CN105386430B - 一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法 - Google Patents
一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，所述方法是在获取承压含水层土层信息及坑内抽水信息的基础上，依次确定止水帷幕两侧天然水位差、地下水通过止水帷幕下方产生的水头差以及止水帷幕与边界产生的水头差，由这三个部分的总和即可确定基坑内抽水时止水帷幕两侧承压含水层的水头差。本发明在坑内地下水位已知的情况下，可根据止水帷幕两侧水位差确定坑外地下水水位，为基坑降水对周围环境影响的评估提供了依据。本发明方法简单、实用，便于推广，具有很大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种建筑工程技术领域的方法，具体地，涉及一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法。
背景技术
中国沿海大部分地区的地基软土具有孔隙比大、灵敏度高、含水量高等特点。地下工程开挖时，基坑内外土体中的地下水将给开挖施工造成巨大困难及安全隐患。为满足基坑开挖需求，需要降低基坑内地下水水位，通常采用大口径井结合止水帷幕的方法进行降水。当在基坑内抽水时，止水帷幕的阻挡作用改变了地下水的渗流方向，减少了渗流面积，延长了渗流路径，使得基坑内水位快速下降，基坑外水位缓慢下降，使基坑内外出现水位差，从而满足基坑开挖的要求。基坑内抽水时，为最大程度保护环境，需要在基坑内外布置水位观测孔，及时了解基坑内外的水位变化情况，以评估降水对周围环境的影响。但在很多工程中，因现场场地限制，可能在基坑外没有布设观测井，或者因某种原因使得已布设的观测井被破坏，导致无法了解基坑外水位变化情况。不利于评估坑外水位变化引起的地面沉降、土体开裂，变形倾斜甚至坍塌等隐患。因此，有必要提出一种便捷有效的方法对止水帷幕两侧水位差进行估测，从而确定基坑外水位变化。
经对现有技术文献检索发现，目前通常采用数值模拟的方法确定止水帷幕作用下基坑内抽水时，基坑内外水位的变化。2009年王建秀等在《Environmental Geology》发表的《Hydraulic barrier function of the underground continuous concrete wall inthe pit of subway station and its optimization》利用数值模拟方法估测出上海地铁9号线宜山路地铁站坑内降水时，基坑内外水位分布情况，在坑内水位降深达15m的情况下，坑外1-6m内的范围内水位降深在2m左右，对坑外环境影响较小，满足环境要求。但是利用数值模型计算比较复杂，计算建模需要一定的技术和时间，而且工程师在现场难以直接利用数值分析法解决问题。Pujades等于2012年在《Engineering Geology》上发表的《Barriereffect of underground structures on aquifers》利用解析及数值模拟的方法推导出了天然状态下承压含水层中出现长条形构筑物(如隧道)时，构筑物两侧水位差的确定方法，Pujades的方法仅局限于研究范围内无源汇项，且构筑物在水平方向或垂直方向将含水层完全隔断的情况，不能确定基坑内抽水时地下水从不同方向进入基坑的情况。现有的技术文献尚不能提供可以直接确定一般基坑内抽水时，基坑内外水位差的方法。因此，需要寻找一种应用性较广的确定方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，其简单、实用，便于推广，具有很大的应用价值。
为实现以上目的，本发明提供一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，所述方法是在获取承压含水层土层信息及坑内抽水信息的基础上，依次确定止水帷幕两侧天然水位差、地下水通过止水帷幕下方产生的水头差以及止水帷幕与边界产生的水头差，由这三个部分的总和即可确定基坑内抽水时止水帷幕两侧承压含水层的水头差；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
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层土的渗透系数，得到基坑现场土层水文地质信息，确定承压含水层的顶板埋深Ct及厚度b；
第二步、结合基坑设计及降水方案，确定基坑围护结构设计信息、降水井信息；
第三步、确定止水帷幕两侧天然水位差，包括：
确定基坑内任一抽水井中心到止水帷幕内边缘任一点的距离；
确定坑内单井抽水时止水帷幕两侧天然水位差Δhni；
确定坑内多口井抽水时止水帷幕两侧天然水位差Δhn。
第四步、确定地下水通过止水帷幕下方产生的水头差sbi；
第五步、确定止水帷幕与边界产生的水头差sbo；
第六步、根据第三步确定的Δhn、第四步确定的sbi、第五步确定的sbo，确定止水帷幕两侧承压含水层的水头差Δh。
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，在车站施工现场从地面至车站的设计标高的1.5-2.5倍深度取土，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，确定土层的水平渗透系数kx和竖向渗透系数kz。
优选地，第二步中，所述的围护结构设计信息包括：止水帷幕深度、宽度以及长度。
优选地，第二步中，所述的降水井信息包括：基坑内降水井的数量、降水井深度、降水井过滤器位置及长度、降水井抽水层位、降水井抽水量；其中：
所述降水井过滤器是指：降水井中，设置于含水层中，使地下水透过流入并阻挡泥沙进入降水井的滤管装置；
所述降水井抽水层位是指：降水井过滤器所在的层位；
所述降水井抽水量是指：基坑内单个抽水井单位时间抽出的水量，记为Qw；所述抽水量由水表测量得到。
更优选地，所述的水表测量是指：将水表接入抽水井井口附近的排水管中，启动抽水泵，待排水管开始出水后记下水表的初始读数，一段时间后读出水表的实时读数，两个数的差值即为该抽水井每天的抽水量。
优选地，第三步中，所述的止水帷幕两侧天然水位差是指：止水帷幕未插入承压含水层的情况下，基坑内抽水时止水帷幕两侧即坑内与坑外的水头差。
优选地，第三步中，确定基坑内任一抽水井中心到止水帷幕内边缘任一点的距离，是指：用钢尺沿地面测量出基坑内第i口抽水井中心到止水帷幕内边缘任一点之间的直线距离r1i。
优选地，第三步中，所述的Δhni满足以下公式：
其中：Qi为第i口抽水井的单井抽水量；
T为承压含水层的导水系数，且T满足公式：T＝kx×b，kx为承压含水层的水平渗透系数，b为承压含水层的厚度；
r1i为第i口抽水井中心到止水帷幕内边缘任一点之间的直线距离；
r2i为第i口抽水井中心到止水帷幕外边缘的距离，且r1i与r2i满足Lb＝r2i-r1i，Lb为止水帷幕的宽度。
优选地，第三步中，所述的Δhn满足以下公式：
其中：n为抽水井数量。
优选地，第四步中，所述的地下水通过止水帷幕下方产生的水头差sbi是指：地下水通过止水帷幕下方进入基坑时止水帷幕两侧产生的水位差。
更优选地，所述的sbi满足以下公式：
其中：bbd为止水帷幕插入承压含水层的相对深度，且bbd满足公式：为止水帷幕插入承压含水层的深度，b为承压含水层的厚度；
Lb为止水帷幕的宽度；
in为止水帷幕两侧的天然水力梯度。
更优选地，所述的止水帷幕插入承压含水层的深度bb是指：止水帷幕深度和承压含水层顶板深度的差，满足公式；bb＝Db-Ct,Db为止水帷幕的深度，Ct为承压含水层的顶板埋深,。
更优选地，所述的止水帷幕两侧的天然水力梯度in是指：止水帷幕未插入承压含水层，坑内抽水时止水帷幕两侧天然水位差与止水帷幕宽度的比值。
更优选地，所述的in满足以下公式：
优选地，第五步中，所述的止水帷幕与边界产生的水头差sbo是指：基坑内抽水井边界与抽水影响范围之外水头边界因止水帷幕阻挡作用使得止水帷幕两侧产生的水头差。
更优选地，所述的sbo满足以下公式:
其中：bbd为止水帷幕插入承压含水层的相对深度；b为承压含水层的厚度；kx为水平渗透系数；kz为竖向渗透系数；Lb为止水帷幕的宽度；in为止水帷幕两侧的天然水力梯度。
优选地，第六步中，所述的Δh满足以下公式：
Δh＝Δhn+sbi+sbo
其中：Δhn为止水帷幕两侧天然水位差；sbi为地下水通过止水帷幕下方产生的水头差；sbo为止水帷幕与边界产生的水头差。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供了一种精确确定止水帷幕作用下基坑内抽水时，止水帷幕两侧水位差的确定方法。在坑内地下水位已知的情况下，可根据止水帷幕两侧水位差确定坑外地下水水位，为基坑降水对周围环境影响的评估提供了依据。本发明方法简单、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作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例多口降水井抽水引起基坑内外水位差计算示意图；
图2为本发明一实施例止水帷幕阻挡效应基本示意图；
图3为本发明一实施例坑内降水井平面布置图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
上海某地铁车站基坑降水工程，分三个区进行开挖(I～III)。车站主体结构长约152m，宽约21.1m，中部标准段基坑开挖深度为24.24m，南北端头井基坑开挖深度为26.0m。基坑围护结构采用地下连续墙，地下连续墙宽度1m，深度为46～55m，其中II区地下连续墙及封堵墙深46m，其它区地下连续墙深55m。
如图1-图3所示，本实施例提供一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，用于上述工程，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
经调查，基坑场区内地下分布潜水含水层和承压含水层，其中：
潜水含水层主要由淤泥质粉质粘土及淤泥质粘土组成，厚16.5m，水量小，易疏干；
第I相对隔水层由粘土和粉质粘土组成，厚27.7m；
第II相对隔水层由粘土和粉质粘土组成，厚11.8m；
两相对隔水层中间为第I承压含水层，由细粉砂组成，承压含水层的厚度b＝11m；
第I承压含水层顶板埋深为44.2m，底板埋深55.2m；
水平向渗透系数kx为5.06m/d，垂向渗透系数kz为0.51m/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
本工程基坑围护结构和降水方案如图3所示，地下连续墙及封堵墙作为止水帷幕。本工程III区地下连续墙深55m，进入第I承压含水层10.8m，内墙总长为130.8m；III区与II区间的封堵墙深46m，仅1.8m进入承压含水层中，封堵墙长20.8m；III区所有止水帷幕的宽度均为1m。
为满足基坑的开挖需求，本基坑内布设了3口深度为52m的抽水井，降水井过滤器长7m，埋置深度为44-51m，以降低第I承压含水层的水位。Y1、Y2及Y3三口井的抽水量分别为130m3/d、111.6m3/d及122.6m3/d，三口井到止水帷幕边缘水位待确定点G3的距离分别为：r11＝21m、r12＝29m、r13＝32m。
第三步、确定止水帷幕两侧天然水位差
按如下步骤实施：
①确定基坑内任一抽水井中心到止水帷幕内边缘任一点的距离
如图3所示，用钢尺沿地面分别测量出基坑III区Y1、Y2及Y3抽水井中心到止水帷幕内边缘观测点G3的距离，分别为：r11＝21m、r12＝29m、r13＝32m；
②确定坑内单井抽水时止水帷幕两侧天然水位差Δhni
由①已确定r11＝21m、r12＝29m、r13＝32m；Y1、Y2、Y3抽水井中心到止水帷幕外边缘观测点G2的距离分别为：
r21＝21+1＝22m、r22＝29+1＝30m、r23＝32+1＝33m；
承压含水层的导水系数T满足公式：
T＝kx×b，
从而得到：T＝5.06×11＝55.66m2/d；
所述Δhni满足公式：
从而得到各单井抽水时止水帷幕两侧天然水位差Δhni分别为：
③确定坑内多口井抽水时止水帷幕两侧天然水位差Δhn
所述坑内多口井抽水时止水帷幕两侧天然水位差Δhn满足公式：
从而得到：Δhn＝0.0173+0.0109+0.0108＝0.039m。
第四步、确定地下水通过止水帷幕下方产生的水头差sbi
本工程III区止水帷幕分55m地下连续墙和46m封堵墙两种，因而止水帷幕插入第I承压含水层的相对深度取两种墙的加权平均值：
所述止水帷幕两侧的天然水力梯度in满足公式：
从而得到：in＝0.039/1＝0.039；
所述地下水通过止水帷幕下方产生的水头差sbi满足公式：
从而得到：
第五步、确定止水帷幕与边界产生的水头差sbo
所述止水帷幕与边界产生的水头差sbo满足公式：
从而得到：
第六步、确定止水帷幕两侧承压含水层的水头差Δh
所述止水帷幕两侧承压含水层的水头差Δh满足公式：
Δh＝Δhn+sbi+sbo，
从而得到：Δh＝0.039+0.259+3.917＝4.215m
实测G1与G2间的水位差为3.57m，通过本实施例所述方法确定的G2与G3之间的水位差为4.215m，与实测结果比较接近，表明本实施例所述方法提出的确定方法是合理的。
本实施例可以准确地确定基坑内降水时，止水帷幕作用下两侧的水位差。相比以前的方法更准确、更简便、更具有普遍性，给基坑内降水对坑外周围环境影响评估提供了依据。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，其特征在于，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、土层渗透性信息；
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层土的渗透系数，得到基坑现场土层水文地质信息，确定承压含水层的顶板埋深Ct及厚度b；
第二步、结合基坑设计及降水方案，确定基坑围护结构设计信息、降水井信息；
第三步、确定止水帷幕两侧天然水位差，所述的止水帷幕两侧天然水位差是指：止水帷幕未插入承压含水层的情况下，基坑内抽水时止水帷幕两侧即坑内与坑外的水头差；包括：
确定基坑内任一抽水井中心到止水帷幕内边缘任一点的距离；
确定坑内单井抽水时止水帷幕两侧天然水位差Δhni；
确定坑内多口井抽水时止水帷幕两侧天然水位差Δhn；
第四步、确定地下水通过止水帷幕下方产生的水头差sbi；
第五步、确定止水帷幕与边界产生的水头差sbo；
所述的止水帷幕与边界产生的水头差sbo是指：基坑内抽水井边界与抽水影响范围之外水头边界因止水帷幕阻挡作用使得止水帷幕两侧产生的水头差；
第六步、根据第三步确定的Δhn、第四步确定的sbi、第五步确定的sbo，确定止水帷幕两侧承压含水层的水头差Δh。
2.根据权利要求1所述的一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，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，在车站施工现场从地面至车站的设计标高的1.5-2.5倍深度取土，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；试验时，将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，确定土层的水平渗透系数kx和竖向渗透系数kz。
3.根据权利要求1所述的一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，其特征在于，第二步中：
所述的围护结构设计信息包括：止水帷幕深度、宽度以及长度；
所述的降水井信息包括：基坑内降水井的数量、降水井深度、降水井过滤器位置及长度、降水井抽水层位、降水井抽水量；其中：
所述降水井过滤器是指：降水井中，设置于含水层中，使地下水透过流入并阻挡泥沙进入降水井的滤管装置；
所述降水井抽水层位是指：降水井过滤器所在的层位；
所述降水井抽水量是指：基坑内单个抽水井单位时间抽出的水量，记为Qw；所述抽水量由水表测量得到。
4.根据权利要求1所述的一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，其特征在于，第三步中：所述确定基坑内任一抽水井中心到止水帷幕内边缘任一点的距离，是指：用钢尺沿地面测量出基坑内第i口抽水井中心到止水帷幕内边缘任一点之间的直线距离r1i。
5.根据权利要求1所述的一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，其特征在于，第三步中：所述Δhni满足以下公式：
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</mrow>
其中：Qi为第i口抽水井的单井抽水量；T为承压含水层的导水系数，且T满足公式：T＝kx×b，kx为承压含水层的水平渗透系数，b为承压含水层的厚度；
r1i为第i口抽水井中心到止水帷幕内边缘任一点之间的直线距离；
r2i为第i口抽水井中心到止水帷幕外边缘的距离，且r1i与r2i满足Lb＝r2i-r1i，Lb为止水帷幕的宽度。
6.根据权利要求1所述的一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，其特征在于，第三步中：所述Δhn满足以下公式：
<mrow>
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</mrow>
其中：n为抽水井数量。
7.根据权利要求1所述的一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，其特征在于，第四步中，所述的地下水通过止水帷幕下方产生的水头差sbi，是指：地下水通过止水帷幕下方进入基坑时止水帷幕两侧产生的水位差；
所述sbi满足以下公式：
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其中：bbd为止水帷幕插入承压含水层的相对深度，且bbd满足公式：bb为止水帷幕插入承压含水层的深度，b为承压含水层的厚度；Lb为止水帷幕的宽度；in为止水帷幕两侧的天然水力梯度。
8.根据权利要求7所述的一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，其特征在于，所述的止水帷幕插入承压含水层的深度bb是指：止水帷幕深度和承压含水层顶板深度的差，满足公式；bb＝Db-Ct,Db为止水帷幕的深度，Ct为承压含水层的顶板埋深；
所述的止水帷幕两侧的天然水力梯度in是指：止水帷幕未插入承压含水层，坑内抽水时止水帷幕两侧天然水位差与止水帷幕宽度的比值；所述的in满足以下公式：
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9.根据权利要求1-8任一项所述的一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，其特征在于，第五步中，所述sbo满足以下公式:
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2
其中：bbd为止水帷幕插入承压含水层的相对深度；b为承压含水层的厚度；kx为水平渗透系数；kz为竖向渗透系数；Lb为止水帷幕的宽度；in为止水帷幕两侧的天然水力梯度。
10.根据权利要求1-8任一项所述的一种止水帷幕作用下止水帷幕两侧水位差的确定方法，其特征在于，第六步中，所述的Δh满足以下公式：
Δh＝Δhn+sbi+sbo
其中：Δhn为止水帷幕两侧天然水位差；sbi为地下水通过止水帷幕下方产生的水头差；sbo为止水帷幕与边界产生的水头差。
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