三维基坑开挖阶段地下水渗流分析
地下水渗流对工民建基坑施工中的影响及对策分析
地下水渗流对工民建基坑施工中的影响及对策分析摘要：工民建中基坑施工中比较容易出现基坑坍塌的现象，该种现象的存在主要由于地下水渗流的影响，施工过程中如果不注意地下水的处理会给施工带来严重的损害。
本文分析了地下水渗流对工民建基坑施工中的影响，探讨了工民建基坑施工中地下水渗流的处理对策，以供参考借鉴。
关键词：地下水渗流；工民建；基坑施工；影响；处理对策1.引言众所周知，基坑施对工民建筑工程影响重大，它的施工首先要具备以下条件：要确保基坑在开挖过程中的干燥状态，为施工的顺利进行创造优良环境；要保证基坑边坡随时处于相对稳定状态，把安全施工放在重要位置。
在工民建基坑施工中，要兼顾这两方面，否则造成严重的施工事故。
然而，在实际操作过程中会出现各种基坑问题，其中包括基坑积水或者土质疏松，从而给施工造成困难，发生“流沙现象”引起边颇坍塌，地质结构受到破坏，更有甚者是内部基坑土本发生大范围位移，以周围建筑物造成不良影响，严重时可能出现大灾害。
以上异常不良情况的发生很大程度上是因为在施工过程中对地下水的失误处理。
地下水处理的好坏直接关系到日后施工，所以重视对地下水渗流处理和防治。
2.地下水渗流对工民建基坑施工中的影响2.1地下水渗流发生的前提条件地下水渗流发生的三个条件：充足的水量补给、水头差和基坑土层的渗透性。
充足的水量补给是最根本的条件。
如果地下水位在基坑底以下，对基坑而言，不需要考虑地下水的渗流；如果水量补给来自降水，那么地下水的渗流就取决于降雨强度大小和时间；如果基坑附近有大江大湖等水源的存在，还要考虑它们之间的距离，基坑开挖过程中，导致基坑内外存在水头差，对基坑的侧压力有一定的影响，这个是普遍存在的现象。
土的颗粒大小、级配、充填和胶结物，土的密实度、颗粒的矿物成分，层理结构都影响着土的渗透性的大小。
例如硬塑的黏土颗粒外围具有较厚的结合水膜，渗透系数就低。
而密实的粗砂渗透系数就高。
此外，层理发育的土体，它的水平和竖直方向也有不同。
基坑开挖过程中渗流作用的影响
随着 基 坑 开 挖 深 度 的增 加 和 施 工 期 间 降 水 措
施 的实 施 ， 基 坑 内外 存 在 着 水 头 差 ， 并 且 会 随 着 时
土体 本构 关 系非常 复杂 ， 常用 的有 弹性非 线性 、
弹 塑性 ， 两 者 都 反 映 了 土 的 非 线 性 应 力 一 应 变 关 系
间发 生 变 化 ， 从 而 引 起 土 体 中 渗 流 场 及 应 力 场 的
改变 ， 使 得水 与 土 的相 互 作 用 变 得 极 其 复 杂 ， 从 而
特性 。Ｍｏ ｈ ｒ — Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍｂ屈 服 准 则 简 单 实 用 ， 材 料 参 数 Ｃ 、 可 以通过 各种 不 同的常规 试验 仪器 和方 法测
为 了便 于分 析 问题 ， 对基 坑 开 挖 有 限元 模 拟 作
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ － １ ２ — ２ ８
基金项 目： 国家 自然 科 学 基 金 （ ４ １ １ ０ ２ １ ６ ７ ） 、 福 州 大 学科 技 发展 基 金 （ ２ ０ １ ｌ —ｘＱ一 １ ２ ） 作者简介 ： 蔡廉锦 （ １ ９ ８ ９ 一） ， 男， 福建福州人 ， 福 州 大学 岩 土工 程 专 业 硕 士 研 究 生 。
第２ ７ 卷 第 ５期 ２ ０ １ ３ 年 ｌ Ｏ 月
土 工 基 础
Ｓ ｏ ｉ ｌ Ｅｎ ｇ ． ａ ｎ ｄ Ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｖｏ １ ． ２ ７ ＮＯ． ５ Ｏｃ ｔ ． ２ ０ｌ ３
基 坑 开 挖 过 程 中 渗 流 作 用 的 影 响
对基 坑 变形性 状 的影 响 。
第8章 地下水渗流分析
非稳定流。稳定流为运动参数如流速、流向和水位等不随时间变化的地下水流动。反之，非
稳定流。绝对意义上的稳定流并不存在，常把变化微小的渗流按稳定流进行分析。地下水渗
流按运动形态可分为层流和紊流。层流指在渗流的过程中水的质点的运动是有秩序、互不混
杂的。反之，称为紊流。层流服从达西定律，紊流服从 Chezy 公式，内容详见本手册 3.3 节。
流砂是指土体中松散颗粒被地下水饱和后，由于水头差的存在动水压力即会使这些松散
颗粒产生悬浮流动的现象，如图 8-1 所示。克服流砂常采取如下措施：进行人工降水，使地
下水水位降至可能产生流砂的地层以下；设置止水帷幕如板桩或冻结法用来阻止或延长地下
水的渗径等[6][7]。
初始坡面
流砂后坡面
流砂堆积物
图 8-1 流砂破坏示意图
基坑工程中为避免流砂、管涌，保证工程安全，必须对地下水采取有效的措施。控制地
下水的措施可以从两方面进行，分为堵水措施和降排水措施，详见表 8-8。出于经济和安全 的目的，常把堵水措施与降排水措施结合使用。
基坑工程中的治水措施
表 8-8
分类
说明
钢板桩
其有效程度取决于土的渗透性、板桩的锁合效果和渗径的长度等因素
按埋藏条件分类
埋藏条件
特征
岩溶裂隙潜水 裸露型
赋存于弱岩溶化的薄层灰岩和白云岩的各种裂隙中的水，埋 动态变化复杂， 藏浅，水量丰富而集中，富水程度不均，与地表水联系密切 分布不均一，多
岩溶区 地下暗河水
地下水
由强烈差异溶蚀作用导致岩溶发育的山区中形成地下管道， 见岩溶潜水，其 地下水构成暗河（带），有一定的汇水面积和主要地下河道 矿化度低
埋藏深，地下水矿化度高
往比水平向的大几倍
典型二元结构地层三维渗流模型
典型二元结构地层三维渗流模型摘要：以南京某深基坑工程为例，探求典型二元结构特征区域的地下水渗流模型，利用数值模拟方法预测基坑开挖施工阶段承压含水层的水位变化特征，为深大基坑地下水处理提供依据。
关键词：地下水三维渗流模型深基坑前言长江流域，特别在中下游的三角洲区域，下伏着较厚的松散沉积层，一般上部为粘性土，下部为砂性土，砂性土上细下粗，呈典型的二元结构特征，其中发育较厚的孔隙承压水层，承压水水头压力较高，含水层埋深较浅，各层含水层之间存在水力联系，形成一个较为复杂的地下水系统。
在这类区域的深大基坑开挖过程中，会面临承压水突涌问题，减压降水保证基坑开挖安全是一项极为重要的工作。
本文以南京某基坑工程为例，论述基坑降水三维渗流模型建立的理论，建立本工程的三维渗流模型，模拟预测本工程开挖降水期间的渗流场变化特征。
1、工程概况本工程紧邻地铁线，地铁区间隧道与本基坑地下室最近距离不足10m，基坑开挖面积约36400 ㎡，最深开挖约26.4m。
基坑下伏地层主要为：①1杂填土、②粘土、③淤泥质粉质粘土、④1粉细砂、④2中细砂、④2a粉质粘土（呈透镜体分布）、④3含砾中细砂及⑤层强风化~微风化砂质泥岩层。
潜水主要赋存于①填土中，初始水位埋深约1.0m，弱承压含水层由④1粉细砂、④2中细砂及④3含砾中细砂复合而成。
复合弱承压含水层厚度近50m，富水性好，透水性强，水量丰富，补给源为长江，承压水顶埋深约15~19m，承压水初始水头约3.0m。
2、三维渗流数学模型地下水流和土体是由固体、液体、气体三相体组成的空间三维系统，土体可以模型化为多孔介质。
因此求解地下水问题就可以简化为求解地下水在多孔介质中流动的问题，可以用下述地下水渗流连续性方程及其定解条件来描述地下水的三维非稳定渗流规律。
根据与本场地相适应的水文地质条件，可建立下列与之相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型：（1）式中：S为储水系数；Sy 为给水度；M为承压含水层单元体厚度(m)；B为潜水含水层单元体地下水饱和厚度(m)。
探讨SMW工法桩渗漏的原因及处理方法
围内大部分在砂（粉）性等透水性较强的土层,特别在高水位
（动水位）的砂（粉）性土层，三轴水泥搅拌桩止水效果并不理
想，当基坑侧壁一旦出现渗漏水现象，致使大量的水夹带砂
粒涌入基坑，严重的水土流失会造成地面塌陷，将会影响基
坑的安全,甚至会造成基坑安全事故。根据工程实例分析三
轴水泥搅拌桩止水帷幕出现渗漏的可能原因,并结合工程实
基坑开挖后，基坑侧壁出现渗漏水现象，有如下的三种 类型:①第一种类型，三轴水泥搅拌桩在整个基坑坑底向上 4m位置大多数都是潮湿的，有部分搅拌桩出现明显的渗水现 象,或有出现漏水,个别位置水流量大,并带有流砂现象;② 第二种类型，在西北角转角处，在基坑刚开挖不到2m就出现 大量涌水流砂现象，往下开挖后发现,此位置水泥搅拌桩出 现100mm左右空隙,系水泥搅拌桩之间没有搭接上;③第三 种类型，在基坑北侧有长条形渗漏点,在基坑底以上2m位置 开始，渗漏点的裂缝宽度越往基坑底,裂缝宽度越大。
2基坑工程侧壁产生渗漏的原因
2.1第一种渗漏类型的原因 （1）由于施工场地靠近闽江，闽江的潮水会使施工场地
地层中水头压力与闽江水压力发生变化，产生水头差，使得 杂填土中的浅部上层滞水和赋存于④-a粉细砂层或④-b中 砂层地下水（承压水）产生渗流，从而将砂层中的水泥土搅拌 桩中的水泥浆冲洗、稀释，使得三轴水泥搅拌桩桩身部分位 置水泥含量较少或基本没有水泥,搅拌桩桩身强度不足而产 生渗水或漏水。
基坑开挖渗流模拟分析
初始条件为： h（ x， y， 0 ） = h0 （ x ， y） 。 边界条件如下： 水头边界： h | Γ1 = 珔 h（ x， y， t） 。 流量边界： h 珋 （ h， x， y， t） 。 Γ = －q n 2 y， t） — — —待求水头函数； 式中： h = h（ x， kn kx ， ky — — —以 x， y 轴为主轴方向的渗透系数；
要： 基于 Midas gts 软件对基坑开挖渗流分析进行模拟， 根据渗流力学和岩土力学原理， 建立基坑降水过程中渗流计算模型， 通
过研究渗流对基坑的影响， 分析了基坑外土体沉降及桩位移变化情况， 得出了一些有参考价值的结论 。 关键词： 基坑， 降水， 渗流， 数值模拟 中图分类号： TU463 文献标识码： A k H k h + =0 x x x y y y 情况后， 就可解非恒定渗流问题 。
0
引言
由于我国城市人口密度的不断加大和城市建设的需要， 合理
(
)
(
)
（ 2）
而对于基坑工程在大中城 的开发与利用地下空间变得更加迫切， 市随处可见， 基坑工程中的各项工程措施又相互制约， 其中任一 环节在设计施工中出现问题， 都会导致整个工程的失败 。 在基坑 开挖工程中首先要做好工程降水 。 对于降水过程中渗流影响前人也做了很多研究， 李筱艳 利 用位移反分析计算渗透系数非线性耦合响应的渗流 —应力完全 耦合模型参数， 从而模拟基坑降水开挖引起的土体变形； 基于比 邓肯— 张 E—μ 非线性本构关系和渗透系数非线性 奥固结理论、 耦合响应关系的完全耦合分析模型预测基坑开挖土体变形； 骆祖 采用有限差分法对基坑开挖的三维渗流沉降耦合分析； 冯 晓腊等 将三维水—土耦合模型应用于深基坑降水及其引起地
深基坑渗漏水分析及紧急处理措施
深基坑渗漏水分析及紧急处理措施摘要：在我国社会发展新形势下，城镇化和城市化高度发展，城市人口不断增加，土地面积和居民生活需求之间的矛盾日益突出，地铁、人防、地下车库持续向纵深发展，市政项目的规模不断扩大，对止水围护结构质量提出更为严格的要求。
止水帷幕桩作为一种重要的施工工艺，其在防水效果以及稳定性方面具有较大的优势，但是在具体施工中，受到诸多因素的影响，其容易出现渗水问题，对市政工程的稳定性和可靠性带来负面影响，因此，针对止水帷幕桩渗水原因进行分析，并且提出相关处理措施，对促进我国市政建筑行业的稳定以及可持续发展具有现实意义。
关键词:深基坑；止水帷幕；渗漏水；措施1止水帷幕桩施工技术概述止水帷幕是工程地下主体防水施工的重要技术形式，从组成结构角度分析，止水帷幕主要由三管旋喷桩和单管组成，进而形成墙体结构，用于预防地下水渗漏。
新时期下，随着我国市政工程行业的蓬勃发展，止水帷幕桩逐渐在工程建设中获得广泛应用，其可以提升建筑地下主体的防水效果，进而提升工程项目的安全性和稳定性，发挥工程的社会效益和经济效益。
2深基坑止水帷幕的选型及优化设计对于不同水文地质条件止水帷幕设置类型，国内已有不同的学者进行了分类总结。
根据场地地层条件的变化，止水按照端部是否进入相对隔水层，可分为悬挂式止水帷幕和封闭式止水帷幕。
对于深厚含水层的情况下，由于受经济条件的限制，除了特别复杂敏感的环境条件限制以外，一般采用悬挂式止水帷幕较多，对于此种类型的止水帷幕设置深度，既要满足坑底抗渗流的影响，同时还需考虑降水对周边环境的影响，尽量做到按需降水。
止水帷幕的常见类型根据材料和施工工艺的不同，常用的形式为水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等。
水泥土搅拌桩止水效果较好，但帷幕施工深度受限制，对于标贯击数大于15击的土层难以施工，且桩体施工垂直度要求较高，若偏差容易造成叉脚漏水，一般在软土地区使用较多。
高压旋喷桩止水帷幕止水效果好，施工速度快，但也存在着垂直度偏差造成叉脚漏水的缺点。
基坑降水的三维渗流计算分析
基 坑 降水 的方 案设 计 必 须 既科 学 又经 济 ， 水 降 方 案首 先要 确保 降水 效 果 能 够 达 到预 期 的 目的 ， 降
水过程 能够 按 预定计划 有 控制 地实行 ； 次 ， 其 应考 虑
区随负压 水 头或 含水率 的 变 化而 改 变 （ 常 数 ） 在 非 ， 正 压 区等 于 Ｏ 求 解 域包 括 饱 和 区和 非 饱 和 区 ， 零 压 力线 即是 浸润线 （ 自由 面 ） 这样 自由面 不 作 为 自 ， 由边界 处理 。 ２ ２ 条件 慨 化与模 型建 立 ．
１ ． 细砂 层 Ｋ， ． ０一ｃ － ～； 侧 支 ６ ０ｍ粉 ：１０ｘ１ ｍ ｓ 南
程 中必 须 降低地 下 水位 。按 基坑 开 挖 设 计 要求 ， 地
下水 位应 降至 一６ ５ｍ。 ．
２ 三维渗流模拟计算分析
２ １ 基 本 方程 ．
基 坑 降水的三 维 渗流模 型采 用饱 和－ ＠ 饱 和三 － 维稳 定 渗 流数学模 型 ， 基 本方程 为 ： 其
本次计 算 将渗 流 区剖分 成 ２ 剖面 ， ８个 每个 剖 面 上 ２６个 结 点 ，５ ８ ２０个 单 元 。如 此 渗 流 计 算 域 内共 计 ８０ １ ８个 节点 ，０ ０个单 元 。 ３ ７０
维普资讯
ＧＥ ＯＴＥＣＨＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＥＬ ＦＩ Ｄ ＶＯＬ ５ Ｎｏ ５
基坑 降水 的 三维 渗 流计 算分 析
张俊 霞 李 莉 张 宝森
（ 黄委会黄河水利科学研究 院） 摘 要 过去在对基 坑降水方案进行模拟计 算时， 多采 用简化的经验 公式 ， 差较大 ． 误 而用 三维渗流模 型 则完全 可以解决基坑降水效果的模 拟问题。即用三维渗流模 型解 决基坑施 工中降水的渗流计算 问题 ， 降水 方案设计提供依据 ， 为 同时对 降水过程做 出预测。 目前在 实际工 程运用 中 ， 已取 得 了
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生成定义渗流材料所需的非饱和参数。输入值参考图GTS 基础例题 5 – Table 3。
14. 非饱和特性 函数对话框里点击
。
15. 添加/修改非饱和特性函数对话框里名称处输入‘非饱和’。
16. 渗透函数数据里将函数类型指定为‘加德纳系数’。
17. 渗透函数数据里a处输入‘0.1’。
18. 渗透函数数据里n处输入‘3’。
运行GTS
运行程序。
1. 运行GTS 程序。
2. 点击 文件 > 新建打开新文件。
3. 弹出项目设定对话框。
4.
单 位 体 系 若 设 成 了 其 它 5.
的，点击单位体系右侧的 设为tonf, m, day。
6.
7.
项目名称里输入‘基础例题 5’。 单位体系指定为‘tonf’, ‘m’, ‘day’。
基础例题5
三维基坑开挖阶段 地下水渗流分析
1
GTS基础例题5.
- 三维基坑开挖阶段地下水渗流分析
运行GTS
1
概要
2
生成分析数据
6
属性 / 6
2D 几何 建模
14
矩形, 直线, 转换 / 14
交叉分割, 删除 / 16
生成二维网格
18
网格尺寸控制 / 18
映射网格k-线面 / 20
生成三维网格
22
建立网格 / 22
材料名称(号)
土 1 (1)
土 2 (2)
土 3 (3) 土 4 (4)
ㅡ
岩土材料的特征值如下。
材料号
k (kx = ky = kz) (m/day)
Water Content 非饱和特性
1 土1
2 土2
3 土3
4 土4
2.4e-3
4.8e-3
6.0e-3
7.2e-3
0.5
0.5
0.5
非饱和 (1) 非饱和 (1) 非饱和 (1)
。
31. 添加/修改实体属性对话框里材料处指定‘土 1’。
32. 点击
。
9
三维基坑开挖阶段地下水渗流分析
生成属性‘土 2’。
33. 添加/修改实体属性对话框里号处指定为‘2’。
34. 名称处输入‘土 2’。
35. 单元类型处指定为‘实体’。
36. 为生成材料点击材料右侧的
。
37. 添加/修改岩土材料对话框里号处指定为‘2’。
GTS 基础例题 5 - Table 2
0.5 非饱和 (1)
4
GTS基础例题5
岩土材料里使用的非饱和特性的特征值如下。
号 渗透函数
含水量 函数
函数类型 a n
函数类型
θr θs
a n m
1 非饱和
加德纳系数 0.1 3
Van Genuchten 0.3 0.6 0.1 2 2
GTS 基础例题 5 - Table 3
。
GTS 基础例题 5 - 4
8. 添加/修改岩土材料对话框里确认号指定为‘1’。 9. 名称处输入‘土 1’。 由于是指定进行渗流分析所需的材料，所以只输入渗流参数。输入的值参考图GTS 基 础例题 5 – Table 2。
6
GTS基础例题5
10. 渗流参数的kx, ky, kz里都输入‘2.4e-3’。 11. 体积含水量(W)里输入‘0.5’。 12. 勾选非饱和特性。 13. 点击非饱和特性右侧的 。
19. 含水量函数数据里函数类型指定为‘Van Genuchten’ 。
20. 含水量函数数据里Theta r处输入‘0.3’。
21. 含水量函数数据里Theta s处输入‘0.6’。
22. 含水量函数数据里a处输入‘0.1’。
23. 含水量函数数据里n处输入‘2’。
24. 含水量函数数据里m处输入‘2’。
5
三维基坑开挖阶段地下水渗流分析
生成分析数据
属性
生成属性。
1. 主菜单里选择模型 > 特性 > 属性…。
2. 点击属性对话框里
的右侧 按钮。
3. 选择‘实体’。
4. 添加/修改实体属性对话框里号指定为‘1’，
5. 名称处输入 ‘土 1’。
6. 单元类型处指定为‘实体’。
7. 为生成材料点击材料右侧的
其它的项使用设定的默认值。
点击
。
8. 主菜单里选择视图 > 显示选项...。
9. 一般表单的网格 > 节点显示指定为‘False’。
10. 点击
。
1
三维基坑开挖阶段地下水渗流分析
概要
此操作例题主要是对有围护墙和围护板的挖掘模型进行排水分析。实际上并不建立围 护墙和围护板，而是将其按照边界条件来处理，建模主要是生成二维网格之后利用生 成的网格扩展成三维Hexa网格。
土1 土2 土3 土4
第一阶段 – 土 1 第一阶段 – 土 2 Stage 2 – 土 2 Stage 2 – 土 3
Stage 3
GTS 基础例题 5 - 3
此模型中并不建立充当结构材料的隔墙（Diaphragm Wall）。
3
三维基坑开挖阶段地下水渗流分析
各网格组的材料和特性如下。
网格组 名称
12m
10m
8m
4m 3@2m 6m
20m
Z Y
X
Wall
1m 9m
50m 60m
GTS 基础例题 5 - 1
Soil 1 Soil 2 Soil 3
Soil 4
GTS 基础例题 5 - 2
2
Diaphragm Wall
GTS基础例题5
材料不同的部分及需要按照阶段来施工的网格都捆绑成网格组（Mesh Set），便于管 理。网格组的名称如下。
土1 第一阶段 – 土 1 Stage 2 – 土 1
土2 Stage 2 – 土 2
土3 Stage 2 – 土 3
Stage 3 土4
所有二维单元
单元类型 实体
属性 名称(号)
土 1 (1)
实体Βιβλιοθήκη 土 2 (2)实体
土 3 (3)
实体
土 4 (4)
仅显示 (2D) 仅显示 (5)
GTS 基础例题 5 - Table 1
25. 点击
按钮查看变化的图表。
26. 点击
。
27. 非饱和特性函数对话框里确认指定了‘非饱和’。
28. 点击
。
7
三维基坑开挖阶段地下水渗流分析 GTS 基础例题 5 - 5
8
GTS基础例题5
GTS 基础例题 5 - 6
29. 添加/修改岩土材料对话框里非饱和特性处指定了‘非饱和’。
30. 添加/修改岩土材料对话框里点击
分析
26
节点水头 / 26
定义施工阶段 / 31
分析工况 / 37
分析 / 38
查看分析结果
39
总水头 / 40
孔隙压力 / 42
向量等值线(向量显示) / 44
GTS基础例题5
GTS基础例题5
建立有围护墙和围护板的模型,然后进行考虑排水的施工阶段分析。在这里我们通过 直接在GTS里输入坐标建立二维单元之后，再扩展成三维的方式来建立。然后在建立 的模型上定义边界条件按施工阶段进行排水分析，最后查看分析结果。