CN108222082A - 多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验方法及装置，通过设置分层的供水夹层，并分别连接可升降的水箱和可调节压力的增压泵，为降水模型试验中各含水层提供稳定、均匀且差异化的水力补给，以实现对现场不同承压水层、潜水层的水文条件的分层模拟，降水过程中动态调整水箱位置、增压泵压力和抽水泵转速，维持各含水层稳定的边界水头，并控制模型坑内水位，采用PVC观测管井和水位计感应器、水位数显仪组成水位观测系统，PVC抽水管井、抽水泵和流量计组成抽水系统，动态控制抽水流量并实时监测降水过程试验基坑内外水位和抽水流量变化，通过调整止水帷幕阻隔比、抽水管滤管长度和位置等参数，探究基坑降水中各参数的影响规律。

Description

多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验方法及装置

技术领域

本发明涉及基坑降水工程领域，特别是一种多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验方法及装置。

背景技术

随着城市地下空间的开发利用成为当今现代化建设的趋势，部分地区由于地下水水力丰富，在基坑开挖过程中需要大规模的降水，因此优化降水工程来提高降水效率、减少降水费用以及减少降水对环境的影响成为现阶段工程建设的热点问题。

现阶段室内基坑降水模型试验的研究愈发增多，如唐益群等设计了一种现场缩尺降水模型试验，对上海地铁宜山路站的端头井基坑进行三维缩尺模拟，对现场土层进行概化，采用水箱连接模型箱边缘注水孔的方式进行边界供水，并埋置孔隙水压力计、土压力计、测水管、对水土压力及水位进行监测；杨斌等设计了一种二维渗流模型箱，通过调节与模型相连的进水箱和排水箱的水位高度，控制模型边界水位和坑内水位高度，从模型侧面测压孔洞接入测压管并安装在外侧测压板上，用以监测渗流场中各点的水压；王建秀等设计了一种模拟基坑降水承压含水层地下水渗流的透明土试验方法和装置，通过设置可调节水位的外侧供水夹层进行供水，模型箱内用透明土模拟土层，用孔压测量装置测量模型不同位置的孔隙水压力分布，并通过释放示踪剂和拍摄其流动状态的方式，直接观察帷幕渗流路径。

现有的基坑降水模型试验的供水多采用水箱、模型箱直接连接灌水或设置模型边界供水夹层、水箱渗入的方式，此类供水方式只能对模型箱体提供单一的水头，仅可用于单个含水层边界的模拟或者对不同的含水层提供相同水压的边界供水，而无法满足多个含水层的差异性供水。但是现场地层条件较为复杂，各层含水层在降水时的边界水头、水力补给、渗流速度等均有所差异，对于多含水层条件下的降水模型试验，仅采用单一的水力补给难以满足对现场水文条件的模拟需求，而现有的试验也无法实现多含水层的差异性供水。因此，研制一种新的供水方式的降水模型试验，实现不同的潜水、承压水等含水层的多含水层条件模拟成为降水模型试验中的重要改进需求。

参考文献：

[1] 唐益群, 栾长青. 上海地铁宜山路站室内降水大型模型试验分析. 地下空间与工程学报. 2008; 4(3): 483-488.

[2] 薛丽影, 杨斌, 刘丰敏等. 基坑工程地下水渗流模型试验系统研究. 岩土工程学报. 2017, 39(s1): 126-130

[3] 王建秀，刘绍莉，刘笑天等，模拟基坑降水承压含水层地下水渗流的透明土试验方法，国家发明专利：ZL 201610130987.8

[4] 王建秀，高峰，刘绍莉等，模拟基坑降水承压含水层地下水渗流的透明土试验装置，国家发明专利：ZL 201610129898.1。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验方法及装置，对每个模型中的含水层提供差异性的供水，以实现现场降水条件更准确的模拟，并利用监测系统准确监测相应土层的水位分布、抽水泵的流量变化，以及调节帷幕深度、抽水管滤管位置和长度，以研究降水工程各设计参数对基坑水位分布和变化的影响。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验方法，通过设置分层的供水夹层，并分别连接可升降的水箱和可调节压力的增压泵，为降水模型试验中各含水层提供稳定、均匀且差异化的水力补给，以实现对现场不同承压水层、潜水层的水文条件的分层模拟，降水过程中动态调整水箱位置、增压泵压力和抽水泵转速，维持各含水层稳定的边界水头，并控制模型坑内水位，采用PVC观测管井和水位计感应器、水位数显仪组成水位观测系统，PVC抽水管井、抽水泵和流量计组成抽水系统，动态控制抽水流量并实时监测降水过程试验基坑内外水位和抽水流量变化，通过调整止水帷幕阻隔比、抽水管滤管长度和位置等参数，探究基坑降水中各参数的影响规律。

为实现上述技术方案，本发明设计了相应的一种多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验装置，包括模型箱；所述模型箱由隔水层分为上下两层，其中上下两层分别与能在竖直方向上上下移动的水箱的出水口连通；所述模型箱内竖直设置有多个观测管；所述模型箱内设有方筒；所述方筒内设置至少一根抽水管；所述观测管内设有水位计感应器；所述抽水管与抽水泵连通；所有的水位计感应器均与水位数显仪电连接。

所述模型箱为空心无盖长方体；该空心无盖长方体侧边开设有供水孔，所述空心无盖长方体外侧环绕一圈供水夹层。

所述供水夹层外侧设有多个注水接头；所述注水接头通过波纹管与所述水箱出水口连通。

所述供水夹层由横隔板分隔为上下两层，且所述横隔板与所述隔水层底端位于同一水平面上。

所述模型箱下层通过增压泵与所述水箱的出水口连通。水箱中的水位控制通过浮阀和升降平台共同控制，水箱中的水源由自来水接入，浮阀通过浮力作用控制供水口的开合，当水箱中的水位上升到预定高度时，供水口自动关闭，从而能控制水箱内水位，再通过升降平台控制水箱高度从而控制供水的水头高。

所述抽水泵上安装有流量计。

所述水箱与螺纹升降仪连接。

所述供水夹层宽度为10cm，夹层上下部外侧分别设置多个注水的接口，内侧与模型箱共用钢板，并钻有密集的8mm孔洞用于夹层中的水渗入，供水夹层中部横隔板为5mm不锈钢，由角钢固定并焊接，使上下夹层完全隔离。

本发明还提供了一种多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验方法，包括以下步骤：

1）向模型箱中分层填土并夯实，并在指定位置安装观测井、抽水井、止水帷幕；

2）向模型箱供水夹层中注入液体，确定模型试验的初始水位；

3）打开抽水泵并调整转速，使抽水流量保持恒定，在试验过程中保持边界水位的稳定性，记录从开始到稳定状态下的抽水流量和坑内外水位分布及变化；

4）使水位恢复初始状态，再次打开抽水泵并根据试验需求调整抽水泵转速，记录从开始到稳态的抽水流量和坑内外水位分布及变化，从而得到不同稳态下的抽水流量和坑内外降深；

5）根据试验需求，地连墙的帷幕阻隔比、抽水管滤管长度和位置，重复上述步骤1）～4）进行下一工况试验。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、可进行多含水层条件下基坑降水的模型试验模拟，分别对各含水层提供不同的水力补给、维持不同的水位高度，以实现不同承压水层、潜水层的模拟，更加符合现场的水文地质条件；

2、可对模型的墙体嵌入深度、抽水管滤管位置及长度、水泵抽水量进行调整，从而分析基坑降水工程中各个设计参数对降水效果的影响规律；

3、采用拍照法直接记录数据，减少因读取测压管水头时间过长造成数据读取过程中数值波动，进一步减少误差；

4、装置可重复使用，且可配置不同的模型土层来模拟不同地层结构的降水规律。

附图说明

图1为降水试验系统主视图；

图2为模型箱俯视图；

图3为模型PVC抽水管井结构图；

图4为水箱结构图；

图中，1-模型箱，2-供水夹层，3-水箱，4-波纹管，5-螺纹升降仪，6-增压泵，7-抽水泵，8-流量计，9-止水帷幕方筒，10-水位数显仪，11-观测PVC管，12-水位计感应器，13-滤管，14-抽水PVC管，15-注水接头，16-供水夹层分层横隔板，17-模型箱供水孔，18-抽水管，19-水箱浮阀，20-供水夹层边界，21-模型箱边界，22-铁丝网+土工布滤网，23-滤孔，24-沉淀管，25-橡胶塞，26-水箱进水螺纹管接头，27-进水口，28-出水口。

具体实施方式

采用以下步骤进行：

（1）向模型箱中分层填土并夯实，并在指定位置安装观测井、抽水井、止水帷幕；

（2）向模型箱供水夹层中注入液体，确定模型试验的初始水位；

（3）打开抽水泵并调整转速，使抽水流量保持恒定，在试验过程中保持边界水位的稳定性，记录从开始到稳定状态下的抽水流量和坑内外水位分布及变化；

（4）使水位恢复初始状态，再次打开抽水泵并根据试验需求（不同坑内降深）调整抽水泵转速，记录从开始到稳态的抽水流量和坑内外水位分布及变化，从而得到不同稳态下的抽水流量和坑内外降深；

（5）根据试验需求，地连墙的帷幕阻隔比、抽水管滤管长度和位置，在重复上述步骤进行下一工况试验。

步骤（1）中的止水帷幕的安装方式采用以下步骤：在管井都安装完毕后，当模型土层填筑到缩尺模型的基坑底部标高处时，将模拟止水帷幕的方形钢筒放入模型箱的制定位置，并用硬物轻轻敲击，使帷幕嵌入指定深度；

步骤（2）具体采用以下步骤：待土层填筑夯实完毕，将向模型箱供水夹层中注入液体，以便液体进入模型箱的土层内，调整水箱的控制液面及增压泵的水头压力到指定的初始水位高度，此液面不超过模型土高度，然后将水位计感应器放入观测PVC管内，并将整个模型系统静置，当同含水层内的监测到的水位数据各自相差在5mm以内时，可以判定模型完全润湿饱和并到达初始水位；

步骤（3）具体采用以下步骤：打开抽水泵后，调整抽水泵到一个合适的转速，能维持流量的稳定性，在调整抽水泵的时，模型的边界水位会有下降的趋势，此时另一人同时调整水箱位置和增压泵的压力，以模型箱最外侧的观测管井的初始水位数据为模型的边界基准水位，使模型潜水和承压水含水层的边界水位在整个抽水过程中均能维持在基准水位或者在其±1-2cm范围内，如此模型最终会形成稳态渗流，坑内外水位降深都会收敛到一个稳定值,按照研究要求每隔一定的时间采用拍照法记录水位数据，并通过计算机导出连接水泵的流量计的抽水流量监测数据；

步骤（4）具体采用以下步骤：停止抽水、停止加压，调整水箱中的水位和增压泵的水压高度到模型初始水位，等待水位恢复初始水位（即当同含水层内的水位数据各自相差在5mm以内），在恢复初始水位后，以前一次试验的基坑内侧水位为基准，调整抽水泵转速以控制坑内水位处于不同的降深，并按照前述的步骤（3）使水位到达新的稳态并记录动态的降水水位分布及变化；

步骤（5）中检测帷幕的阻隔比对基坑降水工程中坑内外水位的纵向、横向影响规律时，在完成步骤（1）埋设模拟材料的过程中，根据设计不同的帷幕阻隔比，计算出止水帷幕的插入深度，然后根据这个距离安装止水帷幕以模拟地墙插入比，然后保持其他参数一致重复试验步骤来模拟其影响；

步骤（5）中检测抽水滤管的长度和位置对基坑降水工程中坑内外水位的影响规律时，在步骤（1）中调整PVC管的滤管长度或埋置不同的位置，然后保持其他参数一致重复试验步骤来模拟其影响。

提出了一种模拟多含水层条件下基坑降水模型试验装置，该装置包括：

钢板焊接的模型箱，

模拟基坑止水帷幕的钢制方筒，

提供分层、稳定水压的供水系统，包括：分层的供水夹层；与上部供水夹层相连，控制上部潜水含水层及隔水地层水位的可升降的供水箱及其组件；与下部供水夹层相连，控制下部承压含水层水位的增压泵及其组件，

模型实时水位观测系统，包括模拟现场管井的PVC管以及实时测量管井中水头的高精度水位计及水位数显仪，

提供稳定抽水流量并可导出流量数据的抽水系统，包括模拟抽水管井的PVC管、抽水泵及监测流量的流量计，

所述的模型中所有连接管道均采用可弯曲的不同内径的波纹管，

所述的模型箱采用5mm厚的304不锈钢焊接，在模型的转角处采用角钢加固焊接，模型箱整体为一无顶的长方体钢箱，在模型箱四周、供水夹层内侧钢板上打上密集孔洞，使供给的水源通过供水夹层施加均布的水压，再通过模型箱周边的小孔均匀浸入土层中，在模型箱靠近土层一侧满布两层土工布，防止模型箱中的细颗粒土进入供水夹层；

所述的供水夹层采用5mm钢制中隔板将上下层分开，并用角钢焊接加固，确保供水夹层完全分离，用以对不同的含水层施加相应的均布水压，且在每层供水夹层外侧均开有注水孔洞，分别设连接不同的供水系统；

所述的钢制止水帷幕的上部焊接有钢制把手和敲击板，用于起吊钢制止水帷幕，并根据试验的需求，动态调整钢制止水帷幕的嵌入深度。

所述的上部潜水含水层采用水箱供水，此供水系统中的水箱顶盖部连接浮阀，用于控制水箱内水位高度进而保证供给水压的稳定性，水箱放置在升降平台上，升降平台通过连接两根垂直的螺纹管进行螺旋抬升；

所述的下部承压水含水层采用水箱加增压泵联合供水，降水主要集中在承压水含水层中，其渗流速度较快，水渗入时水头损失较大，需要提供较大的供水流量，此时仅采用抬升水箱的方式已经无法满足供水水压的要求，故采用水箱加增压泵的联合供水方式，供水系统中的增压泵出水口有压力监测仪，可根据监测数据反馈自动调整转速，保持管道压力稳定；

所述的抽水系统采用PVC管井、抽水泵、流量计及连接管道组合而成，抽水泵可提供管道真空将形成自吸，同时可调整水泵转速提供稳定的抽水流量，每个抽水泵通过管道和三通与两根抽水管相连，对同一基坑横断面的两根抽水管井提供相同的抽水流量，排出的水通过流量计以实时监测流量；

所述的测压系统的微型水位计传感器通过信号转换器将水压数据转换成水头高度，从而根据PVC管井内的液位高度加上初始修订值获取滤管处土层的水位，并通过数显仪器显示在液晶屏幕上。

所述的测压系统和抽水系统中的管井均采用缩尺PVC管模拟，在需要监测水位处或抽水处采用手电钻打滤孔，并在滤孔外用铁丝网包扎土工布装配成滤网来组织外部细颗粒土进入管井内，滤管位置设在模型土需要测压和需要抽水的相应部位，管井的底部均采用橡胶塞密封以防止底部的压力水进入。

本发明中所有的PVC管下部均用橡胶塞堵住，隔离外侧砂土，仅在测压位置和抽水位置设置滤管。

对抽水过程维持边界水位稳定的具体操作方法如下,在开启抽水泵后，承压含水层的边界水位会出现下降的趋势，此时适当调整增压泵的水压，使其边界水位能在预定水位处稳定或小幅波动，同时适当调节水箱高度控制潜水水位。

本发明所有管道连接均采用不同直径的波纹管连接，接头均为密封的螺纹接头。

试验装置主体结构如图1、2所示：该试验装置包括模型箱1，供水夹层2，水箱3，波纹管4，螺纹升降仪5，增压泵6，抽水泵7，流量计8，止水帷幕方筒9，水位数显仪10，观测PVC管11，水位计感应器12，滤管13，抽水PVC管14，注水接头15，供水夹层分层横隔板16，模型箱供水孔17，抽水管18，水箱浮阀19等组件。模型箱1为空心无盖长方体，四周钻有模型供水孔17，外侧环绕一圈供水夹层2，宽度为10cm，且上下分割为两层，分别连接不同的供水源水箱3和增压泵6。

试验步骤如下：

第一步：填土及设备安装。按照指定的概化地层结构分层填土，填土过程中，在指定位置按照步骤说明安装观测PVC管11、抽水PVC管14、止水帷幕方筒9，在观测PVC管11内放入水位计感应器12，在抽水PVC管14内放入18抽水管。

第二步：初始水位设定。在水箱3中供水且将水箱的最高水位设置在模型土下5cm，此埋深设置为潜水含水层的初始水位埋深，此工况考虑承压水层水位和潜水层一致，将增压泵关闭。等到模型箱1中的土体饱和并且水位计数显仪的读数显示为初始水位。

第三步：坑内抽水。抽水过程一边调整抽水泵7的转速，直到流量计8显示稳定的流量，一边由另一个控制螺纹升降仪5上的水箱高度和增压泵6的压力值，使模型箱中最边界的观测PVC管11中的水位维持在初始水位附近，从开始抽水到形成稳态流按照1s、2s、4s、8s、15s、30s、1min、2min、3min⋯⋯，每隔1分钟采用拍照法记录水位数显仪10上的水位数据，直至模型中的渗流形成稳态流，当观测的水位在30min时间内变动范围小于1cm，及可认为此时模型处于稳态渗流状态，随后再导出各个时刻的流量计8上的流量，即完成一个工况的试验模拟。随后按照上述步骤改变各降水工程设计参数进行多工况模拟。

Claims (10)

1.一种多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验方法，其特征在于，设置分层的供水夹层，两个供水夹层分别连接可升降的水箱和可调节压力的增压泵，为降水模型试验中各含水层提供稳定、均匀且差异化的水力补给，以实现对现场不同承压水层、潜水层的水文条件的分层模拟，降水过程中动态调整水箱位置、增压泵压力和抽水泵转速，维持各含水层稳定的边界水头，并控制模型坑内水位，采用水位观测系统和抽水系统，动态控制抽水流量并实时监测降水过程试验基坑内外水位和抽水流量变化，通过调整止水帷幕阻隔比、抽水管滤管长度和位置，探究基坑降水中各参数的影响规律。

2.一种多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验装置，其特征在于，试验装置包括模型箱（1）；所述模型箱（1）由隔水层分为上下两层，其中上下两层分别与能在竖直方向上上下移动的水箱（3）的出水口连通；所述模型箱（1）内竖直设置有多个观测管（11）；所述模型箱（1）内设有方筒（9）；所述方筒（9）内设置至少一根抽水管（18）；所述观测管（11）内设有水位计感应器（12）；所述抽水管（18）与抽水泵（7）连通；所有的水位计感应器（12）均与水位数显仪（10）电连接。

3.根据权利要求2所述的多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验装置，其特征在于，所述试验模型箱（1）为空心无盖长方体；该空心无盖长方体侧边开设有供水孔（17），所述空心无盖长方体外侧环绕一圈供水夹层（2）。

4.根据权利要求3所述的多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验装置，其特征在于，所述供水夹层（2）外侧设有多个注水接头（15）；所述注水接头（15）通过波纹管（4）与所述水箱（3）出水口连通。

5.根据权利要求4所述的多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验装置，其特征在于，所述供水夹层（2）由横隔板（16）分隔为上下两层，且所述横隔板（16）与所述隔水层底端位于同一水平面上。

6.根据权利要求3所述的多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验装置，其特征在于，所述供水夹层（2）上设有多个渗水孔。

7.根据权利要求2所述的多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验装置，其特征在于，所述模型箱（1）下层通过增压泵（6）与所述水箱（3）的出水口连通。

8.根据权利要求2所述的多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验装置，其特征在于，所述抽水泵（7）上安装有流量计（8）。

9.根据权利要求2所述的多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验装置，其特征在于，所述水箱（3）与螺纹升降仪（5）连接。

10.根据权利要求3所述的多含水层条件下基坑动态降水室内模型试验装置，其特征在于，所述供水夹层（2）宽度为10cm。