乳山某基坑地下水渗流破坏事故分析

时间：2024-07-28

于晓洋

（山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队），山东济宁 272100）

0 引言

近年来，基坑事故频频发生，造成了巨大的经济损失甚至人身伤害。诱发基坑事故的因素多种多样，其中地下水是影响基坑安全性的一项重要因素，如果无法对地下水进行有效地控制，将会对基坑造成严重的安全隐患。

基于事故现场的各项调查和试验数据，是分析事故原因最直观、最可靠的手段。随着计算机技术的发展，数值模拟目前也成为了一种有效的辅助手段，很多专家学者［1-6］已成功利用不同的数值模拟软件对基坑事故作出分析。

1 概况

1.1 工程概况

基坑位于山东省乳山市南部，拟开挖部分为单层地下车库。基坑北侧为待建空地，东侧毗邻社区卫生服务中心大院，南侧及西侧均为道路。其中南侧空间较为宽裕，其他方向受地物及待建区域影响空间有限（见图 1）。基坑东侧及南侧建筑均采用毛石条形基础，基础埋深约 3.0 m。基坑西南侧路南有水塘，尺寸 28.4 m×46.6 m，水位与周边地下水水位一致。

图1 基坑平面图（单位：mm）

基坑开挖底标高 5.10 m，地面标高 11.10～11.30 m，基坑深度 6.0～6.2 m，周长约 283.1 m。基坑安全等级二级，局部三级。

1.2 场地岩土工程条件

根据勘察报告提供的资料，场地支护深度内的工程地质条件简述如下。

1）杂填土。杂色，松散，湿，成分混杂，主要为黏性土及砂土，建筑垃圾等。该层分布普遍，一般厚度 2.30～2.80 m，平均厚度 2.55 m，该层土回填时间较短，约 1～5 年。密实度和均匀性差别较大。

2）粉质黏土。灰黄色，可塑。厚度 2.20～3.30 m，平均 2.79 m。本层进行标准贯入试验 23 次，标贯击数 7～9。

3）中粗砂。灰色，饱和，稍密到中密，局部混细砂。一般厚度 2.60～3.30 m。本层进行标准贯入试验 28 次，标贯击数 13～20。

4）强风化花岗岩。灰白色，中粗粒花岗结构，块状构造，主要矿物成份为石英、长石、云母，岩芯呈粗砾砂状、碎块状、易击碎，锤击声哑，风化程度随深度增加逐渐变弱。该层未穿透，最大揭露厚度 7.0 m，于本层中进行标准贯入试验 11 次，锤击数为 60～93 击。依据野外定性鉴别特征，可划分为极软岩，完整程度为破碎，岩石基本质量等级为Ⅴ级。

各层土的物理力学参数如表 1 所示。

表1 土的物理力学性质指标

场地地下水为第四系潜水，微承压，孔内稳定水位埋深 0.90～1.30 m，高程 10.0 m 左右。中粗砂层及基岩风化层为主要含水层，大气降水和地下径流为主要补给源，排泄以蒸发和地下径流为主，水位随季节变化幅度约为 0.5～1.0 m。

1.3 基坑支护及地下水控制方案

如图 1 所示，基坑西侧、北侧及东侧 A-B-C-D 区间均采用 SMW 工法桩结合预应力锚索垂直支护方案。事故则发生在基坑南侧 D-A 区间，D-A 区间采用 1∶1.0 坡率法放坡，坡面挂 50×50×1.6 mm 成品钢丝网，喷射 C20 混凝土面层 50 mm，坡体设置泄水孔，坡顶线外 1.0 m 处设置 650 mm 三轴水泥土搅拌桩截水帷幕，支护断面如图 2 所示。

图2 D-A 区间支护断面图（单位：mm）

基坑采用三轴水泥土搅拌桩全封闭截水帷幕进行封水，帷幕底部需进入④层强风化花岗岩，入岩深度原则上以搅拌钻头无法钻进为止。基坑内设置疏干井 8 口、集水坑 12 处，疏干井井深 8.0 m。帷幕施工完成后、基坑开挖之前，利用疏干井将基坑内水位降至基底标高以下 0.5 m，开挖过程中也可结合明排的方式同时进行疏干降水。

2 基坑事故

2.1 基坑事故发生过程

2020 年 8 月，该基坑开挖至基底设计标高。2021 年 1 月 23 日清晨，施工单位例行巡视时发现基坑南侧西半段放坡坡顶与帷幕结合处出现裂缝，裂缝宽度最大处 56 mm 左右，裂缝自 A 点以东 2 m 处起向东延伸至施工大门附近，总长度约 35 m，由于南侧放坡段基坑安全等级为三级，此时变形并未达到基坑变形累计预警值，因此，根据设计单位的意见，需采取加强监测频率并进行坡脚反压的方案，但施工单位并未按此执行。当日下午，坡顶裂缝宽度及范围持续发展，南侧坡体中段以西局部出现坍塌，坡面面层横向拉裂，露出土体，次日清晨，坡顶裂缝宽度累计变化值已达 220 mm 左右，总长度已达 56.5 m（见图 3）。

图3 基坑破坏平面示意图（单位：mm）

此后，监理单位立即发出停工通知，疏散基坑内作业人员，建设单位组织相关责任单位开会商讨对策，现场照片如图 4～图 6 所示。

图4 基坑坡面破坏总览

图5 基坑坡顶裂缝总览

图6 帷幕与坡顶之间土体开裂

2.2 事故现场调查

除了上述明显破坏，在对现场进行详细踏勘及调查后，以下几个细节值得注意。

1）西侧坡顶线与施工临建之间的硬化地面出现约平行于坡顶线的细小裂缝，该裂缝最早发现于事故发生之前的一个星期，裂缝距坡顶线距离约 1 倍基坑深度。

2）基坑东南侧花坛以北附近地面出现平行于坡顶线的细小裂缝，该裂缝于事故当日清晨巡视时被发现，裂缝距坡顶线距离约 2.4 倍基坑深度。

3）基坑东半段按原设计 1∶1.0 坡率法放坡，此部分未发生坍塌，面层仅有少量裂缝。中段偏西局部坍塌部分未按设计坡率放坡，放坡坡率为 1∶0.8，而西端约 5 m 长度范围放坡坡率仅为 1∶0.7。

4）放坡坡脚处砂土局部堆积隆起，坡脚面层呈鼓胀式破裂。

5）如图 4 所示，基坑坑底处地下水水位始终难以降至坑底以下设计标高，导致坑内普遍积水，施工现场泥泞不堪。据了解，在基坑竣工后的 1 个月里，疏干井不间断持续工作，基坑内水位未见明显降低，而基坑西南侧约 40 m 处的水塘水位明显下降，水位降深约 2 m。施工单位担心水塘水位下降引发纠纷，随即将基坑内抽取的地下水回灌至水塘中。

6）边坡坡顶线外硬化地面平时禁止车辆驶入，坡顶附近仅临时堆放部分砂石及轻型设备。

通过对现场的详细踏勘及调查，有助于我们对事故破坏的原因进行剖析。由于现场坡顶附近经常堆放砂石及设备，基坑监测点部分破坏，因此，至事故发生时监测资料部分缺失，只能根据有限的现场调查进行分析。

3 事故原因分析

3.1 初步分析

从基坑破坏情况来看，截水帷幕内侧的坡体顶部发生了明显且严重的水平位移，坡面面层横向拉裂破坏且坡脚处堆积了部分砂土，坡体也必然伴随竖向沉降。

此次事故中，帷幕与基坑外侧土体紧密相连，并未向基坑内侧产生明显的水平位移，帷幕则与内侧土体显著分离，内侧土体产生了类似挡墙一样倾覆的趋势。

由于帷幕内侧疏干降水已明显影响到帷幕外侧的地下水水位，由此可以断定，基坑截水帷幕已失效，因此，基坑内仅有的 8 口疏干井已起不到疏干作用。基坑坑底长期被水浸泡，坑底处地层为砂层，受毛细作用，土体底部砂层始终处于饱和状态，抗剪强度必然有所降低，且发生破坏的部分均未按照设计坡率放坡，导致内侧土体抗倾覆能力下降，随着坡脚处盲沟开挖扰动及长期降水，坡脚处砂土已然产生了一定变形和破坏。

3.2 建模分析

为了验证上述分析，通过建立有限元模型对事故基坑做进一步分析。

由现场调查可知，基坑帷幕已经失效，在进行建模时，需要确定帷幕底部失效的高度h（帷幕底至强风化花岗岩岩面的距离）。由于基坑内水位基本保持不变，可近似将基坑涌水量等同于抽水量，基坑内 8 口疏干井持续工作，每口井每天抽水量约 72 m3，每天基坑涌水量Q近似等于 576 m3。假设基坑内水位为基底以下 0.1 m，h假定为 0.5 m，水力坡降 5.9/8.95=0.57，根据达西定律［7］计算公式：Q=kAi，576=22×228×h×0.57，h=0.2 m 与假设h=0.5 m 不符，因此调整假定的h取值及i值，最终确定h=0.2 m。

由位移增量云图（见图 7）所示，基坑帷幕内侧坡脚、坡面及坡顶等部位塑性变形较为严重，坡脚处尤为突出，而坡顶线外 1～2.4 倍基坑深度范围均有不同程度的塑性变形，变形相对来说较轻，坡顶处水平位移最大（见图 8），模拟结果与现场坡顶硬化地面处出现的细小裂缝及坡顶帷幕附近的巨大裂缝十分吻合。

图7 总增量位移云图

图8 总水平位移云图

本次建模的目的除了要尽可能地接近和还原现场实际情况，最重要的是要验证初步分析中提到的基坑破坏关键影响因素——地下水渗流。假设帷幕进入强风化花岗岩中 1 m，此时的截水帷幕处于有效工作状态，可以得到图 9 所示的渗流场。地下水绕过帷幕后主要呈水平方向渗流，对坡脚影响甚微。而在帷幕失效的情况下，如图 10 所示，坡脚部位成为了明显的溢出点，这与现场情况和初步分析的结果完全一致。

图9 地下水渗流场图

图10 地下水渗流场图

由此，帷幕内侧的有限土体产生了局部圆弧形剪切破坏，坡脚处成为了最为薄弱的部位（见图 11）。

图11 剪应力增量云图

3.3 事故原因总结

通过现场详细调查及后续建模分析，此次事故发生的原因已清晰明了。

1）由于施工单位截水帷幕存在严重的施工质量问题，导致基坑内外地下水连通。基坑底部为砂层，是良好的透水层，基坑内外水头差本身就比较大，坡脚附近长期施工降水且设置的碎石盲沟成为良好的地下水溢出通道，长此以往，地下水渗流导致坡体下部砂土颗粒逐渐流失，坡脚部位砂土强度日益降低，最终形成滑动破裂面，且未按设计坡率放坡，坡体本身自稳性没有保障，综合作用导致了坡体破坏变形。

2）在事故发生之前的 3、4 个月里，基坑内地下水难以疏干且基坑内降水引发周边地下水水位下降已经可以从侧面证明帷幕失效，但该现象并未引起现场参建单位的重视，也未对帷幕进行检测或加固，导致后续渗流破坏持续加剧。

3）此次事故中，当发现坡顶变形裂缝后，施工单位并未按照设计中的应急预案进行反压处理，导致基坑在短时间内持续加剧变形。

4）监测单位未能及时预警并提供有效的监测数据，现场监测点破坏，监测工作存在很大漏洞。

4 加固处理方案

由于本次事故并未造成重大破坏和损失，因此，本着安全可靠、经济合理、方便快捷的原则进行如下加固和修复。

1）为防止坡体进一步变形破坏，首先应保证坡体的整体稳定性，因此，除了对坡顶堆载进行清理外，加固坡脚成为首要任务。由于坡底中粗砂较密实，原本选定的木桩作为抗滑桩难以静力压入，因此，只能选用截面较小的 I16 工字钢引孔压入，工字钢长度 3.0 m，水平间距 0.4 m，间隔施工，压至风化岩岩面，施工后随即用砂袋进行反压。

2）对于坡顶帷幕附近的裂缝，首先采用砂石进行填缝，坡面已滑塌破损的面层，重新修坡挂网，最后统一对面层及缝隙进行喷混凝土处理。

3）由于帷幕失效，受周边条件限制，重新补打一排帷幕的可能性不大，因此，只能在现状基础上对基坑内地下水进行处理。除了保持疏干井持续降水外，基坑坑底开挖宽度约 1 m 的横向及纵向沟槽，局部回填碎石并安置水泵进行明排。

经过一系列处理措施，基坑后续变形得到有效控制，坡体处于稳定状态。