CN109868833A - 二元结构地层深基坑降水量的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明二元结构地层深基坑降水量的控制方法，包括以下步骤：在基坑内构建竖向帷幕，使所述竖向帷幕插入承压含水层深度大于该含水层厚度的2/3；安装滤水管，使所述滤水管的滤水部分处于强透水层的上部，且所述滤水管的直径等于250mm，所述滤水管的长度为10‑12m；根据公式，进行排水量抽取计算。本发明的二元结构地层深基坑降水量的控制方法，通过有效控制止水帷幕长度、井管直径、过滤管长度及合理位置，从而在达到降深目的情况下，使得抽水量和地面降沉最小。

Description

二元结构地层深基坑降水量的控制方法

技术领域

本发明涉及建筑工程领域的方法，更具体地，涉及二元结构地层深基坑降水量的控制方法。

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。

目前已有许多学者及工程技术人员对深井降水理论和施工技术方面进行了研究，取得了丰富的成果和经验。王亮、孙国梁研究了管井降水辅以真空井点降水的方法有效地解决了饱和含黏性土的粗砂地层深基坑降水的难题；在滤管段外包裹粗、细2层纤维的针刺非织造土工织物，有效解决了深基坑管井降水时由于流砂涌入堵塞管井的问题；蒲亚平、施成华等通过规范计算涌水量，推导了考虑渗流作用的基坑降水引起地表沉降的公式，以预测降水引起地表的沉降。

深基坑地下水控制应从地貌单元、地层时代和地层组合关系等宏观规律入手，宜按照同一地貌、水文地质单元中地下水类型、含水层厚度、水文地质参数及与地表水体的关系等水文地质特点，进行地下水控制的概念设计和方案比选。地貌单元不同，地下水类型不同，控制方法也不同。应以“降疏为主，封堵为辅”还是以“封堵为主，降疏为辅”地下水控制理念，要看所处的地貌单元所决定的水文地质特点和地下水类型来定。

武汉地区一级阶地地层为河流冲积相的沉积物(厚度35m～55m)，其土体颗粒具有上细下粗二元结构地层的特点；地下水的赋存类型为上层滞水赋存于杂填土中，潜水赋存于较厚的杂填土、淤泥质土中；承压含水层厚度约34.0m～38.21m，有两种类型，一种赋存于中部软～可塑状态的粉质粘土、粉土或粉质粘土与粉土互层(弱透水层)中，另一种赋存于砂及砂卵石层(强透水层)中，强透水层承压水为高水头，与长江有直接水力联系。大量的工程实践经验总结得出，武汉地区一级阶地基坑地下水处理采用以“降疏为主，封堵为辅”的控制原则。

以往人们在降水方案设计中仅关注水文地质参数的选择是否正确，深井降水严格控制含砂量仅从井管工艺结构方面做要求，只要不扰动土层结构，不管抽取多少地下水量，只要能降低水位并使得地面沉降不危及周边建(构)筑物的安全就行，未考虑抽水量的大小。传统的裘布依理论公式计算涌水量时，过滤管、止水帷幕长度及井群干涉影响等具体情况难以考虑，计算结果与实际情况不完全符合。目前深基坑工程地下水控制，尚未形成一套系统、完整的理论和方法，这方面的内容鲜有研究。

如何合理控制地下水的抽排量，减小水资源的损失，既能达到降深目标，又能将周边地面沉降控制在较低限度成为人们关心的问题。

发明内容

本发明提供一种二元结构地层深基坑降水量的控制方法，以解决降深与水资源损失之间相互矛盾的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供了二元结构地层深基坑降水量的控制方法，，包括以下步骤：

步骤S1，在基坑内构建竖向帷幕，使所述竖向帷幕插入承压含水层深度大于该含水层厚度的2/3；

步骤S2，安装滤水管，使所述滤水管的滤水部分处于强透水层的上部，且所述滤水管的直径等于250mm，所述滤水管的长度为10-12m；

步骤S3，根据以下公式，进行排水量抽取计算：

其中，R表示相关性系数，且R2＝0.987；l表示滤水管的长度；M为承压含水层的厚度；rw表示滤水管的半径，k表示承压含水层渗透系数；s表示滤水管中水位降深；表示滤水管的流量。

在上述方案基础上优选，所述步骤S1中，竖向帷幕的插入深度是基于室内实验以获取的，具体步骤为：

步骤S11，基于二元结构地层，设计室内模拟实验模型，且所述室内模拟实验模型的土体分布、止水帷幕的形式、尺寸与二元结构地层相同；

步骤S12，在室内模拟实验模型的渗流槽的相同间距处设置不同长度的止水帷幕，通过注入水以维持补给水位，逐时段记录出水口的渗流量的变化，以获取维持水位降深情况下渗流量较小时止水帷幕的长度。

本发明的二元结构地层深基坑降水量的控制方法，通过有效控制止水帷幕长度、井管直径、过滤管长度及合理位置，从而在达到降深目的情况下，使得抽水量和地面降沉最小。

附图说明

图1为本发明的二元结构地层深基坑降水量的控制方法的流程图；

图2为本发明的流水槽结构示意图；

图3为本发明的非完整井侧向帷幕减降效果流网图；

图4为本发明的滤水管安置不同位置的进水条件示意图；

图5为本发明的非完整井附加阻力系数(ξ₁-ξ₂)与b/M关系图；

图6为本发明的涌水量q₀与滤管长度l的关系图；

图7为本发明的涌水量增长率与滤管长度关系图；

图8为本发明的非完整井涌水量校正系数B与M/l关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图1所示，本发明的二元结构地层深基坑降水量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，在基坑内构建竖向帷幕，使所述竖向帷幕插入承压含水层深度大于该含水层厚度的2/3；

步骤S2，安装滤水管，使所述滤水管的滤水部分处于强透水层的上部，且所述滤水管的直径等于250mm，所述滤水管的长度为10m-12m；

步骤S3，根据以下公式，进行排水量抽取计算：

其中，R表示相关性系数，且R²＝0.987；l表示滤水管的长度；M为承压含水层的厚度；rw表示滤水管的半径，k表示承压含水层渗透系数；s表示滤水管中水位降深；表示滤水管的流量。

为了进一步详细说明本发明的技术方案，其中，本发明的步骤S1中，竖向帷幕的插入深度是基于室内实验以获取的，具体步骤为：

步骤S11，基于二元结构地层，设计室内模拟实验模型，且所述室内模拟实验模型的土体分布、止水帷幕的形式、尺寸与二元结构地层相同；

步骤S12，在室内模拟实验模型的渗流槽的相同间距处设置不同长度的止水帷幕，通过注入水以维持补给水位，逐时段记录出水口的渗流量的变化，以获取维持水位降深情况下渗流量较小时止水帷幕的长度。

其中，在设计室内模拟实验模型时，根据二元结构地层的土层结构，顶部为不透水层，中部为为弱透水层(粉质粘土与粉土互层)，下部为透水性强的砂土。室内模拟试验渗流槽中的土体分布、止水帷幕的形式、尺寸与现场实际工程相同。渗流槽的左端设置水箱为进水口，模拟地下水的补给，渗流槽的右侧距槽顶700mm处设置1个直径40mm的PVC管做出水口(模拟深井抽水，维持基坑的降深)，渗流槽的横向设置止水帷幕。通过渗流槽可以模拟各种工况止水帷幕时的渗流情况，试验过程中记录进水口处水头的高度，逐时段记录出水口单位时间内的流量(可用量筒量测)，模拟不同深度止水帷幕下，在维持基坑降深情况下的基坑出水量。

定义止水帷幕对渗流量的影响系数Ec为:E_c＝(q-q_c)/q，其中q为没有止水帷幕时的渗流量，q_c为止水帷幕时的渗流量。

本发明的流水槽的结构如图2所示，且渗流槽用有机玻璃制成，使用矩形流槽。长度为L＝2000mm，宽度为b＝200mm，高度为h＝1500mm。试验所用土取自武汉一级阶地二元结构土层。

试验时，首先进行装样，将渗流槽中的土体分为五层，自上而下依次为粘土250mm、淤泥质粉质粘土300mm、粉质粘土、粉土互层350mm、细砂350mm、卵石、碎石层250mm，然后分层击实。

止水帷幕模拟---用相对隔水的粘土模拟止水帷幕。将一定量的粘土填入预留的体积中，然后分层击实，保持帷幕与槽身的有机玻璃板之间无缝隙。止水帷幕的位置距槽首60cm，厚度为5cm，长度分别为85cm、95cm、105cm、115cm、125cm、135cm、145cm，具体安装位置如图2所示。

试验过程---试验时槽的左端水箱中注入水以维持补给水位，逐时段记录出水口的渗流量的变化；变化止水帷幕的长度后重复试验。

通过分析土层的综合渗透系数、止水帷幕的长度与渗流量的关系、不同止水帷幕下涌流量与时间的关系、帷幕的长度与渗流量的影响系数Ec的关系，最后得出维持水位降深情况下渗流量较小时止水帷幕的长度。

即通过实验得到，当坑内降水保持目标降深不变的情况下，帷幕插入深度小于承压含水层厚度2/3时，帷幕深度对坑内涌水量和坑外水位影响均不大；当帷幕插入深度大于承压含水层厚度2/3甚至大于90％时才能有显著影响，此时剩余过水断面“过水门”的补给水量小于按大井法计算的抽水量，此时帷幕开始对坑内抽水量和坑内外水位有控制作用。因此，获得竖向帷幕插入承压含水层深度大于该含水层厚度的2/3时，其控水能力最好。

进一步的，为了验证止水帷幕的最佳长度，本发明还通过某网格内的平均渗透速度v_m＝kΔh/(nΔl)，某一网格单宽流量Δq＝kΔhΔb/(nΔl)；Δh为基坑内、外水头差，Δh/n为相邻两等水头线间水头差，Δl、Δb为该网格中心点的流线长度、宽度。

若有m个流管，基坑周长为u，基坑总涌水量为u·m·Δq。

设计降深一定情况下，根据流网图计算得涌水量，可进一步验证涌水量最小时悬挂式帷幕合适深度，即竖向帷幕插入承压含水层深度l_d>/2/3M时，才对坑内涌水量和坑外水位有影响，其中流网图如图3所示。

本发明为了进一步验证过滤管的直径大小对水流的影响，进行以下实验。

因小口径抽水井的水流阻力损失比大口径抽水井的水流阻力损失显著增大，井壁附近常形成紊流，相同降深时小口井比大口径涌水量小。裘布依承压水单井涌水量公式：

q₀＝2.73kMs/(lgR-lgr_w)

R—影响半径；r_w—井的半径；s为水位降深。

其他条件相同情况下，在不同的井径r_w1、r_w2时，涌水量分别为q₀₁，q₀₂，则：q₀₁/q₀₂＝(lgR-lgr_w1)/(lgR-lgr_w2)。

武汉长江隧道汉口明挖段进行抽水试验，试验孔径650毫米，滤水管缠丝间距1.2mm，回填砾石规格为2mm-3mm；分别采用井管直径Φ250、Φ325进行抽水试验，采用50m³/h、65m³/h、80m³/h流量水泵进行了4次水位降深抽水试验，试验结果如表1。

表1不同井径抽水试验

从表1可以看出，当相同降深时，Φ250比Φ325井径减小了23％，其涌水量减少了4.5-6.5％，故在能确保抽水稳定持续降深情况下，选用Φ250井管抽水量要小。

在对滤水管的安装位置设计时，首先需考虑滤水管的安装位置对涌水量的影响。

如图4所示，为发明的滤水管安置不同位置的进水条件示意图，地下水向非完整井流动时其水流情况与向完整井流动时的情况有很大的差别,如图4,在邻近井地段的I区,流线弯曲，水流属三维流。随着距井距离的增加，流线弯曲程度逐渐减缓，一定距离R_a(R_a＝1～1.5m)以外，流线基本平直呈二维流。由于流线弯曲导致水流途程增长，且沿途水流方向不断变化，从而产生附加阻力，增大了能量的损耗；因此，在相同流量的情况下，非完整井的降深大于完整井中的降深；反之，在相同水位降深的情况下，非完井的涌水量小于完整井量；图4还表明井的进水段置于含水层中不同位置时，其流线弯曲的情况是不相同的，因此，井的涌水量或降深值亦不相同。

因长江一级阶地地层含水层渗透性自上向下逐渐增大，当滤水管的长度基本相同时，滤水管安装于承压含水层下部涌水量最大，安装于中间部位时，井内抽水时其进水有效厚度M_a2比安装于承压含水层上部或下部的进水有效厚度M_a1或M_a3大，故涌水量也较大，滤水管安装于承压含水层上部时，涌水量较少。

涌水量较小时b、l合适值的确定

非完整井的滤水管宜置于渗透性相对较小的强透水层上段时涌水量较小。非完整井的涌水量除了受降深、井径、含水层的渗透性及厚度的影响外，还受井的不完整程度(以l/M表示，l为滤水管的长度)、滤水管的相对位置b/M，(b为滤水管端点距隔水边界的距离)等因素影响。

维里金提出了考虑滤水管长度及相对位置非完整井涌水量的公式，二个观测孔时维里金非完整井涌水量公式：

公式中ξ₁、ξ₂分别为距井r₁、r₂处的附加阻力系数，与l/M、b/M、M/r相关，见维里金非完整井附加阻力系数。本文将维里金非完整井附加阻力系数中数据整理得出非完整井附加阻力系数(ξ₁-ξ₂)与b/M关系，如图5。

从图5可看出l/M一定时，(ξ₁-ξ₂)与b/M关系呈凹型，b/M越大或越小时(ξ₁-ξ₂)值越大，q₀值越小，由于滤管不宜设置过长，故b＝0时(ξ₁-ξ₂)值最大，q₀值最小；b/M一定时，l/M值较小时(ξ₁-ξ₂)值较大，q₀值较小；与上述定性分析结果一致。

以下将详细介绍过滤管合适长度及非完整井涌水量的关系。

在含水层厚度较大时，由于止水帷幕的作用，水流呈紊流状态；滤水管设置的太短不能维持稳定抽水以保持持续降深；因含水层渗透系数越往下越大，滤水管设置的太长，涌水量会增大；本文通过抽水试验，确定一定降深条件下最小涌水量时的滤水管合适长度。

本发明采用Φ250井管直径进行抽水试验时，以胶塞进行分段堵塞。全孔共分为5个试验段，滤水管长度分别为9.23m、12.1m、15.21m、18.12m、21.3m；分别下置50m³/h、65m³/h、80m³/h水泵，每一试段进行了4次水位降深抽水，降深值分别为2.25m、2.85m、3.35m、3.85m。根据试验资料，绘制4种降深条件下的涌水量q₀与滤水管长度l的关系曲线如图6，滤水管长度l与涌水量增长率的关系曲线如图7。

图6看出，涌水量q₀随滤管长度l增加到一定值时不再增加，涌水量与滤管长度l增长率Δq₀/Δl随滤管长度l的增加逐渐趋缓。分别从q₀～l曲线、Δq₀/Δl～l曲线中找出曲率最大的点，该点对应的q₀、l值即为保持持续抽水、降深及最小抽水量时的滤管合适长度；从图6、图7看出，不同水位降深条件下，各曲线曲率最大的点对应的滤水管长度相近，范围在10.0m～12.0m。

而本发明的非完整井涌水量的公式推导方式如下：

其中，非完整井涌水量q_0B和完整井涌水量q_0w之比值称为非完整井涌水量校正系数B，即B＝q_0B/q_0w，采用井管直径Φ250完整井，以胶塞进行分段堵塞，分别进行完整井及非完整井不同过滤管长度抽水试验，根据试验资料，整理出非完整井涌水量校正系数B与含水层厚度与滤管长度比值M/l关系如图8。承压含水层厚度M为34.84m，完整井涌水量q_0w为65.8m³//h。

从图8看出，B值的递减要比滤水管长度的相对减小为慢。其他条件不变情况下，根据滤水管有效长度增大时，涌水量也应增加，滤水管的有效长度趋近于零时，涌水量也趋近于零的原理，将抽水试验成果，通过数学方法回归拟合分析，确定了非完整井涌水量校正系数的经验公式：

B＝q_0B/q_0w＝0.86+6.19*10^-3·M/l-0.012(M/l)²，相关性系数平方R²＝0.987。

将承压完整井公式代入，找出武汉地区一级阶地非完整井涌水量经验公式为：

本发明的二元结构地层深基坑降水量的控制方法，通过有效控制止水帷幕长度、井管直径、过滤管长度及合理位置，从而在达到降深目的情况下，使得抽水量和地面降沉最小。

与现有技术相比较，本发明具备以下优点：

(1)当帷幕插入深度大于承压含水层厚度2/3时，帷幕深度对坑内涌水量和坑外水位影响显著；相同降深时，Φ250比Φ325井管涌水量减少了4.5-6.5％。

(2)非完整井的涌水量还受井的不完整程度l/M、进水段的相对位置b/M等因素影响；非完整井附加阻力系数(ξ₁-ξ₂)与b/M关系呈凹型；故b＝0时(ξ₁-ξ₂)值最大，q₀值较小。

(3)不同降深条件下的抽水试验成果，q₀～l、Δq₀/Δl～l曲线曲率最大的点对应的滤水管长度相近，范围在10.0m～12.0m，其对应的涌水量q₀最小。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.二元结构地层深基坑降水量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，在基坑内构建竖向帷幕，使所述竖向帷幕插入承压含水层深度大于该含水层厚度的2/3；

步骤S2，安装滤水管，使所述滤水管的滤水部分处于强透水层的上部，且所述滤水管的直径等于250mm，所述滤水管的长度为10-12m；

步骤S3，根据以下公式，进行排水量抽取计算：

其中，R表示相关性系数，且R²＝0.987；l表示滤水管的长度；M为承压含水层的厚度；r_w表示滤水管的半径，k表示承压含水层渗透系数；s表示滤水管中水位降深；q_0B表示滤水管的流量。

2.如权利要求1所述的二元结构地层深基坑降水量的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，竖向帷幕的插入深度是基于室内实验以获取的，具体步骤为：

步骤S11，基于二元结构地层，设计室内模拟实验模型，且所述室内模拟实验模型的土体分布、止水帷幕的形式、尺寸与二元结构地层相同；

步骤S12，在室内模拟实验模型的渗流槽的相同间距处设置不同长度的止水帷幕，通过注入水以维持补给水位，逐时段记录出水口的渗流量的变化，以获取维持水位降深情况下渗流量较小时止水帷幕的长度。