CN105297739B - 止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法，所述方法是在获取承压含水层土层信息及抽水信息的基础上，根据达西定律与水量守恒原理确定地下水通过止水帷幕下方进入基坑时基坑内外水位分布情况，并在此基础上确定止水帷幕作用下地下水流方向改变产生的水位变化，从而确定悬挂式止水帷幕下基坑内单井定水位抽水时基坑内外承压水位的分布。本发明能够直观的反映基坑单井定水位降水时基坑内外承压水位的分布，从而为分析基坑降水对周边环境的影响提供依据。本方法简单、实用，便于推广，具有很大的应用价值。

Description

止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程领域的方法，具体涉及一种在悬挂式止水帷幕下基坑内单井定水位抽水时承压水位的确定方法。

背景技术

近年来，随着我国地下空间的发展，基坑的规模不断加大，深度不断加深。为保证基坑工程的施工安全，在地下水位高于开挖面时，需要进行基坑降水。在降水工程中，由于地下水位降低，基坑周围建(构)筑物会发生不均匀沉降，引起不同程度的倾斜和裂缝，甚至可能引起建(构)筑物断裂，倒塌。在深基坑工程施工中，为减少降水对周边环境的影响，常采用止水帷幕结合井点降水的方式降低承压水位。当基坑内抽水时，止水帷幕的阻挡作用使得基坑内水位大量降低，基坑外水位少量降低，从而使基坑内外存在一定的水头差，以达到保护环境的目的。为了解止水帷幕下基坑降水对周边环境的影响，有必要确定基坑降水时基坑内外承压水位的分布情况。

经对现有技术文献检索发现，目前对于止水帷幕作用下基坑降水问题常用数值法来模拟。刘国峰等于2014年在《工程勘察》上发表的《连续墙埋置深度对超深基坑降水效果的影响研究》一文中通过三维数值模型详细对比分析了不同地下连续墙深度下坑内降水时基坑内外地下水渗流场的分布。但建立数值模型较为复杂，现场工程师难以直接应用。王军辉等于2009年在《水文地质工程地质》上发表的《地下结构对渗流场阻隔问题的解析—半解析法》一文中提出渗流场在长条形构筑物的影响下达到稳态时水位变化的确定方法。王军辉等的方法仅局限于研究范围内无源汇项，且构筑物在水平或垂直方向将含水层完全隔断的情况。此外，该方法仅能确定地下水通过构筑物下部时即渗流面积减少产生的水位变化，不能确定渗流方向改变对水位的影响，也没有考虑含水层的各向异性，结果偏小。对于止水帷幕作用下基坑内抽水问题，目前尚没有直接确定基坑内外承压水位的方法，因此有必要在这一方面做进一步研究。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法，在获取承压含水层土层信息及抽水信息的基础上，根据达西定律与水量守恒原理确定地下水通过止水帷幕下方进入基坑时基坑内外水位分布情况，并在此基础上确定止水帷幕作用下地下水流方向改变产生的水位变化，从而确定悬挂式止水帷幕下基坑内单井定水位抽水时基坑内外承压水位的分布。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法，所述方法包括以下步骤：

第一步、获取基坑场地的土层划分信息、承压含水层信息和土层渗透性，即：

通过钻孔取土方法获取基坑场地的土层划分信息，利用采集的土样进行室内渗透试验以确定各土层的渗透系数，得到基坑现场土层水文地质信息，确定承压含水层的顶板深度b_w及厚度b；

第二步、结合基坑设计及降水方案，确定基坑围护结构信息、降水井信息；

第三步、根据第二步获取的降水井信息，确定在止水帷幕未进入承压含水层的情况下，基坑内单井定水位抽水时承压含水层中任一点的承压水位h_n(r)；

第四步、通过达西定律和水量守恒原理，确定单井定水位抽水时地下水通过止水帷幕下方进入基坑时，渗流面积减小引起的承压含水层中任一点承压水位的变化Δh₁(r)；

第五步、确定单井定水位抽水时地下水在止水帷幕阻挡作用下渗流路径发生改变时承压含水层中任一点承压水位的变化Δh₂(r)；

第六步、结合第三步、第四步、第五步，确定悬挂式止水帷幕下基坑内单井定水位抽水时承压含水层中任一点的承压水位h(r)；所述h(r)满足以下公式：

h(r)＝h_n(r)-Δh₁(r)-Δh₂(r)。

优选地，第一步中，所述的钻孔取土方法是指：用厚壁取土设备在基坑施工现场从地面至基坑设计深度的2.5倍取土，用于做室内渗透试验；取土量根据试件量确定，以每层土不少于三个试件为宜。

优选地，第一步中，所述的室内渗透试验是指：采用环刀法分别沿土层水平向和垂向切取扁圆柱体的土样，每层土不少于三个试件为宜；试验时，将扁圆柱形试样放在渗透仪中，根据一定时间内水位及水量的变化，确定承压含水层的水平渗透系数k_x和竖向渗透系数k_y。

优选地，第二步中，所述的基坑围护结构信息是指：基坑止水帷幕的深度B以及宽度L_b。

优选地，第二步中，所述的降水井信息是指：降水井位置、降水井深度、降水井的半径r_w、降水井过滤器位置及长度、降水井抽水层位、承压含水层的初始水位h₀以及抽水后降水井水位h_w；其中：

所述的降水井的半径r_w是指：降水井成井后，通过测绳测量测得井管直径D_w确定，降水井的半径r_w满足公式r_w＝D_w/2；

所述的过滤器长度是指：降水井成井后，承压含水层中进水断面的长度；

所述的承压含水层的初始水位h₀是指：降水井成井后，将测绳放入到井中，连续3天以上测量水位，每天测量3次，所得到水位的平均值即为承压含水层的初始水位；

所述的抽水后降水井水位h_w是指：降水井开始抽水后，降水井内的水位；抽水后降水井水位h_w在抽水过程中始终保持不变，通过测绳测得。

优选地，第三步中，所述的h_n(r)满足以下公式：

其中：h₀为承压含水层的初始水位；h_w为抽水后降水井水位；r_w为降水井的半径；R为降水井的影响半径；r为水位待求点与降水井中心间的距离。

更优选地，所述的降水井的影响半径R满足以下公式：

其中：k_x为承压含水层的水平渗透系数；s_w为降水井的水位降深，其满足公式：s_w＝h₀-h_w。

优选地，第四步中，所述的达西定律是指：地下水在单位时间内通过某一多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和地下水通过该路径的水头损失成正比。

优选地，第四步中，所述的水量均衡原理是指：在任意区域内任意时段内，其收入的水量和支出的水量之间差额必等于该时段区域内蓄水的变化量，即水在循环过程中，从总体上说收支平衡；该原理应用于土层抽水时，承压含水层任意过水断面的流量满足相等的情况，且等于抽水井流量。

优选地，第四步中，所述的Δh₁(r)按以下步骤进行：

①确定降水井中心到基坑内侧边缘任一点的水平距离r₁及降水井中心到基坑相应外侧边缘点的水平距离r₂，保证降水井中心与基坑内侧点和基坑外侧点在一条直线上；

②确定单井抽水时渗流面积减小导致的承压含水层中任一点的承压水位h₁(r)；

③确定单井定水位抽水时渗流面积减小导致的承压含水层中任一点承压水位变化Δh₁(r)。

更优选地，步骤①中：

用钢尺沿地面测量出降水井中心到基坑内测边缘任一点之间的水平距离r₁；

所述r₂满足公式：r₂＝L_b+r₁，式中L_b为止水帷幕的宽度。

更优选地，步骤②中，所述的h₁(r)满足以下公式；

其中：h_w为抽水后降水井水位；h₀为承压含水层的初始水位；r_w为降水井的半径；R为降水井的影响半径；θ为降水井中心到基坑内侧边缘任一点的水平距离r₁与降水井中心到基坑相应外侧边缘点的水平距离r₂之比，θ满足公式ε为止水帷幕的阻隔厚度比，ε满足公式式中：b为承压含水层的厚度；b_b为基坑止水帷幕的深度B与承压含水层的顶板深度b_w之差，b_b满足公式：b_b＝B-b_w。

更优选地，步骤③中，所述的Δh₁(r)满足以下公式：

Δh₁(r)＝h_n(r)-h₁(r)。

优选地，第五步中，所述的Δh₂(r)满足以下公式：

Δh₂(r)＝mΔh₁(r)，

式中m满足公式：

其中：b为承压含水层的厚度；ε为止水帷幕的阻隔厚度比；k_x为承压含水层的水平渗透系数；k_z为承压含水层的竖向渗透系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明结合达西定律、水量守恒原理与地下水渗流理论，提供了直接计算止水帷幕作用下基坑内单井定水位抽水时，基坑内外承压水位的公式，能够直观的反映基坑单井定水位降水时基坑内外承压水位的分布，从而为分析基坑降水对周边环境的影响提供依据。本方法简单、实用，便于推广，具有很大的应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所做的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更加明显。

图1为本发明一实施例的基坑平面示意图；

图2为本发明一实施例的确定的基坑内外承压水位图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还是可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

以下提供具体实施例，实施例中没有详细说明的部分参照发明内容记载进行。

实施例：

某圆形基坑工程，其下分布有承压含水层，采用一口降水井降低承压水水位，降水过程中降水井中水位保持不变。基坑平面图如图1所示，图中：Q_w为抽水量，r₁为降水井中心到基坑内侧边缘任一点的水平距离，r₂为降水井中心到基坑相应外侧边缘点的水平距离，R为降水井的影响半径，r为水位待求点与降水井中心间的距离。

本实施例提供一种止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法，所述方法包括如下步骤：

第一步，获取基坑场地的土层划分信息、承压含水层信息、土层渗透性

本实施例所述圆形基坑的土层划分信息如下：

埋深(0.00-1.82m)为杂填土；埋深(1.82-14.12)为灰色砂质粉土；埋深(14.12-20.12)为灰色淤泥质黏土；埋深(20.12-24.12)为灰色黏土；埋深(24.12-28.00)为暗绿-草黄色粉质粘土；埋深(28.00-38.00)为草黄～灰色粉砂细砂。

通过钻孔取土获取承压含水层信息，确定本实施例承压含水层为草黄～灰色粉砂细砂，承压含水层顶板埋深b_w为28m、厚度b为10m。

获取土层渗透系数：通过室内渗透试验获得本实施例的承压含水层水平渗透系数k_x为3.6m/d、竖向渗透系数k_z为1.8m/d。

第二步，结合基坑设计及降水方案确定基坑围护结构设计信息、降水井信息

圆形基坑半径为18m，采用地下连续墙作为围护结构及止水帷幕，止水帷幕的宽度L_b为1m、深度B为37m。

降水井位于基坑圆心处，如图1所示，降水井深度为38m，降水井半径r_w为0.15m，降水井过滤器长度为10m，降水井抽水层位为承压含水层，承压含水层初始水位h₀为-3m，抽水后降水井水位h_w为-13m。

第三步，根据降水井信息，确定在止水帷幕未进入承压含水层的情况下，单井定水位抽水时承压含水层中任一点的承压水位h_n(r)

所述h_n(r)满足以下公式：

其中：R满足以下公式：

本实施例所述降水井处水位降深s_w＝(-3)-(-13)＝10m，由此可确定降水井影响半径

因此得到h_n(r)：

第四步，通过达西定律和水量守恒原理，确定单井定水位抽水时地下水通过止水帷幕下方进入基坑时渗流面积减小引起的承压含水层中任一点承压水位的变化Δh₁(r)

确定所述Δh₁(r)按以下步骤进行：

①确定降水井中心到基坑内侧边缘任一点的水平距离r₁及降水井中心到基坑相应外侧边缘点的水平距离r₂，保证基坑中心与基坑内侧点和基坑外侧点在一条直线上；

如图1所示，通过测绳测得降水井中心到基坑内边缘距离r₁为18m,止水帷幕宽度L_b为1m，由此可确定r₂＝L_b+r₁＝19m。

②确定单井抽水时渗流面积减小导致的承压含水层中任一点的承压水位h₁(r)；

所述h₁(r)满足公式：

其中：止水帷幕的阻隔厚度比r₁与r₂之比

因此得到：

③确定单井定水位抽水时渗流面积减小导致的承压含水层中任一点承压水位变化Δh₁(r)；

所述Δh₁(r)满足公式：

Δh₁(r)＝h_n(r)-h₁(r)

得到：

第五步，确定单井定水位抽水时地下水在止水帷幕阻挡作用下渗流路径发生改变时承压含水层中任一点承压水位的变化Δh₂(r)

承压含水层的水平渗透系数为3.6m/d，竖向渗透系数为1.8m/d，

由此可确定

所述Δh₂(r)满足公式：

Δh₂(r)＝mΔh₁(r)

因此得到Δh₂(r)：

第六步，确定悬挂式止水帷幕下基坑内单井定水位抽水时承压含水层中任一点的承压水位h(r)。

所述h(r)满足公式：

h(r)＝h_n(r)-Δh₁(r)-Δh₂(r)

因此得到：

利用本方法得到的基坑单井定水位抽水的承压水位图如图2所示。

本实施例可以准确地确定止水帷幕作用下基坑内定水位抽水时基坑内外承压水位的分布情况，相比以前的方法更简单、实用，便于推广，从而为分析基坑降水对周边环境的影响提供依据。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步、获取基坑场地的土层划分信息、承压含水层信息和土层渗透性，即：

通过钻孔取土方法获取基坑场地的土层划分信息，利用采集的土样进行室内渗透试验以确定各土层的渗透系数，得到基坑现场土层水文地质信息，确定承压含水层的顶板深度b_w及厚度b；

第二步、结合基坑设计及降水方案，确定基坑围护结构信息、降水井信息；

第三步、根据第二步获取的降水井信息，确定在止水帷幕未进入承压含水层的情况下，基坑内单井定水位抽水时承压含水层中任一点的承压水位h_n(r)，r为水位待求点与降水井中心间的距离；

所述的h_n(r)满足以下公式：

其中：h₀为承压含水层的初始水位；h_w为抽水后降水井水位；r_w为降水井的半径；R为降水井的影响半径，r为水位待求点与降水井中心间的距离；

第四步、通过达西定律和水量守恒原理，确定单井定水位抽水时地下水通过止水帷幕下方进入基坑时，渗流面积减小引起的承压含水层中任一点承压水位的变化Δh₁(r)；

所述的Δh₁(r)按以下步骤进行：

①确定降水井中心到基坑内侧边缘任一点的水平距离r₁及降水井中心到基坑相应外侧边缘点的水平距离r₂，保证降水井中心与基坑内侧点和基坑外侧点在一条直线上；

②确定单井抽水时渗流面积减小导致的承压含水层中任一点的承压水位h₁(r)；

③确定单井定水位抽水时渗流面积减小导致的承压含水层中任一点承压水位变化Δh₁(r)；

步骤①中：

用钢尺沿地面测量出降水井中心到基坑内侧边缘任一点的水平距离r₁；

所述r₂满足公式：r₂＝L_b+r₁，式中L_b为止水帷幕的宽度；

步骤②中，所述的h₁(r)满足以下公式；

其中：h_w为抽水后降水井水位；h₀为承压含水层的初始水位；r_w为降水井的半径；R为降水井的影响半径；θ为降水井中心到基坑内侧边缘任一点的水平距离r₁与降水井中心到基坑相应外侧边缘点的水平距离r₂之比，θ满足公式 ε为止水帷幕的阻隔厚度比，ε满足公式式中：b为承压含水层的厚度；b_b为基坑止水帷幕的深度B与承压含水层的顶板深度b_w之差，b_b满足公式：b_b＝B-b_w；

步骤③中，所述的Δh₁(r)满足以下公式：

Δh₁(r)＝h_n(r)-h₁(r)；

第五步、确定单井定水位抽水时地下水在止水帷幕阻挡作用下渗流路径发生改变时承压含水层中任一点承压水位的变化Δh₂(r)；

所述的Δh₂(r)满足以下公式：

Δh₂(r)＝mΔh₁(r)，

式中m满足公式：

其中：b为承压含水层的厚度；ε为止水帷幕的阻隔厚度比；k_x为承压含水层的水平渗透系数；k_z为承压含水层的竖向渗透系数；

第六步、结合第三步、第四步、第五步，确定悬挂式止水帷幕下基坑内单井定水位抽水时承压含水层中任一点的承压水位h(r)；所述h(r)满足以下公式：

h(r)＝h_n(r)-Δh₁(r)-Δh₂(r)。

2.根据权利要求1所述的止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法，其特征在于，第一步中：

所述的钻孔取土方法是指：用厚壁取土设备在基坑施工现场从地面至基坑设计深度的2.5倍取土，用于做室内渗透试验；取土量根据试件量确定，每层土不少于三个试件；

所述的室内渗透试验是指：采用环刀法分别沿土层水平向和垂向切取扁圆柱体的土样，每层土不少于三个试件为宜；试验时，将扁圆柱形试样放在渗透仪中，根据一定时间内水位及水量的变化，确定承压含水层的水平渗透系数k_x和竖向渗透系数k_y。

3.根据权利要求1所述的止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法，其特征在于，第二步中，所述的基坑围护结构信息是指：基坑止水帷幕的深度B以及宽度L_b。

4.根据权利要求1所述的止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法，其特征在于，第二步中，所述的降水井信息是指：降水井位置、降水井深度、降水井的半径r_w、降水井过滤器位置及长度、降水井抽水层位、承压含水层的初始水位h₀以及抽水后降水井水位h_w；其中：

所述的降水井的半径r_w是指：降水井成井后，通过测绳测量测得井管直径D_w确定，降水井的半径r_w满足公式r_w＝D_w/2；

所述的过滤器长度是指：降水井成井后，承压含水层中进水断面的长度；

所述的承压含水层的初始水位h₀是指：降水井成井后，将测绳放入到井中，连续3天以上测量水位，每天测量3次，所得到水位的平均值即为承压含水层的初始水位；

所述的抽水后降水井水位h_w是指：降水井开始抽水后，降水井内的水位；抽水后降水井水位h_w在抽水过程中始终保持不变，通过测绳测得。

5.根据权利要求1所述的止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法，其特征在于，所述的降水井的影响半径R满足以下公式：

其中：k_x为承压含水层的水平渗透系数；s_w为降水井的水位降深，其满足公式：s_w＝h₀-h_w。

6.根据权利要求1所述的止水帷幕下基坑内定水位抽水时承压水位的确定方法，其特征在于，第四步中：

所述的达西定律是指：地下水在单位时间内通过某一多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比，与过水断面面积和地下水通过该路径的水头损失成正比；

所述的水量守恒原理是指：在任意区域内任意时段内，其收入的水量和支出的水量之间差额必等于该时段区域内蓄水的变化量，即水在循环过程中，从总体上说收支平衡；该原理应用于土层抽水时，承压含水层任意过水断面的流量满足相等的情况，且等于抽水井流量。