CN105297754B - 一种疏导地下工程对地下水阻隔作用的结构 - Google Patents

Abstract

疏导地下工程对渗流场阻隔的结构，其特征在于：包括导流子系统和水位自动监测子系统；导流子系统包括由泄水孔、导流管、涵养孔和过滤网；水位自动监测子系统，包括探头、数据传感器和表盘组成；导流管中设有潜水泵；其中导流管一端为泄水孔，另一端为涵养孔；泄水孔和涵养孔外设有过滤网。本结构提出适合于当前国内地下工程施工技术水平，可对各种地下结构物的阻水特性进行调整，从而保护地下水渗流环境，适合于明挖和暗挖施工地下工程的安装。

Description

一种疏导地下工程对地下水阻隔作用的结构

技术领域

本发明涉及一种疏导地下结构对渗流场阻隔的结构措施，适用于所有明挖和暗挖施工的地下工程，在水利、交通、建筑、市政、地下轨道等领域具有广泛应用前景。

背景技术

当大型地下结构工程经过一些相对较薄的含水层，且地下结构走向与地下水流动方向呈大角度相交时，可能阻碍地下水的流动，引起一定区域范围内的渗流场发生变化，主要表现为地下结构迎水面的水位壅高、背水面的地下水水位降低以及影响范围内的侧向径流总量的减小，并最终由此可诱发一系列次生工程及环境问题，例如：(1)上游水位壅高，将对结构抗浮考虑不周的附近工程造成不利影响，下游水位降低引起土中有效应力增加，从而造成地表沉降问题；(2)地下结构附近局部水力梯度增大引起土体渗透破坏问题；(3)由于侧向径流量和地下水流速减小，也会引起上游的水质恶化，下游水资源枯竭，进而会引起居民供水问题、生态问题以及地下水的污染问题等等。

日本的“地下水流动保全措施”是目前国际上较早和较为全面的地下工程对渗流场阻隔作用的导流措施，且在日本国内得到广泛应用，但该系统安装和实施起来相对目前国内技术水平存在一定困难，同时也缺乏相应便捷的监测和检修措施，不便于相关经验总结和技术水平提高，并且一些技术参数(如导流子系统间距和尺寸等)的确定方法也存在不足，不便于实际应用。

因此，迫切需要一种能够适合当前国内施工技术水平的，地下结构对地下渗流场阻隔的疏导方案，来调整各种地下结构物的阻水特性，达到保护地下水环境的目的。

发明内容

鉴于此，本发明提出适合于当前国内地下工程施工技术水平的一种疏导地下工程对渗流场阻隔的结构措施，可对各种地下结构物的阻水特性进行调整，从而保护地下水渗流环境，适合于明挖和暗挖施工地下工程的安装。

疏导地下工程对渗流场阻隔的结构，其特征在于：包括导流子系统和水位自动监测子系统；导流子系统包括由泄水孔、导流管、涵养孔和过滤网；水位自动监测子系统，包括探头、数据传感器和表盘组成；导流管中设有潜水泵；

其中导流管一端为泄水孔，另一端为涵养孔；泄水孔和涵养孔外设有过滤网。

进一步，泄水孔和涵养孔均设有检修孔和检修门。

进一步，所述结构，其特征在于：

导流子系统n的个数为：

$n\≥max(\frac{10B}{L}+1,3)---\left(1\right)$

L——地下水自然条件下渗流路径长度，B——地下工程有效堵水的长度；

导流子系统直径d为如下公式确定，其中泄水孔、导流管和涵养孔均按等径考虑；

$A\·K=\frac{{\mathrm{n\πd}}^4{\mathrm{\γ}}_W}{128\mathrm{\μ}}---\left(2\right)$

A—地下工程修建前所在位置处的过水断面面积；K—地下工程修建前所在位置处的平均渗透系数；γ_W—水的重度；μ—水的动力粘滞系数。

应用所述结构的方法，其特征在于：

①通过水位自动监测系统实时监测的地下结构两侧的水位，根据监测数据来分析导流效果，若两侧的水位差符合要求，则导流效果正常；若两侧水位差不符合要求，则通过启动潜水泵来增强导流效果，直至两侧水位差满足要求为止；

②定期通过检修门检查相关设备，若泄水孔和涵养孔的滤网出现堵塞情况，压力传感器出现损坏情况应及时更换；应定期启动潜水泵进行清洗导流管，防止导流管的淤塞。

本发明所采用的技术方案是：地下工程对渗流场阻隔的一种导流措施，包括：(1)导流子系统，由泄水孔、导流管、涵养孔、过滤网和潜水泵(必要时)等组成；(2)水位自动监测子系统，由探头、数据线和表盘组成；(3)检修子系统，由检修孔和检修门组成。

有益效果

本发明优点是：可以通过调整各种地下结构的阻水特性，改善渗流场状况，并最终达到保护地下水环境的目的，和目前日本的“地下水流动保全系统”相比，在技术参数确定、设备安装、监测和检修等方面均有较大改进，在很大程度上保证了整个系统的稳定性和可靠性，并且占用地下空间资源较少，更加符合国内施工技术水平现状和相关政策要求，适用于明挖和暗挖施工的地下工程。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是泄水孔—涵养孔地下水流动的导流结构

其中：1-隔水层，2-含水层，3-上游水位线，4-下游水位线，5-地下结构，6-地下空间，7-过滤网，8-泄水孔，9-导流管，10-涵养孔，11-水位自动监测仪探头，12-水位自动监测仪传感器，13-水位自动监测仪表板，14-检修孔，15-检修门,16-潜水泵，17-潜水泵工作时的密闭装置。

图2是导流子系统对地下水流动规律的影响示意图

图3是地下工程修建前地下水背景流动情况(图中虚线为拟修建的地下工程位置，下同)

图4是地下工程修建后无疏导措施条件下地下水位分布图

图5是设置导流子系统后与地下工程施工前的水位对比情况(n≥6的情况)

图6是设置导流子系统后与地下工程施工前的水位对比情况(n＝3的情况)

具体实施方式

系统的具体实施方式：

(1)导流子系统技术参数的确定

为研究地下结构修建对地下水流动阻隔的影响，引入一个反映过水能力的物理量，即单位水力梯度下径流量Q_eq。

地下工程建设前，地下水自然的过水能力Q_eq1为

Q_eq1＝A·K (1)

式中:Q_eq1—地下工程修建前所在位置处的过水能力(m³/d)；A—地下工程修建前所在位置处的过水断面面积(m²)；K—地下工程修建前所在位置处的平均渗透系数(m/d)。

地下工程修建后，安装n个导流子系统后，地下结构段内过水能力Q_eq2为

$Q_{eq2}=\frac{{\mathrm{n\πd}}^2{K}_{Pe}}{4}---\left(2\right)$

$K_{Pe}=\frac{d^2{\mathrm{\γ}}_W}{32\mathrm{\μ}}---\left(3\right)$

式中：Q_eq2—地下工程修建前所在位置处的过水能力(m³/d)；K_Pe—各导流系数的等效渗透系数(m/d)；d—导流子系统的直径(泄水孔、导流管和涵养孔均按等径考虑)(m)；γ_W—水的重度(kN/m³)；μ—水的动力粘滞系数(kPa·d)

为使地下工程修建后与修建前的过水能力相等，则

Q_eq2＝Q_eq1 (4)

由式(1)～(4)可以得到

$A\·K=\frac{{\mathrm{n\πd}}^4{\mathrm{\γ}}_W}{128\mathrm{\μ}}---\left(5\right)$

同时，即使安装了导流子系统，由于是局部透水，因此也会对背景流场产生影响(参见图2)。为保证导流子系统安装后地下水流动的均匀，导流子系统布置要尽可能的均匀和对称，且导流子系统数量也不宜过小(或导流子系统的间距不宜过大)。以图2为例，任取3个相邻的导流子系统A、B和C，为保证地下水经过导流子系统B后，地下水仍然保持较好的水平流向规律，不防假设通过A和C的地下水流线呈水平方向，以此作为条件来确定导流子系统间距a的合理范围值。

从图2不难看出，流经导流子系统B的地下水最长流动路径为

L_max＝(L₁+a)+(a+L₂)＝2a+L (6)

式中：L_max——由于导流子系统作用下地下水的最长渗流路径；L——地下水自然条件下渗流路径长度，即上边界S₁和下边界S₂之间的水平距离；a——导流子系统间距；L₁——上边界S₁距离地下工程T的水平距离；L₂——下边界S₂距离地下工程T的水平距离。

为使最长的渗流路径与正常渗流路径差别很小，根据地下水流动一般规律，做如下规定

$\frac{L_{max}-L}{L}\≤0.2---\left(7\right)$

联立式(6)和式(7)，解得

a≤0.1L (8)

而导流子系统数目n与间距a的关系满足下式

$n=\frac{B}{a}+1---\left(9\right)$

式中：B——地下工程有效堵水的长度。

同时考虑到导流子系统平面布局的均匀性和对称性，其数目不应小于3个，即

n≥3 (10)

联立式(8)、式(9)和(10)，可以得到导流子系统数目n满足

$n\≥max(\frac{10B}{L}+1,3)---\left(11\right)$

利用式(11)，结合具体工程实际情况，技术经济条件，可以确定导流子系统的数量n(或导流子系统的间距)，并根据n，利用式(5)可以计算出相应导流子系统的直径d，从而完成导流子系统的设计工作。

为验证式(11)和式(7)的可靠性，进行如下的数值仿真实验。某矩形承压水流动区域，长20km，宽10km，西侧和东侧均为给定水头边界，水位标高分别为45m和25m，南北均为隔水边界，含水层底板标高为10m，顶板标高为20m，含水层岩性以卵砾石为主，渗透系数约100m/d，背景下地下水流动状态为自西向东(图2)，地下水背景总径流量Q₀为10022m³/d。

现拟在流动区域的中部修建一条地下结构，结构高度为12m，长度为10km(参见图3)，对承压含水层构成完全堵塞，地下水完全不能流动(图4)。

分别以导流管数为1、3、6、11和21等5种情况为例，利用式(5)确定导流管直径d，然后以此进行疏导结构设施设计，并利用数值仿真技术评价按此设计后的地下水径流量，和水位分布与地下工程施工前的背景值相比。

利用式(5)可以计算得到不同数量导流子系统前提下疏导管的直径、渗透系数，并利用数值模型计算相应的径流量Q(参见表1)。

表1 导流子系统数量对径流量的影响

n	1	3	6	11	21
						d(m)	0.20	0.15	0.12	0.11	0.09
Kep(m/d)	1156887471	667929293	54272181	346314201	250643817
						Q(m3/d)	7967	7966	10024	10024	10024
Q/Q0	0.79	0.79	1.00	1.00	1.00

从表中可以看出，随着导流子系统数量增加，所需要的直径越小，且地下水径流量恢复程度也越高。当导流子系统数量达到6以上时，径流量与背景径流量已经十分接近。而利用式(10)，可以计算得到所需要最小的导流子系统数量为

$n\≥max(\frac{10\×10000}{20000}+1,3)=6$

与表1中数值计算的结果也十分接近，同时利用数值试验，可以得到该条件下的地下水流动规律与背景条件下也十分吻合(参见图5)。

而当n<6时，以n＝3为例，不仅径流量比较小，为0.79，同时水位分布规律与背景条件下也存在一定差别(图6)，主要原因是导流子系统数量偏小，造成局部地下水流动出现绕流现象。

(2)各子系统的安装

①导流子系统安装

对于明挖施工的地下工程，可在做垫层之前安装导流管，然后在侧墙凿孔分别作为泄水孔和涵养孔；对于暗挖施工的地下工程，可在初衬施工之前安装导流管，而泄水孔和涵养孔可以在二衬施工完以后实施。

②监测子系统安装

无论是明挖工程还是暗挖工程，监测子系统可以在导流子系统和检修子系统完成以后安装。

③检修子系统安装

检修子系统可以和泄水孔、涵养孔一并完成。检修孔的尺寸需满足人员进出的要求，检修门采用密闭效果较好的法兰盘。

(3)整个疏导系统的运行和维护的实施

①通过水位自动监测自系统实时监测的地下结构两侧的水位，根据监测数据来分析导流效果，若两侧的水位差符合要求，则导流效果正常；若两侧水位差不符合要求，则通过检修门安装潜水泵，并启动潜水泵来增强导流效果，直至两侧水位差满足要求为止。

②定期通过检修门检查相关设备，若泄水孔和涵养孔的滤网出现堵塞情况，压力传感器出现损坏情况应及时更换；应定期启动潜水泵进行清洗导流管内可能存在的细颗粒，防止导流管的淤塞。

Claims (3)

1.疏导地下工程对渗流场阻隔的结构，其特征在于：包括导流子系统和水位自动监测子系统；导流子系统包括由泄水孔、导流管、涵养孔和过滤网；水位自动监测子系统，包括探头、数据传感器和表盘组成；导流管中设有潜水泵；

其中导流管一端为泄水孔，另一端为涵养孔；泄水孔和涵养孔外设有过滤网；

导流子系统n的个数为：

$n\&GreaterEqual;max(\frac{10B}{L}+1,3)---\left(1\right)$

L——地下水自然条件下渗流路径长度，B——地下工程有效堵水的长度；

导流子系统直径d为如下公式确定，其中泄水孔、导流管和涵养孔均按等径考虑；

$A\&CenterDot;K=\frac{{\mathrm{n\&pi;d}}^4{\mathrm{\&gamma;}}_W}{128\mathrm{\&mu;}}---\left(2\right)$

A—地下工程修建前所在位置处的过水断面面积；K—地下工程修建前所在位置处的平均渗透系数；γ_W—水的重度；μ—水的动力粘滞系数。

2.根据权利要求1所述的疏导地下工程对渗流场阻隔的结构，其特征在于：泄水孔和涵养孔均设有检修孔和检修门。

3.应用如权利要求1所述结构的方法，其特征在于：

①通过水位自动监测系统实时监测的地下结构两侧的水位，根据监测数据来分析导流效果，若两侧的水位差符合要求，则导流效果正常；若两侧水位差不符合要求，则通过启动潜水泵来增强导流效果，直至两侧水位差满足要求为止；

②定期通过检修门检查相关设备，若泄水孔和涵养孔的滤网出现堵塞情况，压力传感器出现损坏情况应及时更换；应定期启动潜水泵进行清洗导流管，防止导流管的淤塞。