0 引言

深基坑为地下隐蔽工程, 因其施工难度大、技术要求高、工序环节难以控制, 特别是基坑承压水对止水结构缺陷的破坏与影响研究还是空白。目前, 对止水帷幕缺陷的检测是通过坑内降水观察、坑外水位变化, 仅限于定性判断方法, 对缺陷的空间位置及渗流量、渗流速度无法定量确定;因限于对承压水风险因素的全面认识, 缺乏有效的承压水风险分析与评估方法以及有效的对承压水风险控制措施, 尤其是止水结构完成之后, 没有有效的方法, 对地下止水帷幕的施工缺陷进行针对性的质量检测与渗流管控。目前基坑行业的建设中出现两种面对基坑开挖前质量缺陷的认识问题:一种认为渗漏只是小问题, 碰碰运气就可冲过去;另一种是花重金对止水结构进行多重防护, 以减小基坑开挖中的风险。其本质需要建立基坑工程设计、施工、止水帷幕的预警与渗流管控的原位测量方法、工艺和标准。

1 工程概况

武汉绿地国际金融城高636m, 位于武汉市武昌区和平大道与临江大道之间, 场区地势平坦, 地面标高为23.220~26.350m, 地貌上属长江I级阶地。场地临近长江南岸。塔楼设置6层地下室, 基坑采用地下连续墙, 工字钢止水接头, 底板埋深约29.700 m, 绝对标高为-4.700 m。本场地孔隙承压水赋存于第四系全新统冲积粉质黏土夹粉土、砂层及中细砂夹卵砾石层中, 储水量丰富, 含水层顶板为上部黏性土, 底板为基岩, 含水层厚度为38m左右。场地内承压水头最高约为27m, 承压水头年变化幅度在4.0m左右, 尤其是在汛期, 长江水位上涨对基坑施工开挖的风险增大。 在勘探深度90.2m范围所揭露的地层有20多m厚细砂, 其下为第四系全新统冲积成因的黏性土、砂土和冲积成因的含砾中细砂, 下伏基岩为志留系中统坟头组砂岩、砂质泥岩。在基坑开挖土层内, 全场地为细砂, 层面埋深为26.0~32.9m, 层厚为15.6~23.6 m, 层顶标高-24.450~-2.150 m, 灰色, 密实, 中低压缩性, 含石英、长石、白云母, 砂质较纯, 级配较好。在深厚的细砂层下部分布有含砾中细砂层, 局部缺失, 层面埋深为39.0~52.6m, 层厚为0.2~4.2m, 层顶标高-28.270~-15.150m, 密实, 中低压缩性, 含石英、长石、白云母, 局部地段混有圆砾和粗砂, 圆砾主要由石英砂岩及变质岩组成, 含量5%~10%, 粒径0.5~2cm。其地下水丰富且与长江水位有直接联系, 开挖过程中地下连续墙因受施工工艺所限, 特别是复杂地质条件下的不确定因素等原因, 在地下连续墙面及槽段接缝处, 混凝土浇筑质量及槽缝刷壁控制不当而出现的渗漏情况较为普遍。基坑开挖后如发生渗漏, 需启动应急抢险预案, 一方面影响基坑及周边环境安全及稳定, 另一方面造成工期延误。常规的基坑地下水位观测方法, 只能依据观测到的基坑内外水头差的异常变化, 定性地描述地下连续墙可能存在的施工质量问题, 不能够指出渗漏通道的具体位置与渗漏量化指标, 更没有有效的手段与方法对开挖前止水帷幕的防水效果建立科学有效的评估机制, 而造成基坑管涌渗漏的事故时有发生。为此本项目深基坑在地下连续墙体围护好之后, 在坑外的水文地质观测孔中, 采用了声纳渗流测量方法, 对深基坑止水帷幕的防水效果进行了检测, 获得了地下隐蔽工程施工质量与地下水三维渗漏流场的流速、流向、渗漏流量、渗透系数的三维可视化解析成果。 基坑地质剖面如图1所示。

2 声纳渗流检测技术

声纳渗流探测技术是利用声波在水中的优异传播特性而实现对水流速度场的测量。如果被测水体存在渗流, 则必然在测点产生渗流场, 声纳探测器阵列能够精细地测量出声波在流体中能量传递的大小, 依据声纳传感器阵列测量数据的时空分布, 导入三维流速矢量声纳可视化成像系统, 即可生成土木工程需要的原位渗流场的渗透流速、渗流方向、渗流量、渗透系数等各种水文地质参数的二维、三维立体图和切剖面。 图1 基坑地质剖面 (单位:m) Fig.1Rock profile of foundation excavation (unit:m)

3 测量方法

“三维流速矢量声纳测量仪”由测量探头、电缆和计算机3部分组成。仪器测量之前, 都是通过室内标准渗流试验井进行渗流参数标记后, 才能进行现场渗流测量。野外试验测量前, 要对测量仪器通电预热3min后, 把测量探头放入测量井孔内正式进行测量, 测量的顺序是自上而下, 从地下水位以下开始测量, 测量点的间距为1m, 1个测点的测量时间是1min, 待测量完成, 测量数据自动保存在电子文档中, 再进行下一个点的测量, 直到测量至孔底。

4 地质模型与测量数据成像

地质模型与声纳渗流模型是将基坑场地内钻孔岩芯柱状图数据和水文测量孔的声纳测量数据显示成像的效果图 (见图2) , 其目的是帮助全面了解基坑岩土工程与水文地质工程对应关系, 能够更容易依据地层性质与声纳渗流测量的水文地质参数, 正确判断地下隐蔽工程施工质量缺陷的成因。因为地质模型可以定性地表达地下岩性的展布情况, 而不同的岩性其渗透系数也有很大差别, 渗透系数的大小对地下水的流动快慢有直接影响, 一般而言, 渗透性越好, 其地下水的流动越快, 流速也较大。而声纳检测数据是地下水流速矢量的定量描述, 三维可视化图通过两者的拟合, 能更加准确地找出产生流速破坏的原因以及相对应的水文地质参数。

5 水文地质参数原位测量

5.1 各孔渗漏流量可视化图

图3所示为塔楼基坑14个测量孔渗漏量柱状分布图。渗漏量是由单孔每米测量点的渗漏流速之和乘以单孔有效渗漏宽度 (取5m) , 估算获得各测量孔的渗漏流量。图3所示流量柱状图显示, >200 cm³/s流量排在前5位的测量孔排序:Z1为875 cm³/s, Z2为456 cm³/s, Z13为257 cm³/s, Z14为212 cm³/s, Z15为200 cm³/s。 图2 地质模型数据与检测数据三维可视化图Fig.2Foundation Excavation geological model data&3 D visualization map 图3 各测孔渗漏流量分布柱状图Fig.3Seepage discharge distribution histogram 图4所示为塔楼全部14个测量孔止水帷幕外侧向坑内的渗漏水量, 在每米测量高程上的三维空间坐标位置的流量数据。图中显示, 圆柱体的直径大小对应的是渗漏流量的数值, 颜色的深浅对应的是相同流量数据的类比图。图中很直观地看出止水帷幕缺陷位置与对应渗漏流量的分布数值, 以便对渗漏量大的坐标位置进行开挖前的风险评估与补强加固处理。 图4 各测孔三维渗漏流量分布Fig.43 D seepage discharge distribution curve

5.2 止水帷幕渗漏流速三维成像

为了更清晰地认识和消除地下隐蔽工程出现的渗漏破坏, 以声纳渗流测量方法的功能与作用, 通过图5现场测量的塔楼基坑500组三维空间地下水渗流场数值, 以每组60万个声纳渗流数据信息单元, 声纳渗流原位测量数据生成的渗流场 (含流速、流向、流量) 三维多媒体可视成像中的动态画面 (此三维图可360°方向旋转观察) 。并由此渗流场基础图生成工程设计与施工需要各空间方向上的地下水渗流等值线剖面图及水文地质参数可视化图。如图5~11所示, 基坑止水帷幕周边的14个声纳渗流测量孔的地下水渗漏流场对应的地下连续墙体的施工质量缺陷的相关信息, 表明其中有5个测量孔的平均渗透流速>2×10^-4cm/s, Z1孔为1.17×10^-3cm/s, Z2孔为6.08×10^-4cm/s, Z13孔为3.43×10^-4cm/s, Z14孔为2.82×10^-4cm/s, Z6孔为2.79×10^-4cm/s, 这些渗透流速的异常所导致的地下止水帷幕的渗漏缺陷的具体位置, 从以下几个可视化图件显示出来。 图5 塔楼止水帷幕声纳渗流场三维成像Fig.53 D visualization sonar seepage map of tower water-stop curtain 图5为塔楼基坑止水效果的可视化图, 图中显示内容包含了渗透流速的空间云图;对应的有圆柱状的渗漏流量直径和颜色对比分类图;同时, 还有地下水渗漏流速矢量方向的三维空间指向图。为了更加清晰地表述基坑内施工过程中无孔不入的地下水渗流, 无时无刻不在破坏和浸蚀地下止水帷幕的机体。如果能够在不同的基坑水位降深测量各时段的地下水渗漏流场的动态变化过程, 即可在时间和空间尺度上, 更加详细地推演和描述地下水动力学的细微变化与工程止水结构的耦合关系。 图6所示为在三维渗流场的止水帷幕周边进行剖切而生成的1个基坑边界渗透流速等值线可360°任意转换的三维多媒体可视成像图, 从而能够直接观察到地下隐蔽工程三面测量墙体的施工质量与渗漏流速之间对应的关系, 以便对存在质量问题的墙体进行全面质量评估并针对有质量缺陷的漏水洞进行局部的补强加固。 图6 塔楼止水帷幕四周声纳渗流三维流速等值线Fig.63 D visualization sonar seepage contour map of tower water-stop curtain 图7 塔楼止水帷幕三维声纳渗流x切剖面流速等值线Fig.73 D visualization sonar seepage contour map of velocity in x cut section 图8 塔楼止水帷幕三维声纳渗流y切剖面流速等值线Fig.83 D visualization sonar seepage contour map of velocity in y cut section 图9所示为不同测量深度基坑底板出现的渗漏流速等值线平面图, 因此, 能够模拟预知开挖到某一个深度时, 不同空间位置开挖时可能遇到渗漏风险, 提前加固封堵或者做好应急预案。还可以根据工程需要, 任意剖切渗流场中的水文地质要素, 以实现对基坑工程地下水的量化及预测和预报。 图11所示为13个测量孔500个测量点的流速矢量方向立体分布图。该示图在高水头渗透力作用下, 各渗漏点的渗流方向在止水帷幕渗流的指向, 箭头长度对应流速的大小, 箭头的指示方位为地下水流速的矢量方向。根据渗流方向的指向判断发生主要渗漏通道的位置。 图9 塔楼止水帷幕三维声纳渗流z切平面流速等值线Fig.93 D visualization sonar seepage contour map of velocity in z cut section 图1 0 塔楼止水帷幕流速矢量三维可视化图Fig.103 D visualization sonar seepage velocity vector contour map of tower water-stop curtain 图1 1 基坑渗流方向平面Fig.11Direction of percolation flow plan graph

6 止水帷幕渗透系数质量评价方法

针对止水帷幕管涌渗漏的质量评价方法, 有基坑内外水位观测、帷墙钻孔取芯目测、声测管墙体缺陷检测、测斜管帷墙垂直度变形检测、地面沉降量监测缺陷检测。这些测量手段与方法从一个侧面加强了对渗漏相关的信息解译。尤其是对基坑承压水的渗漏风险检测还属于空白, 声纳渗流检测技术是在基坑止水帷幕渗流场获得有矢量意义的渗速、方向、流量和渗透系数成像的地下隐蔽工程质量评估体系的新方法, 从而保证高速发展中土木工程建设对水文地质新的技术参数的需要。如图12~14所示。 图1 2 超标加固孔沿深度渗透系数曲线Fig.12Permeability coefficient of over standard reinforcement holes 图1 3 应急处置孔沿深度渗透系数曲线Fig.13Permeability coefficient of emergency holes 图1 4 止水帷幕幕墙渗透系数坐标三维分布Fig.14 3 D visualization permeability coefficient coordinate map of water curtain wall 图12和图13所示为塔楼基坑止水帷幕14孔的渗透系数沿高程的分布曲线, 图12显示平均渗透系数>1.0×10^-3cm/s为透水层, 其中的Z2孔在深度38m出现了2.26×10^-3cm/s渗透K值、Z1孔在32~43 m深度出现1.03×10^-3cm/s渗透K值, 它们在开挖该细砂层时>1.0×10^-3cm/s渗透K值时, 易形成管涌渗漏的发生, 应采取开挖前的局部补强加固。图13所示Z6孔在31m深度出现2.33×10^-4cm/s渗透K值、Z13孔在13~29 m深度出现8.96×10^-4cm/s渗透K值、Z4孔在47 m深度出现4.38×10^-4cm/s渗透K值、Z15孔在43 m深度出现4.33×10^-4cm/s渗透K值, 建议针对4孔不同深度出现的>2.0×10^-4cm/s渗透系数的微渗透层的坐标位置准备应急预案, 确保基坑的顺利开挖。

7 结语

“三维流速矢量声纳可视化成像系统”从渗流理论的发展进程中, 提出了一整套适用于实际工程需要的地下水渗流计算公式及渗流通用测量方法, 具有自主知识产权的“三维流速矢量测量仪”以及“地下空间工程声纳渗流可视化成像智能专家分析系统”。该系统适用于所有的水文地质条件, 如孔隙、裂隙和溶隙水的天然与人工渗流场测量。由于该方法测量的孔径小、速度快、数据全、精度高, 容易在现场操作和实施, 而且只需要传统抽水试验费用的1/20, 已经在80余项省内外工程中应用、示范和推广, 取得了很好的应用效果, 产生了显著的社会与经济效益。现在水文地质测量领域形成一种产业, 为国民经济建设中许多重要的工程设计和深基坑渗流风险控制以及水库大坝的运行维护做出贡献。2017年该声纳法T/CDSCA305.23.2017《水下工程渗漏声纳检测技术规程》等6部技术标准发布, 从而为该方法的广泛应用提供了法规上的依据。

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