CN113505549A - 一种潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法，属于动态地下水环境模拟技术领域。本发明依据地勘实测地层分布情况和海岸线与基坑距离，利用FLAC 3D数值分析软件，建立基坑截面数值模型，在基坑截面数值模型靠海侧边界施加海平面高度随时间变化曲线，得到与实测数据相似的随潮汐滞后波动的场地地下水位，在此基础上进行基坑降水模拟，更加准确模拟潮汐环境下基坑降水过程。

Description

一种潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法

技术领域

本发明属于动态地下水环境模拟技术领域，尤其涉及一种潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法。

背景技术

在基坑降水过程中，场地地下水位是影响基坑降水效果的关键。目前对潮汐环境基坑降水过程的地下水位处理主要为设置高、中、低三种静态水位分别对降水过程进行分析，但这种方法无法描述海平面潮涨潮落时的地下水位变化过程，进而无法准确得到潮汐状态下临海基坑降水时结构的动态受力情况。本发明基于这个原因，利用FLAC 3D数值分析软件自带的fish语言，在模型边界生成随时间变化的动态海平面曲线函数，模拟受潮汐环境影响的动态地下水位，更加准确的模拟潮汐环境下基坑降水效果。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法，解决了潮汐环境下基坑降水过程中地下水模拟方法不足的问题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法，包括以下步骤：

S1、测量基坑距离海岸线的距离，并在基坑外围打入地下水位观测孔，观测地下水位变化状态和海平面高程变化状态；

S2、根据所述地下水位变化状态和海平面高程变化状态，以及设计基坑形式、位置和场地地质剖面情况，建立基坑截面数值模型，以完成基坑所处场地的地层初始自重平衡；

S3、在所述基坑截面数值模型以及地层初始自重平衡基础上进行基坑在静水环境下开挖降水过程的模拟，直至开挖至坑底；

S4、继续保持坑内降水，同时在基坑截面数值模型靠海侧边界施加海平面高度随时间变化曲线，得到与实测数据相似的随潮汐滞后波动的场地地下水位，完成潮汐波动地下水环境下基坑降水的模拟。

本发明的有益效果是：本发明依据地勘实测地层分布情况和海岸线与基坑距离，利用FLAC 3D数值分析软件，建立合适的数值模型，在模型靠海侧边界施加海平面高度随时间变化曲线，得到与实测数据相似的随潮汐滞后波动的场地地下水位，在此基础上进行基坑降水模拟，更加准确模拟潮汐环境下基坑降水过程，且操作简单，易于运用。

进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、通过卫星地图和现场测距，测量基坑靠海侧止水帷幕边缘至海岸线距离；

S102、根据所述距离，在止水帷幕外打设地下水位观测孔；

S103、通过所述地下水位观测孔，判断是否发现地下水位存在随潮汐产生滞后波动规律，若是，则观测得到地下水位变化状态和海平面高程变化状态，并进入步骤S2，否则，重复步骤S103。

上述进一步方案的有益效果是：明确基坑与海岸线位置关系，对基坑所处位置是否受潮汐影响和是否具有研究价值进行判断。

再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、根据所述地下水位变化状态和海平面高程变化状态，确定地下水位的平均值；

S202、根据基坑形式和距离海岸线距离，以及设计基坑形式、位置和场地地质剖面情况，建立基坑截面数值模型，并根据平均值对基坑截面数值模型赋予初始平均地下水位，利用地勘信息对所述基坑截面数值模型的地层的物理力学和渗流材料参数进行赋值，约束前、后、左、右以及下五个边界，进行初始力学平衡计算完成基坑所处场地的地层初始自重平衡。

上述进一步方案的有益效果是：结合实际工程对研究截面进行精细化建模，使分析工况与实际工程结合紧密，并且结果可于工程监测数据进行对比，验证数值分析结论的可靠性。

再进一步地，所述步骤S202包括以下步骤：

S2021、根据设计图纸中基坑的基坑形式和观测到的距海岸线距离，规划基坑截面数值模型中基坑截面形式和单元所处位置；

S2022、根据所述基坑截面形式和单元所处位置，以及设计基坑形式、位置和场地地质剖面情况，建立基坑截面数值模型；

S2023、对基坑截面数值模型赋予初始平均地下水位；

S2024、根据初始地下水位，利用地勘信息对所述基坑截面数值模型的原始地层的物理力学和渗流材料参数进行赋值，约束前、后、左、右以及下五个边界，进行初始力学平衡计算完成基坑所处场地的地层初始自重平衡。

再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、将预设的基坑结构中止水帷幕的网格赋予止水帷幕的物理力学参数，并设置为不透水单元，计算至力学平衡，清零基坑截面数值模型内部的位移和速度，以模拟基坑止水帷幕修建；

S302、将地下水位降至坑底以下，逐步清空基坑内土体单元，并在此过程中添加横撑结构单元和实体单元，以及计算至力学平衡，模拟基坑开挖和支护过程，直至开挖至坑底。

上述进一步方案的有益效果是：首先对基坑止水帷幕修建工作进行模拟，使基坑内外水力环境相对独立，计算至力学平衡即模拟止水帷幕修建后与土体接触后两者进行受力变形平衡的过程。而清零速度和位移则是为了避免模拟修建过程产生的计算结果与降水开挖过程和潮波环境下的基坑受力分析过程中的计算结果混合影响分析。对基坑内部单元清空，则是模拟基坑开挖过程中的流固耦合过程，得到符合实际的计算结果。

再进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：

S401、同时打开渗流模式和力学计算，根据模拟结果将海平面上升下降曲线编译为随渗流时间变化的函数；

S402、根据步骤S401得到的函数，以solve age命令打开渗流计算，设力学计算时间为控制节点，当计算时间经相等时间段，调用由软件内置语言编译完成的海平面升降函数；

S403、保持坑内降水环境不变，根据调用的海平面升降函数，以在边界上施加海水水位的命令添加基坑截面数值模型靠海侧边界节点在边界上形成锯齿状的孔隙水压曲线；

S404、将所述孔隙水压曲线逐步向基坑周围传递，并在基坑周围形成滞后的平滑的地下水位随时间变化曲线；

S405、根据所述地下水位随时间变化曲线，得到与实测数据相似的随潮汐滞后波动的场地地下水位，并利用预设的降水时间进行基坑降水的流固耦合计算，完成潮汐波动地下水环境下基坑降水过程的模拟进一步对地层孔压或结构力学响应进行分析。

上述进一步方案的有益效果是：以往仅以高中低三种静态水位对潮汐环境下的基坑力学响应进行分析，缺少对波动过程中的基坑结构状态进行研究的方法，此办法将连续变化的时间按积分的方法分解为多个小时间段对潮汐环境变化中的基坑降水过程进行模拟，可对整个连续时间段内的潮汐环境下的基坑力学响应规律进行研究。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本实施例中某临海基坑断面数值模型示意图。

图3为本实施例中初始孔压云图。

图4为本实施例中开挖完成时的孔隙水压云图。

图5为本实施例中开挖完成时的竖向位移云图。

图6为本实施例中的边界施加潮汐函数示意图。

图7为本实施例中的边界孔隙水压监测图。

图8为本实施例中的墙边孔隙水压监测图。

图9为本实施例中的围护结构位移响应曲面图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法，其实现方法如下：

S1、测量基坑距离海岸线的距离，并在基坑外围打入地下水位观测孔，观测地下水位变化状态和海平面高程变化状态，其实现方法如下：

S101、通过卫星地图和现场测距，测量基坑靠海侧止水帷幕边缘至海岸线距离；

S102、根据所述距离，在止水帷幕外打设地下水位观测孔；

S103、通过所述地下水位观测孔，判断是否发现地下水位存在随潮汐产生滞后波动规律，若是，则观测得到地下水位变化状态和海平面高程变化状态，并进入步骤S2，否则，重复步骤S103。

本实施例中，通过卫星地图和现场测距，测量出基坑靠海侧止水帷幕边缘至海岸线距离，本实例测得距离为100m，然后在止水帷幕外打设地下水位观测孔，进行长期连续观测，若发现地下水位确实存在随潮汐产生滞后波动规律，则进行建模计算。

S2、根据所述地下水位变化状态和海平面高程变化状态，以及设计基坑形式、位置和场地地质剖面情况，建立基坑截面数值模型，并对基坑截面数值模型赋予初始平均地下水位，以及对所述基坑截面数值模型地层材料进行赋值，约束前、后、左、右以及下五个边界，进行初始力学平衡计算，其实现方法如下：

S201、根据所述地下水位变化状态和海平面高程变化状态，确定地下水位的平均值；

S202、根据基坑形式和距离海岸线距离，以及设计基坑形式、位置和场地地质剖面情况，建立基坑截面数值模型，并根据平均值对基坑截面数值模型赋予初始平均地下水位，利用地勘信息对所述基坑截面数值模型的地层的物理力学和渗流材料参数进行赋值，约束前、后、左、右以及下五个边界，进行初始力学平衡计算完成基坑所处场地的地层初始自重平衡，其实现方法如下：

S2021、根据设计图纸中基坑的基坑形式和观测到的距海岸线距离，规划基坑截面数值模型中基坑截面形式和单元所处位置；

S2022、根据所述基坑截面形式和单元所处位置，以及设计基坑形式、位置和场地地质剖面情况，建立基坑截面数值模型；

S2023、对基坑截面数值模型赋予初始平均地下水位；

S2024、根据初始地下水位，利用地勘信息对所述基坑截面数值模型的原始地层的物理力学和渗流材料参数进行赋值，约束前、后、左、右以及下五个边界，进行初始力学平衡计算完成基坑所处场地的地层初始自重平衡。

本实施例中，发现地下水位确实存在滞后波动规律，所得地下水位平均值为-4.5m，按设计图纸建立基坑截面数值模型，海岸线位于模型右侧，如图2所示。图2中黑色网格为首先规划的地连墙网格，灰色网格为首先规划的基坑内轮廓网格，两者共同构成了本实例的基坑截面，两种网格外部为基坑外地层网格，靠海侧止水帷幕与海洋边界距离按测量结果取为100m，模型长300m，高80m，宽18m。

本实施例中，打开渗流模式，关闭流体计算，以观测到的海平面高程平均值作为初始水位-4.5m输入基坑截面数值模型，根据地勘资料对基坑截面数值模型地层材料赋值，约束前、后、左、右、下五个边界，计算至力学平衡，完成地层初始自重平衡，如图3所示。

S3、对预设为基坑结构的单元赋予基坑结构参数，并设置为不透水单元，再次进行力学平衡计算，以模拟基坑止水帷幕修建，其实现方法如下：

S301、将预设的基坑结构中止水帷幕的网格赋予止水帷幕的物理力学参数，并设置为不透水单元，计算至力学平衡，清零基坑截面数值模型内部的位移和速度，以模拟基坑止水帷幕修建；

S302、将地下水位降至坑底以下，逐步清空基坑内土体单元，并在此过程中添加横撑结构单元和实体单元，并计算至力学平衡，模拟基坑开挖和支护过程，如图4-图5所示，图4为开挖完成时的孔隙水压云图、图5为开挖完成时竖向位移云图。

S4、打开渗流计算模式，如图6所示，根据模拟结果在基坑截面数值模型靠海侧边界施加海平面高度随时间变化曲线，得到与实测数据相似的随潮汐滞后波动的场地地下水位，并根据场地地下水位进行基坑降水的流固耦合计算，完成潮汐波动地下水环境下基坑降水的模拟，其实现方法如下：

S401、同时打开渗流模式和力学计算，根据模拟结果将海平面上升下降曲线编译为随渗流时间变化的函数；

S402、根据步骤S401得到的函数，以solve age命令打开渗流计算，设力学计算时间为控制节点，当计算时间经相等时间段，调用由软件内置语言编译完成的海平面升降函数；

S403、保持坑内降水环境不变，根据调用的海平面升降函数，以在边界上施加海水水位的命令添加基坑截面数值模型靠海侧边界节点在边界上形成锯齿状的孔隙水压曲线，如图6和图7所示；

S404、将所述孔隙水压曲线逐步向基坑周围传递，并在基坑周围形成滞后的平滑的地下水位随时间变化曲线，如图8所示；

S405、根据所述地下水位随时间变化曲线，得到与实测数据相似的随潮汐滞后波动的场地地下水位，并利用预设的降水时间进行基坑降水的流固耦合计算，完成潮汐波动地下水环境下基坑降水过程的模拟进一步对地层孔压或结构力学响应进行分析。

本实施例中，以config fluid命令打开FLAC 3D自带的渗流模式，以set fluidoff命令关闭流体计算，将初始水位输入模型，孔隙水压力云图如图3所示。按各地层厚度对网格赋值材料参数，包括力学参数和渗流参数，并在基坑的前后左右下五个方向施加法向约束，进行力学计算平衡，将事先规定为止水帷幕的网格赋上止水帷幕参数，并设置为不透水网格，再次计算至力学平衡，清零模型内部的位移和速度，这一步的目的是模拟基坑止水帷幕的修建。将坑内水位降低至坑底以下，清空基坑内轮廓单元，施做内部支护结构，计算至力学平衡，这一步的目的是模拟基坑开挖过程。

本实施例中，同时打开流体和力学计算，以FLAC 3D自带的fish语言将观察时间内的潮汐影响带来海平面上升下降曲线编译成随渗流时间变化的函数，以solve age命令打开计算，以程序内计算时间为控制节点，当计算时间每经过相等时间段之后，以循环命令loop调用一次前面编译完成的fish函数，以app pp命令添加至模型靠海侧边界节点，及在边界上形成锯齿状的孔隙水压曲线，经过软件差分逐步向基坑周围传递，并在基坑周围形成滞后的平滑的地下水位随时间变化曲线，在此基础上，按预设的降水时间进行降水模拟。

本实例中，潮汐曲线按最不利取(按场地观测到的潮汐水位最高最低记录取值，即本实例的潮位变化情况基本符合正弦分布特征)为当地最大潮位差3m作为振幅，以观测所得平均水位-4.5m作为起始0点的正弦函数，其公式如下：

h＝-(1.5×sin(πt)+4.5)

式中，h表示海平面高度，t表示计算时间。

本实例中，降水天数设置为7天，以半小时为间隔，用loop循环命令按上述公式每半小时更新一次潮位数据，即得到图7所示锯齿状波动曲线，经过100m的有限差分和能量衰减，在地连墙外2m位置监测到图8所示的平滑且振幅低的地下水位波动曲线。在此期间对止水帷幕和围护结构位移情况进行监控，即可得到潮汐环境下围护结构全过程位移曲线并绘制出围护结构位移响应曲面图如图9所示以进行后续分析，但不限于围护结构的位移监测与分析。

Claims (6)

1.一种潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、测量基坑距离海岸线的距离，并在基坑外围打入地下水位观测孔，观测地下水位变化状态和海平面高程变化状态；

S2、根据所述地下水位变化状态和海平面高程变化状态，以及设计基坑形式、位置和场地地质剖面情况，建立基坑截面数值模型，以完成基坑所处场地的地层初始自重平衡；

S3、在所述基坑截面数值模型以及地层初始自重平衡基础上进行基坑在静水环境下开挖降水过程的模拟，直至开挖至坑底；

S4、继续保持坑内降水，同时在基坑截面数值模型靠海侧边界施加海平面高度随时间变化曲线，得到与实测数据相似的随潮汐滞后波动的场地地下水位，完成潮汐波动地下水环境下基坑降水的模拟。

2.根据权利要求1所述的潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、通过卫星地图和现场测距，测量基坑靠海侧止水帷幕边缘至海岸线距离；

S102、根据所述距离，在止水帷幕外打设地下水位观测孔；

S103、通过所述地下水位观测孔，判断是否发现地下水位存在随潮汐产生滞后波动规律，若是，则观测得到地下水位变化状态和海平面高程变化状态，并进入步骤S2，否则，重复步骤S103。

3.根据权利要求1所述的潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、根据所述地下水位变化状态和海平面高程变化状态，确定地下水位的平均值；

S202、根据基坑形式和距离海岸线距离，以及设计基坑形式、位置和场地地质剖面情况，建立基坑截面数值模型，并根据平均值对基坑截面数值模型赋予初始平均地下水位，利用地勘信息对所述基坑截面数值模型的地层的物理力学和渗流材料参数进行赋值，约束前、后、左、右以及下五个边界，进行初始力学平衡计算完成基坑所处场地的地层初始自重平衡。

4.根据权利要求3所述的潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法，其特征在于，所述步骤S202包括以下步骤：

S2021、根据设计图纸中基坑的基坑形式和观测到的距海岸线距离，规划基坑截面数值模型中基坑截面形式和单元所处位置；

S2022、根据所述基坑截面形式和单元所处位置，以及设计基坑形式、位置和场地地质剖面情况，建立基坑截面数值模型；

S2023、对基坑截面数值模型赋予初始平均地下水位；

S2024、根据初始地下水位，利用地勘信息对所述基坑截面数值模型的原始地层的物理力学和渗流材料参数进行赋值，约束前、后、左、右以及下五个边界，进行初始力学平衡计算完成基坑所处场地的地层初始自重平衡。

5.根据权利要求1所述的潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、将预设的基坑结构中止水帷幕的网格赋予止水帷幕的物理力学参数，并设置为不透水单元，计算至力学平衡，清零基坑截面数值模型内部的位移和速度，以模拟基坑止水帷幕修建；

S302、将地下水位降至坑底以下，逐步清空基坑内土体单元，并在此过程中添加横撑结构单元和实体单元，以及计算至力学平衡，模拟基坑开挖和支护过程，直至开挖至坑底。

6.根据权利要求5所述的潮汐环境基坑降水过程中的地下水位模拟方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S401、同时打开渗流模式和力学计算，根据模拟结果将海平面上升下降曲线编译为随渗流时间变化的函数；

S402、根据步骤S401得到的函数，以solve age命令打开渗流计算，设力学计算时间为控制节点，当计算时间经相等时间段，调用由软件内置语言编译完成的海平面升降函数；

S403、保持坑内降水环境不变，根据调用的海平面升降函数，以在边界上施加海水水位的命令添加基坑截面数值模型靠海侧边界节点在边界上形成锯齿状的孔隙水压曲线；

S404、将所述孔隙水压曲线逐步向基坑周围传递，并在基坑周围形成滞后的平滑的地下水位随时间变化曲线；

S405、根据所述地下水位随时间变化曲线，得到与实测数据相似的随潮汐滞后波动的场地地下水位，并利用预设的降水时间进行基坑降水的流固耦合计算，完成潮汐波动地下水环境下基坑降水过程的模拟进一步对地层孔压或结构力学响应进行分析。

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