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二元结构地基市政工程基坑防渗墙的渗流控制作用研究第八届全国基坑工程研讨会（2014年11月，武汉）张家发范士凯陶宏亮长江科学院武汉市江岸区黄浦大街289#zhangjf@mail.crsri.cn13807107482武汉华太岩土工程有限公司2014-11提要1问题的提出2研究条件与方法3防渗墙对渗流场的作用规律4防渗墙作用效果及其应用的讨论5结语1问题的提出研究对象：临河二元结构地基的市政工程基坑典型：武汉市长江一级阶地的市政工程基坑特点：承压含水层市政工程基坑面临的挑战：•地下水作用下基坑工程的安全•工期约束和投资效益的追求•环境影响控制的要求基坑降水引起的地面沉降和建筑物破损长江科学院九万方试验基地渗流控制失效对周边设施的威胁黄河干流某枢纽工程基坑天然气管道电力塔道路及其他地下管线住宅小区关于市政工程基坑防渗墙的问题防渗墙的作用效果及其规律防渗墙的应用方案及其负面作用与对策2研究方法与条件建立二元结构地基及基坑渗流模型渗流场有限元模拟分析防渗墙贯入度对其作用效果的影响规律防渗墙作用效果及其应用的讨论技术路线方法与条件•模型：河道高水位期间的饱和稳定渗流场•防渗墙贯入度：防渗墙进入含水层深度与含水层厚度之比（%）•软件：三维非均质各向异性稳定渗流场有限元程序S3D（长江科学院自有软件之一）二元结构地基市政工程基坑模型•围堰或者堤防挡水，河道水位高于地面10m•地层结构参数和渗透性•堤身材料透水性强，依靠垂直防渗墙防渗•忽略基坑（堤轴线）方向长度的影响（基坑位置及尺寸）•离基坑800m远处地下水位恒定为地面高程•防渗墙贯入度%：0，50，60，70，80，90，95，98，99，1003防渗墙对渗流场的作用规律基坑渗流场分布对比（1）基坑渗流场分布对比（2）基坑垂直出逸比降随防渗墙贯入度的变化基坑涌水量随防渗墙贯入度的变化基坑水平出逸比降随防渗墙贯入度的变化防渗墙底面及其对应位置含水层底板水平比降随防渗墙贯入度的变化堤脚垂直出逸比降随防渗墙贯入度的变化4防渗墙作用效果及其应用的讨论4.1悬挂式防渗墙渗流控制效果及遏制渗透破坏扩展的作用4.2落底式防渗墙的效果与安全风险4.3超前排水的必要性及回灌井淤堵问题解决方案①1.渗流场控制效果主要限于防渗墙附近；②2.可用以抑制管涌险情的扩展。张家发，吴昌瑜，朱国胜.堤基渗透变形扩展过程及悬挂式防渗墙控制作用的试验模拟(J).水利学报，2002（9）：108-111.张家发，朱国胜，曹敦侣.堤基渗透变形扩展过程和悬挂式防渗墙控制作用的数值模拟研究(J).长江科学院院报.2004（6）：47-50.刘丹珠，张家发，李少龙，等.基于土拱理论的土体坍塌机理研究(J).长江科学院院报，2011（5）：35-41,45.刘丹珠，张家发，李少龙，等.考虑土体坍塌的单层堤基管涌数值模拟研究(J).长江科学院院报，2012（10）：98-101.后续开展研究的单位，也都有类似结论：•清华大学•同济大学•河海大学•中国水利水电科学研究院•南京水利科学研究院4.1悬挂式防渗墙渗流控制效果及遏制渗透破坏扩展的作用4.2落底式防渗墙的效果与安全风险•落底式防渗墙渗控效果取决于墙体质量，以及是否与防渗底板组成可靠的体系。•落底式防渗墙渗控效果不佳的例子太多，给人印象太深！•落底式防渗墙承担的水压力和渗透比降高，一旦出现缺陷，地下水作用强烈而且迅速，危害性大！实例1：湖北咸宁长江干堤邱家湾段-许季军，肖利，张伟，咸宁长江干堤邱家湾段防渗墙渗控效果分析报告（R）,长江科学院，2001.防渗墙前后水位差别不大，且均与长江水位同步变化覆盖层：粘性土/粉细砂/中细砂/砂砾石基岩：侏罗系泥质粉砂岩、粉砂质粘土岩•设计要求抓斗法施工的防渗墙嵌岩深度为0.5m，没有考虑实际基岩风化带厚度；•“落底式”防渗墙建成后，渗控效果不好，被迫补强，并为堤防工程增补了其他加固措施。实例2：广东北江大堤石角段-张挺、曹洪等，北江大堤石角堤段防渗工程效果分析(J)，岩石力学与工程学报，2009（11）：2235-2241•高喷防渗墙，底高程没有针对实际基岩风化带厚度确定•钻孔电视见到基岩风化带和冲蚀沟槽•被迫多次补强，并增加了减压井措施覆盖层：粘性土/粉细砂/中粗砂/砾砂/卵砾石基岩：第三系粉砂岩夹砾岩测压管水位与江水位线性相关，仍然出现管涌险情松散土层覆盖的基岩面广东韶关丹霞山福建武夷山•基岩风化壳•基岩侵蚀面灰岩：岩溶陆相碎屑岩侵蚀面：结构面，沟槽、洞穴武汉市第四系覆盖于灰岩、或者陆相碎屑岩之上，将基岩作为防渗底板，需要针对性地考虑防渗底线深度，以及施工工法的可靠性！防渗体系缺口越小，土体渗透破坏的可能性越大缺口部位的集中渗流会在一定范围之外消散。但是：–管涌型土会在缺口部位产生管涌，集中渗流和管涌破坏区域逐渐扩大；–如果缺口部位接近基坑开挖面，或者与防渗墙的侧面接触缝连通，无论是管涌土还是非管涌土，都有可能发生危及基坑安全的渗透破坏。防渗墙贯入度99%B点（防渗墙）水平比降升至10.5D点（含水层）水平比降升至2.4防渗强渗透性越低，缺口引起渗透破坏的风险越大防渗墙贯入度99%，渗透系数1×10-7cm/sB点（防渗墙）水平比降升至12.6D点（含水层）水平比降升至2.7落底式防渗墙破损后风险更大防渗墙贯入度100%，渗透系数1×10-7cm/sB点（防渗墙）水平比降升至18.64.3超前排水的必要性及回灌井淤堵问题解决方案•落底式防渗墙仍然需要超前排水措施的配合作用，只不过排水孔和排水量可以大为减少；•悬挂式防渗墙更需要与超前排水措施一起，形成有效的渗流控制体系，才可以保障基坑安全；•对悬挂式防渗墙与超前排水的综合渗流控制措施，需要评估对于周围环境的影响，根据需要采取相应的措施。湖北省基坑工程技术规程的要求淤堵机理：出口特性间歇特性溯源特性①张家发，吴志广，许季军，朱国胜.安庆江堤现有减压井运行效果初步分析(J).长江科学院院报，2000（4）：38-40.②吴昌瑜，张伟，孙厚才.减压井淤堵机理研究现状(J).长江科学院院报，2005，（2）：60-62.③张家发，张伟，李思慎.堤防工程减压井淤堵及其应对措施研究(J).长江科学院院报，2006（5）：24-28.④定培中，张伟，袁耀宇.葛洲坝基础排水孔过滤体运行状况研究(J).长江科学院院报，2007（5）.⑤张伟，许继军，吴昌瑜.可拆换过滤器减压井的应用研究(J).人民长江，2009（3）.⑥张伟，张家发，孙厚才.减压井化学淤堵机理试验研究(J).长江科学院院报，2009（10）:13-16.⑦吴昌瑜，张伟，李思慎，朱国胜.减压井机械淤堵机制与防治方法试验研究(J).岩土力学，2009（10）.⑧张伟，定培中，肖利，盛小涛.渠道深基坑降水试验及工程应用(J).长江科学院院报，2011（10）.排水孔、减压井淤堵机理29淤堵问题可以解决：•控制成井质量•改善反滤结构设计井壁泥皮完全应该避免淤堵应对措施5结语5.1落底式防渗墙有效应用的条件•投资保障•工期保障•防渗底板的准确把握和底高程的合理设置（考虑帷幕灌浆的必要性）•施工技术保障•严格的质量控制•配合超前排水•正确评估和妥善处理对于邻近堤防工程的影响强调：设置落底式防渗墙，基坑安全风险更高！一旦破损，也会严重影响周边环境！5.2悬挂式防渗墙有效应用的条件•超前排水成为主要渗流控制措施，合理设计井结构，严格控制成井质量；•防渗墙贯入度的增加，难以显著增加渗流控制效果，但是可以抑制渗透破坏的恶性发展；•结合排水体系论证防渗墙贯入度；•正确评估和妥善处理对于周边环境的影响；•通过改进反滤结构设计和控制成井质量，可以提高回灌的效率。谢谢关注欢迎指正