、渗流监测、安全检测等资料，结合渗流计算对大坝渗流进行安全评价，进一步掌握坝体渗流规律，指导运管实际工作。
1. 渗流监测与分析
为解决坝体渗流排水问题，本工程在坝后设置了排水系统，包括纵向和横向排水。纵向排水设置成明沟排水，在距下游坝坡脚66~88 m，环绕中坝、东坝、西坝平行坝轴线布置，总长10.5 km。横向排水垂直坝轴线设置，即每70 m设一道，其余坝段每100 m一道，环绕中坝、东坝、西坝垂直坝轴线布置，横向排水首端接下游坝坡脚的排水棱体，末端接纵向排水沟。沟底铺设40 cm反滤料及20 cm砂砾料。
根据前期工作安排，此水库渗流监测项目包括：渗透压力观测(自动化安全监测项目)、坝体渗透水位观测、围坝下游地下水位、坝后排水沟渗流观测。
1.1 渗流观测布设情况
(1) 坝基、坝体观测仪器布设
大坝共布设11个观测断面，共计125只GKD型钢弦式孔隙水压力计，布设情况如图 1所示。其中，东坝设2个观测断面，西坝设一个观测断面，上述3个断面的仪器主要用来观测东、西副坝坝体及坝基软弱夹层处孔隙水压力消散情况；中坝两个圆弧段各设一个观测断面，这两个断面的仪器主要用来观测圆弧坝段坝基坝体的渗流状态；在涵洞两侧各设3个观测断面，主要用来观测涵洞两侧坝基、坝体的渗流情况。上述断面除东坝5只孔隙水压力计外，其他10个断面各布置12只孔隙水压力计。
(2) 涵洞观测仪器布设
涵洞沿线渗透压力观测，是在沿涵洞轴线的重点结构缝布设观测断面，以监测沿涵洞轴线的渗流情况。沿涵洞轴线共设置6个观测断面，每个断面布置6只孔隙水压力计(涵洞上、下、左、右、左上角、右上角各布置一只)。共计36只孔隙水压力计。目前实现自动化监测，每日进行两次监测。
1.2 渗流监测结果分析
(1) 坝体渗流情况
2014年至2021年监测结果如图 2所示。从图 2中可以看出，坝体各断面渗流基本稳定，随着库水位的变化而变化，与库水位呈正相关，变化有一定的滞后时间。靠近上游的渗压计水头滞后时间为5~10 d，而靠近坝轴线的渗压计滞后时间较长，为10~30 d。但都是随着库水位变化，符合坝体渗流规律。埋设在竖向排水棱体下游干燥区的渗压计，水头在一个很小固定范围内上下波动，说明坝体内排水体通畅。此外，靠近上游的测压管水位随库水位变化，并有一定的滞后时间，滞后时间约半个月左右；而坝轴线附近和下游测压管水位基本稳定。
(2) 坝后地下水位监测结果
坝后地下水位情况如图 3所示。水库运行16 a，中坝2+000断面坝后地下水测井水位已经趋于稳定，水位变化主要受水库蓄水影响。整体看离水库最近的地下水测井水位最高，离水库越远，地下水位越低，说明坝后地下渗流已经趋于稳定。
(3) 坝后渗流
坝后渗流监测结果如图 4所示。坝后渗流与库水位关系密切，水库高水位运行时，坝后渗流值相应较大，水库低水位运行时，坝后渗流值相应较小。且库水位稳定时，坝后渗流测值稳定，说明坝后渗流场基本稳定。
2. 渗流计算复核
进一步地，复核坝体浸润线及其下游逸出点的位置，分析坝体渗流稳定、复核坝体与地基渗流量、坝坡出逸点的渗透比降，判断该处的渗透稳定性。
(1) 计算内容
根据《碾压式土石坝设计规范：SL274—2001》关于大坝浸润线、等势线、等压线及坝体、坝基渗透比降及渗流量的计算要求，本次综合水库近年运行表现及最新地勘成果，计算断面的选择应有一定代表性，同时处于较危险位置，遵循上述原则，选取典型断面进行此次渗流计算分析。大坝横断面如图 5所示。
(2) 计算参数
水库大坝筑坝土颗粒级配情况及土料物理力学试验成果见表 1、表 2[5]。采用北京理正软件设计研究院开发的《渗流分析软件》计算。根据试验成果，结合经验类比，工程土层物理力学指标采用地质建议值，坝壳料、坝基渗透系数采用地质试验值，根据《水库竣工验收报告》中排水体相关系数给出建议值，渗透系数及允许渗透比降详见表 3，4。
表 1 筑坝土颗粒级配表Table 1. Grading table of dam soil料场 粒组含量/% 取样深度
/m岩性名称 备注 > 0.075 mm 0.075~0.005 mm < 0.005 mm A
土料场20.5 61.8 17.7 1~5 CL 试验组数N=60 表 2 筑坝土料物理力学试验成果Table 2. Physical and mechanical test results of dam-building soil materials位置 取样
深度/m天然状态下 土粒相对质量密度 液限/% 塑限/% 塑性指数 组数 含水率/% 干密度
/(g·cm-3)A料场 1.0~5.0 9.9 1.45 2.72 24.4 13.9 10.5 156 表 3 工程土层物理力学指标地质建议值Table 3. Recommended geological values of physical and mechanical indexes of engineering soil layers部位 土体 土体厚度/m 渗透系数/(cm·s-1) 允许渗透比降 坝体及截水槽 低液限黏土 — 4.5×10-6 0.9 坝基 低液限黏土及低液限粉土 28 6.7×10-6 0.45 排水体 砂砾石 2.5 2.0×10-3 0.1 表 4 典型断面渗透系数Table 4. Seepage coefficients of typical cross-sections部位 材料 渗透系数 K/(cm·s-1) 东坝 坝体及截水槽 4.5×10-6 排水体 2.0×10-3 坝基 6.7×10-6 中坝 坝体及截水槽 4.5×10-6 排水体 2.0×10-3 坝基 6.7×10-6 西坝 坝体及截水槽 4.5×10-6 排水体 2.0×10-3 坝基 6.7×10-6 (3) 计算结果
坝体断面中坝、东坝和西坝处渗流量和出逸点渗透比降见表 5，坝体的浸润线、水头等势线和水压力分布见图 6。从计算结果看：坝体下游坝坡坡脚排水体最大破坏比降为0.07，小于允许的破坏比降0.1；坝基最大破坏比降为0.11，小于允许的破坏比降0.45；出逸点渗透比降均小于允许渗透比降，即大坝坝体不会发生渗透破坏。坝基渗透比降也均小于坝基允许比降，即坝基不会发生渗透破坏。
表 5 渗流计算结果Table 5. Calculated results of seepage计算内容 中坝 东坝 西坝 单位渗流量/(m3·s-1·m-1) 1.4×10-6 8.22×10-7 7.64×10-7 坝体下游出逸点比降 0.07 0.04 0.05 排水体允许比降 0.1 0.1 0.1 坝基出逸点比降 0.08 0.08 0.11 坝基允许比降 0.45 0.45 0.45 ![]()
图 6 典型断面渗流有限元计算结果Figure 6. Results of finite element calculation of seepage of typical sections根据水库监测资料，2018年水库渗流量为23.90~39.35 m3/h，大坝2018年年渗流量为20.9万m3~34.5万m3。经本次渗流计算，计算结果显示大坝年渗流总量为52.22万m3，占总库容的0.19%，水库渗流量较小，大坝渗流稳定、正常。根据渗流安全计算结果，结合国内外类似工程建设经验，可以初步判断坝体发生渗透破坏的可能性较小。
3. 结论
本文围绕新疆北疆平原水库长期运行安全问题，在渗流监测资料基础上，通过渗流计算复核，论证了该工程的渗流情况，主要得到以下4点结论。
(1) 水库大坝为均质土坝，采用坝体防渗，坝体内设置竖式排水体，底部用水平排水体将渗水引出坝外，坝下游设置纵、横向排水沟。从工程实体的检测结果和实际渗流量来看，水库大坝工程质量良好，防渗系统和反滤排水设施较完善，质量良好。
(2) 根据水库渗流监测资料，所有坝体上游侧的渗压计监测得出，坝体各断面渗流基本稳定，随着库水位的变化而变化，与库水位成正相关，变化有一定的滞后时间，基本符合坝体内部渗流水头逐渐减小的趋势，坝体排水通畅。
(3) 大坝防渗土料以低液限粉土为主，土料具有对水分较敏感特性，运行期间应加强对大坝内部和外部的观测、监视，分析监测数据，为水库大坝正常运行提供可靠依据。
(4) 大坝渗流压力变化规律基本正常，渗流量较小，浸润线出逸点基本与设计相符，坝体防渗土料满足设计和规范要求。
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图 1 基坑降水井及变形监测点平面布置[13]
Figure 1. Layout of dewatering wells and monitoring points for foundation pit
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图 3 有桩工况下降水井及监测点布置图
Figure 3. Layout of dewatering wells and monitoring points for case with pile foundation
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图 5 围护结构侧壁塑料薄膜布置及桩基结构实体图
Figure 5. Arrangement of plastic film on side edges of model retaining wall and picture of pile foundation
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图 6 有/无桩基试验中基坑出水量和坑内水位降深时程曲线
Figure 6. Time-history curves of flow rate and groundwater drawdown in pit with/without pile foundation
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图 7 无桩基试验过程中坑内外水位降深分布
Figure 7. Distribution of water levels at both sides of foundation pit for case without pile foundation
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图 8 有/无桩基试验结束时不同埋深水头降深分布
Figure 8. Distribution of water head at different buried depths in the end of both tests with/without pile foundation
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图 9 有/无桩基试验结束时距围护结构不同距离水头降深分布
Figure 9. Distribution of water head at vertical sections with different distances to retaining wall in the end of both tests with/without pile foundation
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图 10 有/无桩基试验结束时坑内外水头降深等值线图
Figure 10. Contour maps of change of water heads at both sides of foundation pit in the end of both tests with/without pile foundation
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图 11 有/无桩基试验结束时土体表面沉降分布图
Figure 11. Distribution of final surface settlements in both tests with/without pile foundation
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图 12 有/无桩基试验结束时围护结构的侧移分布
Figure 12. Distribution of final wall deflections in both tests with/without pile foundation
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图 14 有/无桩基试验墙前/后孔隙水压力变化沿深度分布
Figure 14. Distribution of change of pore-water pressures at both sides of retaining wall in both tests with/without pile foundation
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图 15 有/无桩基试验结束时墙前/后侧向总压力变化
Figure 15. Change of lateral total pressures at both sides of retaining wall in both tests with/without pile foundation
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图 16 有/无桩基试验结束时墙前/后侧向有效压力变化
Figure 16. Change of lateral effective earth pressures at both sides of retaining wall in both tests with/without pile foundation
表 1 土性参数表
Table 1 Parameters of model soil
土层 湿密度/(g·cm−3) 含水率/% 土的相对密度 孔隙比 渗透系数/(m·d−1) 压缩模量/MPa 粗砂 2.07 31.3 2.67 0.69 19.4 9.63 
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