CN114372314A - 预测降压降水引起地面沉降的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预测降压降水引起地面沉降的方法，通过建立地下水三维数值模型，计算出基坑群井抽水的地下渗流场。根据数值模型计算的整个基坑及影响半径内的降深结果；在一维固结条件下，以总应力法将各水头作用所产生的变形叠加起来得到理论沉降计算结果；最终结合抽水试验阶段的地面沉降监测数据与理论沉降计算结果相比较，得出适合于本工程的沉降经验系数；通过将数值模型各个含水层的水头数据导出，利用正确的沉降经验系数编辑出整个模型的地表沉降计算公式，最终导入到地质三维模型中预测基坑降压降水后整个基坑及周边环境的地面沉降情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种预测降压降水引起地面沉降的方法，属于建筑施工技术领域。
背景技术
随着基坑深度不断加深，基坑底板距离承压含水层也越来越近。虽然设置止水帷幕使得地下水的绕流路径增加，但有在遇到深厚或者多层承压含水层时止水帷幕无法完全隔断承压含水层组。同时为了保证土方开挖作业的方便与土体的稳定性，进行承压水降压降水是非常必要的。承压含水层水量巨大，降水降水时不可避免会造成很大的水土流失，抽水过多可能会造成围护结构位移、周边管线破裂、地面沉降或者周边建构筑物出现裂缝等问题。一般的地下水抽水一般采用理论计算周边建筑物的地面沉降，不能整体显示整个场地范围内降压降水的影响情况。因此，通过利用Visual Modflow三维地下水流数值软件结合抽水试验修正沉降理论计算结果，最终通过Sufer软件可以直观准确地预测处降压降水引起的周边地面沉降。
发明内容
本发明主要是针对目前软土地区深基坑工程承压含水层降压降水引起的地下水土流失带来的周边环境影响的技术问题，而提供的一种预测降压降水引起地面沉降的方法。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：首先，利用地下水模拟软件VisualModflow进行三维地下水流的模拟，再根据其运行计算结果降深等值曲线导出对应承压含水层的降深数据；然后，在项目实施范围场地内进行抽水试验，开启部分试验井，观测抽水量及降深情况，将实际观测数据带回到数值模型中反演适合本场地的水文地质参数；在一维压缩的条件下，利用分层总和法计算出不同承压含水层抽水引起的土层压缩变形量，将其与抽水试验中观测的地面沉降值比较计算出沉降经验系数；将所计算的沉降经验系数代入原沉降计算公式中，使得预估沉降量更接近实际；最终将所有数据点的沉降，按照坐标及沉降的形式导入到专业地理数据网格化绘图软件Sufer中，最终形成该场地降压降水引起的周边地面沉降等值线云图。
进一步，在地下水模拟软件Visual Modflow进行三维数值模拟时，首先选择地质勘探孔中承压含水层顶板最高的一个勘测点作为土层分层的依据，建立好土层模型后，将地勘报告中的渗透系数、贮水率、承压含水层水头高度的水文地质参数输入模型；根据经验确定所需的抽水量和时间，最终计算出整个场地的降深等值线。
进一步，在修正地表沉降前，应进行专项抽水试验，每天按照抽水试验要求规定频率观测抽水量Q和观测井内的水位降深值s，将Q-s数据编辑成Excel表格形式导入到最初所建立的三维地下水数值模型中再次运行，通过不断调整Kx，Ky，Kz和Ss进行重复运行，使得模型的计算值与实际观测值趋势能完全拟合，反演适合本场地的水文地质参数，其中，Kx—以x轴为主轴方向的渗透系数，Ky—以y轴为主轴方向的渗透系数，Kz—以z轴为主轴方向的渗透系数，Ss—储水系数。
进一步，在一维压缩的条件下，每一层的承压含水层压缩变形量按如下公式计算：
其中，s—对应承压含水层抽水的土层压缩变形量,H—承压含水层厚度；Es—对应承压含水层深度下的土层压缩模量；Δp—降水引起的竖向应力变化，Δp＝γw·Sw，其中γw为水重度，Sw—对应承压含水层的降深值。
进一步，对应承压含水层土层的竖向应力变化由于地下水的水位变化引起，该降深结果Sw应从反演参数完毕的Visual Modflow模型中导出，将Visual Modflow模型中所有不同承压含水层降水运行后的降深数据导出，导出数据在Excel表格中排列顺序为X，Y，Z，Sw，利用分层总和法，整个地层降压降水引起的理论的土层压缩总量s总计算如下：
其中，Δpi—降水引起的附加有效应力，Esi—第i层土的压缩模量，Hi—第i层土的厚度。
进一步，按照一维压缩假设条件下的土层压缩量计算为理论值，实际降水过程中最终的地面沉降观测值与理论值有一定的比例关系，通过抽水试验中距离抽水井不同距离的监测点的地面沉降观测值与理论计算值进行比较，计算出适用于本工程场地的沉降经验值φs，将沉降经验系数φs代入到原计算公式，得到较为准确的地面沉降预估值
进一步，所有地面沉降的预估值是依据参数反演后导出的降深数据基础上计算，由于导出的数据为Visual Modflow建模范围内所有平面点对应的降深值，因此最终根据导出数据计算的预估地面沉降值也是对应该场地建模范围内所有数据点的预估地面沉降值，通过将计算数值导入到专业地理数据网格化绘图软件Sufer中，将其与初始导入的场地模型边界条件完全拟合，最终得到整个工程场地范围降压降水引起的周边地面沉降等值线云图。
本发明的有益效果为：
本发明所采用的方法主要采用了两大数值模型进行建模计算和显示，所呈现的周边沉降结果更直观，能直接显示工程场地影响范围内附近任意建筑物的预测沉降值；本方法在数值模型计算和理论计算的基础上增加了试验观测数据的修正，试验数据能够确保数值模型的准确性，确保最终的预测沉降值也更为准确符合现场实际；根据本方法预测降压降水引起的地面沉降也能提前给基坑降压降水施工运行提供参考，确保正式抽水过程中按需抽水，保证工程安全施工质量。
附图说明
图1为本发明的预测降压降水引起地面沉降的方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的一种预测降压降水引起地面沉降的方法，通过一系列步骤预先计算出承压水抽水引起整个场地的降深等值线，再根据抽水试验观测数据校正模型得出合理的水文地质参数，使得降水运行的计算值接近实际抽水后的水位观测值，在正确降水运行数据导出后利用分层总和法计算出所有承压含水层的压缩量并利用抽水试验观测的地面沉降观测点数值进行修正，最终将修整后所有数据点代入专业地理数据网格化绘图软件中直观显示出降压降水引起的周边地面沉降。
如图1所示，本发明的实施步骤如下：
步骤一：Visual Modflow三维地下水流模型建立
Visual Modflow进行三维数值模拟时，首先选择地质勘探孔中承压含水层顶板最高的一个勘测点作为土层分层的依据，建立好土层模型后，主要通过地勘报告中的渗透系数、贮水率、承压含水层水头高度等水文地质参数输入模型；根据经验确定合适的抽水量和时间，最终计算出整个场地的降深等值线。
步骤二：参数反演
参数反演前应进行专项抽水试验，每天按照抽水试验要求规定频率观测抽水量Q和观测井内的水位降深值s，将Q-s数据编辑成Excel表格形式导入到最初所建立的三维地下水数值模型中再次运行，通过不断调整Kx，Ky，Kz和Ss进行重复运行，使得模型的计算值与实际观测值趋势能完全拟合，反演适合本场地的水文地质参数。
其中，Kx—以x轴为主轴方向的渗透系数，Ky—以y轴为主轴方向的渗透系数，Kz—以z轴为主轴方向的渗透系数，Ss—储水系数。
步骤三：论土层压缩量计算
在一维压缩的条件下，每一层的承压含水层压缩变形量应按如下公式计算：
其中，s—对应承压含水层抽水的土层压缩变形量,H—承压含水层厚度；Es—对应承压含水层深度下的土层压缩模量；Δp—降水引起的竖向应力变化，Δp＝γw·Sw，其中γw为水重度，Sw—对应承压含水层的降深值。该降深结果Sw应从反演参数完毕的VisualModflow模型中导出。
将模型中所有不同承压含水层降水运行后的降深数据导出，导出数据在Excel表格中排列顺序为X，Y，Z，Sw。利用分层总和法，整个地层降压降水引起的理论的土层压缩总量s总计算如下：
其中，Δpi—降水引起的附加有效应力，Esi—第i层土的压缩模量，Hi—第i层土的厚度。
步骤四：理论计算值修正
通过抽水试验中距离抽水井不同距离的监测点的地面沉降观测值与理论计算值进行比较，计算出适用于本工程场地的沉降经验值φs。将沉降经验系数φs代入到原计算公式，得到较为准确的地面沉降预估值
步骤五：预估地面沉降值导入Sufer模型
通过将计算数值导入到专业地理数据网格化绘图软件Sufer中，将其与初始导入的场地模型边界条件完全拟合，最终可得到整个工程场地范围降压降水引起的周边地面沉降等值线云图。
本发明的背景工程基坑开挖深度最深为18m，开挖范围以下主要影响的土层为⑦2层承压含水层。承压水顶板最浅埋深约27.4m，通过抗突涌计算，基坑开挖到底的安全系数仅为0.75≦1.05，说明本工程有承压水突涌的风险。地下连续墙墙深44m，墙趾位于⑦2层承压含水层，未隔断承压含水层，属于悬挂式止水帷幕承压水降压降水。
根据上述发明步骤一，首先根据地勘报告中的相关参数，在visual modflow模型中建模计算，得到最终场地降压降水的降深等值线。
根据本发明步骤二所述，根据抽水试验中的流量与水位观测记录代入模型中进行参数反演。将模型中的抽水时间t与抽水流量完全按照抽水试验记录情况修改一致，通过不断调整Kh，Kv及μs，最终使得模型计算结果与抽水试验记录的降深数值及趋势基本拟合。反演后适用于本场地的含水层水力参数如下表1所示。
表1含水层水力参数建议取值
根据本发明步骤三所述，在得到准确的模型后再次进行运算，得到更为符合实际的降深等值线。
根据本发明步骤四所述，东边主要影响建筑厂房的降压降水引起的预估的地面沉降计算如下：
其中，修正后的沉降为计算沉降乘以沉降经验系数后的数值。沉降经验系数根据抽水试验报告中的地表沉降监测数值与理论数值推算得出，抽水试验报告中中间地面沉降点为3.73mm，而实际计算沉降为12mm，因此沉降经验系数推算为0.3。
最后，根据本发明步骤五所述，将计算数值导入到专业地理数据网格化绘图软件Sufer中，将其与初始导入的场地模型边界条件完全拟合，最终可得到整个工程场地范围降压降水引起的周边地面沉降等值线云图。
Claims (7)
1.一种预测降压降水引起地面沉降的方法，其特征在于：首先，利用地下水模拟软件Visual Modflow进行三维地下水流的模拟，再根据其运行计算结果降深等值曲线导出对应承压含水层的降深数据；然后，在项目实施范围场地内进行抽水试验，开启部分试验井，观测抽水量及降深情况，将实际观测数据带回到数值模型中反演适合本场地的水文地质参数；在一维压缩的条件下，利用分层总和法计算出不同承压含水层抽水引起的土层压缩变形量，将其与抽水试验中观测的地面沉降值比较计算出沉降经验系数；将所计算的沉降经验系数代入原沉降计算公式中，使得预估沉降量更接近实际；最终将所有数据点的沉降，按照坐标及沉降的形式导入到专业地理数据网格化绘图软件Sufer中，最终形成该场地降压降水引起的周边地面沉降等值线云图。
2.根据权利要求1所述的预测降压降水引起地面沉降的方法，其特征在于：在地下水模拟软件Visual Modflow进行三维数值模拟时，首先选择地质勘探孔中承压含水层顶板最高的一个勘测点作为土层分层的依据，建立好土层模型后，将地勘报告中的渗透系数、贮水率、承压含水层水头高度的水文地质参数输入模型；根据经验确定所需的抽水量和时间，最终计算出整个场地的降深等值线。
3.根据权利要求1所述的预测降压降水引起地面沉降的方法，其特征在于：在修正地表沉降前，应进行专项抽水试验，每天按照抽水试验要求规定频率观测抽水量Q和观测井内的水位降深值s，将Q-s数据编辑成Excel表格形式导入到最初所建立的三维地下水数值模型中再次运行，通过不断调整Kx，Ky，Kz和Ss进行重复运行，使得模型的计算值与实际观测值趋势能完全拟合，反演适合本场地的水文地质参数，其中，Kx—以x轴为主轴方向的渗透系数，Ky—以y轴为主轴方向的渗透系数，Kz—以z轴为主轴方向的渗透系数，Ss—储水系数。
4.根据权利要求1所述的预测降压降水引起地面沉降的方法，其特征在于：在一维压缩的条件下，每一层的承压含水层压缩变形量按如下公式计算：
其中，s—对应承压含水层抽水的土层压缩变形量,H—承压含水层厚度；Es—对应承压含水层深度下的土层压缩模量；Δp—降水引起的竖向应力变化，Δp＝γw·Sw，其中γw为水重度，Sw—对应承压含水层的降深值。
5.根据权利要求4所述的预测降压降水引起地面沉降的方法，其特征在于：对应承压含水层土层的竖向应力变化由于地下水的水位变化引起，该降深结果Sw应从反演参数完毕的Visual Modflow模型中导出，将Visual Modflow模型中所有不同承压含水层降水运行后的降深数据导出，导出数据在Excel表格中排列顺序为X，Y，Z，Sw，利用分层总和法，整个地层降压降水引起的理论的土层压缩总量s总计算如下：
其中，Δpi—降水引起的附加有效应力，Esi—第i层土的压缩模量，Hi—第i层土的厚度。
6.根据权利要求5所述的预测降压降水引起地面沉降的方法，其特征在于：按照一维压缩假设条件下的土层压缩量计算为理论值，实际降水过程中最终的地面沉降观测值与理论值有一定的比例关系，通过抽水试验中距离抽水井不同距离的监测点的地面沉降观测值与理论计算值进行比较，计算出适用于本工程场地的沉降经验值φs，将沉降经验系数φs代入到原计算公式，得到较为准确的地面沉降预估值
7.根据权利要求1所述的预测降压降水引起地面沉降的方法，其特征在于：所有地面沉降的预估值是依据参数反演后导出的降深数据基础上计算，由于导出的数据为VisualModflow建模范围内所有平面点对应的降深值，因此最终根据导出数据计算的预估地面沉降值也是对应该场地建模范围内所有数据点的预估地面沉降值，通过将计算数值导入到专业地理数据网格化绘图软件Sufer中，将其与初始导入的场地模型边界条件完全拟合，最终得到整个工程场地范围降压降水引起的周边地面沉降等值线云图。
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| CN116822251A (zh) * | 2023-08-28 | 2023-09-29 | 中国地质大学（北京） | 多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降计算方法 |
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