CN100516380C - 基坑潜水与承压含水层一井分层联合降水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种地下工程施工技术领域的基坑潜水与承压含水层一井分层联合降水的方法。包括以下步骤：降水井采用一井结构；疏干潜水时关闭可控止水阀；通过三维地下水渗流分析有限元确定，并以确定的潜水抽水量及影响半径；当开挖深入到隔水层，抽取承压含水层中的水以降低水压；根据基坑的平面尺寸、开挖深度、地下墙的埋深，含水层构造条件；应用基于三维地下水渗流与地面沉降确定的有限元计算的方法确定降承压水时的开挖深度、抽水量、井的口径、数量、水力坡降的影响半径以及周围的地面沉降。本发明比现有方法可减少1/3～1/2的布井数量，节省30～50%的降水施工费用，适用于含有潜水层—隔水层—承压含水层的基坑并需降压水水头的降水工程。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种地下工程施工技术领域的施工方法，具体是一种基坑潜水与承压含水层一井分层联合降水的方法。
背景技术
高地下水位的软土地基中的地下施工如基坑挖，施工中最大的问题是由于地下水的存在会引起基坑坑底涌水等的问题。因此，采用井点或大口径管井人工降低地下水位是基坑开挖施工中的常用而且有效的方法。基坑开挖的方法一般采用干式开挖，即先将需要开挖部分的土体中的水抽干(保持地下水位在开挖面以下1m)，然后再挖土的方法。另外，当基坑的开挖深度较大，开挖后潜水层与承压含水层之间的隔水层变得很薄，基底的残余隔水层的自重不能平衡承压水的压力而发生流砂或管涌破坏。这时需采用降低承压含水层水头的方法，以减小基坑风险。对于这种需同时抽取潜水与承压水的基坑降水问题，有如下两种降水方法降低地下水位：第一种方法是双井降水法；第二种方法是一井降水法。所谓双井降水法是先设置一井群至潜水层(或难透水层)用于疏干浅层潜水，该井被称为疏干井；当开挖面接近承压水层时，另外再设置一组大口径管井用于降低承压含水层的地下水压力水头，该井被称为降压井。所谓一井降水法是直接设置一组大口径管井群同时用于疏干浅层潜水与降低承压含水层的地下水压力水头。但当基坑维护止水结构不能穿越全部承压含水层(即承压含水层在基坑内外连通)时，基坑内的降水会使周围的承压含水层的地下水头的下降会传至较远的地方。由于固结作用，周围地基会发生固结沉降；降水时间越长，沉降越大，这将会引起环境问题。相对而言上述第一种方法抽取承压含水层的时间短些，对环境的影响较第二种方法小；但由于多增加了一组井而使施工费用成倍增加，不太经济。一项好的施工技术不仅应将对环境的影响减小到最低限度，而且应该满足经济性的要求。
经对现有的技术文献检索发现，申请号为200610086139.8，专利申请的名称为“大面积软地基处理分层分遍电渗降水联合真空降水方法”，该技术采用分层分遍电渗降水联合真空降水方法，应用于大面积软地基的加固处理。该方法在深层布置电渗井点管电渗降水，浅层布置真空井点管抽真空降水，深层电渗井点管与浅层真空井点管间隔布置，分两遍进行降水施工：前一遍采用深层电渗井点管降水，后一遍在电渗降水施工区域采用浅层真空井点管降水。该降水方法井数量多、处理深度较小，工程造价高，只局限于软土地基的降水加固处理，不适用于基坑降水。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种基坑潜水与承压含水层一井分层联合降水的方法，使其针对由潜水层-隔水层-承压含水层构成的基坑降水工程，实现使用一口井解决潜水的疏干和承压水的降压问题。并可以尽量避免降水对周围环境影响。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
(1)降水井采用一井，深度达到承压含水层，降水井的滤水管分上下两段设计，上滤水管位于潜水含水层，疏干潜水，下滤水管位于承压含水层，降低承压含水压力；隔水层采用井管连接上下滤水管。
在井管内的隔水层安装可控止水阀，用于在一井中隔离潜水和承压水。
所述的可控止水阀，在疏干潜水时关闭可控止水阀保持承压水中的压力；当需要降承压水时，打开可控止水阀。
(2)在拟建场地内打数口穿过潜水层的完整井，进行野外抽水试验，确定潜水井疏干时的抽水量及影响范围通过三维地下水渗流分析有限元软件确定，并以确定的潜水抽水量及影响半径。
(3)根据基坑的平面尺寸、开挖深度、地下墙的埋深，含水层构造条件；应用基于三维地下水渗流与地面沉降确定的有限元计算的方法确定降承压水时的开挖深度、抽水量、井的口径、数量、水力坡降的影响半径以及周围的地面沉降。
(4)疏干潜水时关闭可控止水阀，以保持承压水层中的水压。这样保持基坑及其周围承压水层中的水位，承压水层中无不稳定的渗流发生，基坑外地面不会在疏干潜水时下沉。
(5)当开挖深入到隔水层，隔水层从开挖面到承压水顶板的厚度不足以抵抗承压含水层水头而存在突涌危险时，打开可控止水阀，将真空泵下放入下段降水井中，抽取承压含水层中的水以降低水压。
计算中应考虑地下连续墙等挡土构造物的阻水作用，并将确定的上述相关参数作为确定承压水降水施工方案的依据。
所述的三维地下水渗流与地面沉降确定的有限元计算，步骤如下：
1)有限元的建模范围：水平方向长度大于L(L＝L1+2R)米，宽度大于D(D＝Lw+2R)米，垂直方向应大于H(H＝Hcp+Hcd1+Hcf+Hcd2)米，其中为L1基坑长度，Lw为基坑宽度，R为影响半径，Hcp为潜水含水层的厚度，Hcd1为第一隔水层的厚度，Hcf为承压含水层的厚度，Hcd2为第二隔水层的厚度。
2)初始条件设定：潜水含水层的地下水位面设定为初始水头，各承压含水层的压力水头为各承压含水层的初始水头；隔水层中的初始水头与位于其上的承压含水层的水头相同。
3)计算中边界条件设定：计算领域的周边与底部采用不变水头。
4)网格划分：平面上网格划分应在基坑周围20米范围内以较为细小的网格，向外逐渐放大。
所述的网格，竖向划分应均匀。
5)计算的取水点：计算中地下水采取的量分别按网格单元节点的分配；
所述的按网格单元节点的分配，在疏干潜水时，承压含水层的节点上无水量分配；承压水降压时，关闭潜水层中的水量节点。
6)以上述模型计算地下水抽取过程中的周围地层的水位下降范围及沉降变形的范围，确定降承压水时的开挖深度、抽水量、井的口径及管井数量等降水施工方案。
本发明对于下有承压含水层的基坑开挖中的降水问题采用一井分层联合降水方案。在抽水过程中对周围的环境因素进行了考虑，可以在降水过程中能最大限度地减小对周围环境的影响。同时，应用基于三维地下水渗流理论的地基变形分析有限元模型确定降承压水时的开挖深度、抽水量、井的口径与数量等降水施工方案。与现有的施工方法相比，采用该方法，可减少1/3～1/2的布井数量，节省30～50％的降水施工费用，开挖施工效率也有不同程度地提高，经济效益十分显著。本发明适用于含有潜水层-隔水层-承压含水层的基坑并需降压水水头的降水工程。
附图说明
图1基坑建模范围的平面图
图2基坑建模深度的断面图
图3基坑三维有限元网格
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例以上海某地铁车站的基坑降水工程为例。
上海某地铁车站为地下两层，主体为三层二跨(局部三层三跨、二层二跨)现浇钢筋混凝土结构。车站主体结构长为313.5米，宽为22.8米。该车站基坑分两个区域开挖，开挖深度为南端头井22.39米，北端头井23.01米，标准段21.06～22.26米。采用地下连续墙围护，地下连续墙深度36.50米。工程场地分布有潜水和承压水。潜水含水层主要由粉性土构成，水位埋深1.2米；承压含水层顶面埋深19.59～23.03米，厚度10.5～41.80米，土质以灰色砂质粉土为主，承压水头为4.5米左右；潜水含水层与承压含水层之间分布有厚9.0～12.0米的粘性土隔水层。该工程施工时需疏干潜水含水层中的地下水，并降低承压含水层水位至基坑开挖底面以下0.5～1.5米。由于该车站的基坑工程位于上海闹市区，周边环境复杂，地下管线与地面建筑物较多，因此应尽可能减小降水对周围环境的影响。基坑降水采用一井分层的潜水疏干与承压水降压的联合降水方案。具体实施方案如下。
如图1所示，降水井采用一井，根据计算确定其井管直径为250mm，壁厚3mm，长为9.0～12.0米。滤水管的直径与井管相同；上段滤水管置于潜水层中，其长度与潜水层厚度相当，为8～11米；下段滤水管置于承压含水层中，长度为8米。管井的深度为28.3～29.3米。在井管内(隔水层)，深度约19.0米处安装板式可控止水阀门。
三维有限元建模：在降水方案设计阶段，应用GeoGlow3D三维多孔介质渗流模型模拟分析此基坑开挖中的降水过程。根据野外抽水试验，降潜水的影响半径约为60米，降承压水时的影响范围达300米；为消除边界影响，取整个基坑及基坑外边界400米距离为有限元建模范围。实际上，当抽水量大于地下水补给量的情况下，由于地下水处于不稳定状态，影响范围会随着时间的延续而不断扩大到补给区边界。但是在抽水量小于补给量的情况下，地下水会逐渐稳定，影响半径小于距补给区的边界。分析深度为90米，划分为12个工程地质层。
建模范围的平面如附图2所示，基坑三维有限元网格如附图3所示：
井在潜水与承压含水层处分为两段，可控止水阀安装与隔水层。潜水含水层地下水位埋深为1.2米，承压含水层的水头为4.35米和7.5米。在边界，地下水的水头保持在初始水位。
关闭可控止水阀，下入QDX3-35-2.2型潜水泵疏干潜水。经应用上述有限元模型计算，约需15天时间可以疏干基坑内潜水，单井涌水量为潜水21m3/day。这时由于地下连续墙的挡水作用，基坑外无沉降发生。
应用上述有限元模型计算确定，抽承压水时单井的出水量为80m3/day，基坑的涌水量为3000m3/day。这样基坑内需设置约36口分层可控联合降水井。通过有限元模型计算还可以确定，当基坑开挖至10米时，有可能发生管涌，需进行承压水降压。这时先取出原来的潜水泵，打开可控止水阀，下入QJ式潜水深井泵，抽取承压地下水。
当可控止水阀打开后，进行承压水的降压、降水工作，根据计算确定的抽水量，通过停泵和开泵控制地下水位，使承压水的水头保持在基坑开挖面下的1米深度处。第72天开挖至基坑底面，第89天底板结构施工完成并达到强度要求，开始封井，降水任务完成。观测表明承压含水层在基坑周围的水头下降范围为200～300米，但坑外靠近坑内处的水头下降仅为-10.2米，比坑内水位下降(-24米)要小得多。这说明虽然地下连续墙没有打穿承压含水层，但其挡水作用还是很明显的。
应用上述有限元模型分析，在承压水抽水的75天中，基坑周围的地表沉降基本控制在离墙10～20米的范围内，墙外最大沉降约为30mm，而基坑外20米处沉降较小，90天时仅为5mm。而传统的同时降潜水与承压地下水的降水方法案，会使基坑外的承压地下水位的下降达400米，抽水90天基坑外的地面沉降范围达25～30米，坑边最大沉降达60～80mm。
由本实施例的结果可知，对于下有承压含水层的基坑开挖中的降水问题的降水方案，比传统的基坑降水方案可以节省30～50％的费用；降水过程对周围环境的影响也比传统的基坑降水方案小，使基坑降水方案更为合理、经济。
Claims (5)
1、一种基坑潜水与承压含水层一井分层联合降水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)降水井采用一井，深度达到承压含水层，降水井的滤水管分上下两段设计，上滤水管位于潜水含水层，疏干潜水，下滤水管位于承压含水层，降低承压含水压力，隔水层采用井管连接上下滤水管；
(2)在拟建场地内打数口穿过潜水层的完整井，进行野外抽水试验，确定潜水井疏干时的抽水量及影响范围，通过三维地下水渗流分析有限元确定，并以确定的潜水抽水量及影响半径；
(3)根据基坑的平面尺寸、开挖深度、地下墙的埋深，含水层构造条件；应用基于三维地下水渗流与地面沉降确定的有限元计算的方法确定降承压水时的开挖深度、抽水量、井的口径、数量、水力坡降的影响半径以及周围的地面沉降；
(4)疏干潜水时关闭可控止水阀，以保持承压水层中的水压；
(5)当开挖深入到隔水层，隔水层从开挖面到承压水顶板的厚度不足以抵抗承压含水层水头而存在突涌危险时，打开可控止水阀，将真空泵下放入下段降水井中，抽取承压含水层中的水以降低水压。
2、根据权利要求1所述的基坑潜水与承压含水层一井分层联合降水的方法，其特征是，在井管内的隔水层安装可控止水阀，用于在一井中隔离潜水和承压水。
3、根据权利要求1所述的基坑潜水与承压含水层一井分层联合降水的方法，其特征是，所述的三维地下水渗流与地面沉降确定的有限元计算，步骤如下：
1)有限元的建模：水平方向长度大于基坑长度与两倍的影响半径之和，宽度大于基坑宽度与两倍的影响半径之和，垂直方向应大于潜水含水层的厚度、第一隔水层的厚度、承压含水层的厚度及第二隔水层的厚度之和；
2)初始条件设定：潜水含水层的地下水位面设定为初始水头，各承压含水层的压力水头为各承压含水层的初始水头；隔水层中的初始水头与位于其上的承压含水层的水头相同；
3)计算中边界条件设定：计算领域的周边与底部采用不变水头；
4)网格划分：平面上网格划分应在基坑周围20米范围内的网格，向外逐渐放大；
5)计算的取水点：计算中地下水采取的量分别按网格单元节点的分配；
6)以上述模型计算地下水抽取过程中的周围地层的水位下降范围及沉降变形的范围，确定降承压水时的开挖深度、抽水量、井的口径及管井数量降水施工方案。
4、根据权利要求3所述的基坑潜水与承压含水层一井分层联合降水的方法，其特征是，所述的按网格单元节点的分配，在疏干潜水时，承压含水层的节点上无水量分配；承压水降压时，关闭潜水层中的水量节点。
5、根据权利要求3所述的基坑潜水与承压含水层一井分层联合降水的方法，其特征是，所述的网格，竖向划分应均匀。
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