基于Visual Modflow的基坑降水對周邊環境影響分析

原創：技術鄰地下結構設計。   歡迎交流

隨著全國各地城市建設的發展，在各種復雜含水系統中開挖的基坑工程越來越多，如何處理好地下水就成為工程建設順利實施的關鍵。基坑降水工程既是基礎工程順利進行的先決條件，同時也會造成周邊地面的不均勻沉降，對周圍建筑物造成危害。

Visual MODFLOW用三維有限差分數值理論模擬孔隙介質中地下水流動。自從問世以來，由于其程序結構的模塊化、離散方法的簡單化和求解方法的多樣化等優點已被廣泛用來模擬井流、河流、排泄、蒸發和補給對非均質和復雜邊界條件的水流系統的影響。目前我國在地下水及溶質運移模擬、地下水流數值模擬、預測基坑降水應起的地面沉降、基坑涌水量的預測、模擬斷層等研究都應用了Visual MODFLOW 軟件。

本文以國內某地鐵車站為例，采用Visual Modflow軟件模擬基坑降水對周邊環境影響。

一、案例背景介紹

國內某地鐵車站深基坑工程，基坑開挖深度約為16m，圍護結構形式為地下連續墻，墻厚為1m，地連墻兼做止水帷幕。基坑開挖深度范圍內存在較厚的淤泥質粉質粘土層。設計時，考慮基坑一側存在需保護建筑物，并綜合考慮造價經濟性，地連墻深度設計為一側入巖（臨近被保護對象一側，深50m），隔斷地下水。另一側懸掛，深度30m，止水帷幕體系屬于懸掛式之水帷幕。

基坑降水共采用深層減壓降水井約50口，井深40m，淺層疏干降水井約30口，井深20m。濾管長度約15m。

基坑深度范圍內，存在較厚的淤泥質粉質粘土層，厚度10m左右，滲透系數為0.003/0.018 （豎向/水平）m/d，基坑下臥層為粉砂層，滲透系數為15m/d。基巖層為中風化巖層。

二、Visual Modflow分析流程

2.1 建立平面及豎向網格，導入底圖。由于cad中地形圖較大，導入困難，故采用地圖云圖圖片格式導入。

2.2根據降水方案，布置抽水井，設置濾管參數。

2.3設置地層滲透參數

2.4添加止水帷幕（局部設置如下），考慮不同位置地連墻深度。

2.5添加適當邊界條件（如定水頭、河流邊界等），提交計算。

三、結果分析—周邊地表水位降深預測

由于兩側地連墻深部不同，水位降深曲線不對稱，水位下降主要出現在止水帷幕懸掛側，地表最大水位降深為0.45m。止水帷幕懸掛側水位降深范圍明顯大于封閉側，表明單側地連墻入巖有效控制了水位下降，同時還能節約支護體系造價。

圖3.1 計算結果—地表水位降深范圍

圖3.2 計算結果—地表水位降深曲線

圖3.3 計算結果—地表水位流向

圖3.4 計算結果—縱斷面水位

圖3.5 計算結果—水量平衡

四、小結

通過Visual Modflow可以較為準確的預測基坑降水引起的周邊地層水位降深，通過控制、修改降水井數量及抽水速率，驗證降水方案的可行性，相比較常規三維有限元軟件通過控制降水水頭實現基坑降水模擬，modflow考慮到具體降水井參數，更貼合實際降水方案。但modflow相比較常規三維有限元，地層參數僅考慮滲透系數等水文參數，自帶模塊并未考慮壓縮模量等物理力學參數，因此計算結果僅能反應水位降深，如要預測水位降深引起的地表沉降，可通過分層綜合法計算水位降深引起的土體固結壓縮量。