摘要: 本研究针对基坑工程中承压含水层内悬挂式止水帷幕下基坑内降水井抽水引起的安全与环境保护中的问题，采用理论分析、数值模拟、现场实测数据验证反分析等方法深入地探讨了止水帷幕对地下水渗流场阻挡作用的发生机理。提出止水帷幕两侧水位差的计算方... 展开 本研究针对基坑工程中承压含水层内悬挂式止水帷幕下基坑内降水井抽水引起的安全与环境保护中的问题，采用理论分析、数值模拟、现场实测数据验证反分析等方法深入地探讨了止水帷幕对地下水渗流场阻挡作用的发生机理。提出止水帷幕两侧水位差的计算方法，止水帷幕作用下承压含水层抽水效应的简易分析以及止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法。建立三维流固耦合模型，深入探讨基坑开挖面上方止水帷幕局部渗漏和基坑开挖面下方止水帷幕整体均匀渗漏、局部渗漏对渗流场及地表沉降的影响。本研究的主要创新性成果如下： (1)提出了考虑承压含水层各向异性的止水帷幕两侧水位降深差的计算公式。建立了止水帷幕不同含水层插入深度时的三维有限差分模型，分析抽水稳定后承压含水层竖向不同深度水位降深的分布规律。结果表明：①止水帷幕底部上方，水位降深随深度变化较快；止水帷幕下方，水位降深随深度变化较小。②在基坑内，离含水层顶板越近，水位降深越大；在基坑外，离含水层顶板越近，水位降深越小。通过对数值模拟结果进行分析，建立了止水帷幕两侧水位降深差的计算公式。 (2)提出了止水帷幕作用下承压含水层单井抽水的简易分析模型。根据达西定律和水量守衡原理，推导出了基坑外地下水通过止水帷幕下方进入基坑时，基坑内外地下水位分布的解析解，同时引入上述(1)中的分析结果，对解析计算结果进行了修正，提出了止水帷幕作用下承压含水层单井抽水的简易分析模型。该简易模型可计算承压含水层抽水时，由抽水井到基坑外任一点剖面上任意位置处的水位。 (3)提出了止水帷幕下水文地质参数的计算方法。建立了止水帷幕不同深度下的三维有限差分模型，分析基坑内外水位降深随时间变化特征。结果表明不同止水帷幕作用下水位降深随时间的变化分可为四个时段，且不同时段持续时间与抽水井完整性、承压含水层的厚度、止水帷幕插入承压含水层的深度及抽水井过滤器长度密切相关。基于此提出了止水帷幕作用下基坑内抽水时水文地质参数(导水系数、渗透系数、储水系数)的解析算法。第三时段的观测井水位降深资料可计算出含水层的导水系数，第二时段的水位降深曲线中直线段延长线与横坐标轴的交点可计算含水层的储水系数。 (4)建立了基坑止水帷幕渗漏的三维有限元模型分析止水帷幕渗漏对环境的影响。首先，引用计算隧道渗漏的自定义渗漏单元模拟止水帷幕渗漏面积较小的点状和线状渗漏现象，采用实体单元模拟渗漏面积较大的局部渗漏和整体均匀渗漏现象。其次，建立了考虑土体非线性的流固耦合模型，分析了基坑开挖面上方及下方的局部渗漏和整体渗漏对地下水位和地表沉降的影响。分析中考虑渗漏位置渗透性、渗漏长度、渗漏面积、渗漏点纵向位置、土层特性、止水帷幕插入承压含水层深度等因素的影响，模拟结果表明：①止水帷幕的渗漏改变了地下水流渗流方向，引起坑外地下水位的下降，使地面发生附加沉降。②渗漏量、地下水位及地表沉降与止水帷幕渗漏位置渗透系数、渗漏长度、渗漏面积、土层渗透性、各向异性及变形模量有关；③同一含水层内，开挖面上方的渗漏越靠近含水层底部，渗漏引起的地表沉降量越大；开挖面下方的渗漏越靠近抽水井过水断面，渗漏引起的地表沉降量越大。 (5)止水帷幕渗漏的工程实例分析。基于杭州地铁1号线城站站基坑工程和天津综合交通枢纽基坑工程的实测资料，分析了坑内降水对渗流场和周边环境的影响，分别建立了考虑地下连续墙渗漏的三维渗流与一维土体固结模型及三维流固耦合模型。结果表明数值模拟法可通过实测资料反演求得含水土层的水文地质参数及变形参数，同时也可以反演求得地下连续墙的渗透系数。在土体参数取值合理的情况下，求得的地下连续墙渗透系数能很好的反映地下连续墙的渗漏位置、渗漏程度。 收起