CN114741924B - 承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及地下建筑防排水技术领域，涉及一种承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算方法，包括：一、建立流阻网络模型；基于流阻网络模型，计算导排水量，提取影响导排量的因素；二、敏感性分析；通过敏感性分析筛选敏感因素，基于地质条件与工程实际，可确定的敏感因素为定值参数，其余为变值参数，探究变值参数间的交互关系；三、全尺寸模拟；基于敏感因素数量，设计全尺寸模拟方案，并分别计算导排量；四、快速计算公式拟合；根据敏感因素数量及交互关系确定拟合公式形式，带入全尺寸模拟结果得到工程快速计算公式。本发明给出承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算公式拟合方法及流程，实现快速且准确的工程计算。

Description

承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算方法
技术领域
本发明涉及地下建筑防排水技术领域，具体地说，涉及一种承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算方法。
背景技术
近年来，传统的浅埋地下空间已不能满足军事、经济和社会的发展需求，因此，深埋空间的发展势在必行。一般认为地表以下50m的建筑为深埋建筑。探寻深埋地下空间的首要任务是对深部岩土力学的研究。在此基础上，还应完善配套学科发展，为地下空间的发展提供技术保障。其中，防排水设计是重要方向之一，地下建筑防排水系统设计不合理可引发透水事故，威胁生命财产安全。深埋地下空间高水压的特点对防排水要求更高。因此，深度关注深埋地下空间的防排水设计至关重要。其中，导排水量的计算是设计的重要参数。此外，对于大部分地区而言，承压含水层是地表50m以下不可避免的地质构成，然而，目前承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程计算过程繁琐、计算时间长。
发明内容
本发明的内容是提供一种承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算方法，其能够解决目前承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程计算过程繁琐、计算时间长的问题，能够可简化工程计算过程，缩短计算时间。
根据本发明的一种承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算方法，其包括以下步骤：
一、建立流阻网络模型；基于流阻网络模型，计算导排水量，提取与导排量相关的影响因素；
二、敏感性分析；通过敏感性分析确定影响导排水量的敏感因素，结合工程实际与地质特点可确定的敏感因素为定值参数，其余为变值参数，并探究变值参数之间的交互关系；
三、进行全尺寸模拟；基于敏感因素的数量，设计合理的全尺寸模拟方案，并根据方案分别进行步骤一的导排水量计算；
四、快速计算公式拟合；根据敏感因素数量及交互作用确定拟合公式形式，带入步骤三的全尺寸模拟结果进行工程快速计算公式拟合。
作为优选，步骤一中，基于改进阻力系数法和电类比法，建立包含两个传质过程的流阻网络模型；两个传质过程为：传质过程1：承压含水层内多孔介质的传质过程；传质过程2：室内与衬砌外水压形成的衬砌内传质。
作为优选，流阻网络模型中，根据质量守恒定律，可计算承压含水层内压力水头分布，公式整理如下：
AA·Hi＝BB·Hi+1+CC·Hi-1+FF
H为压力水头；下标i为含水层节点编号，i＝1～n；AA/BB/CC/FF为系数；
其中，i＝1：
Figure BDA0003592849390000021
i＝2：
Figure BDA0003592849390000022
i＝3：
Figure BDA0003592849390000031
i＝4～n-3：
Figure BDA0003592849390000032
i＝n-2：
Figure BDA0003592849390000033
i＝n-1：
Figure BDA0003592849390000034
i＝n：
Figure BDA0003592849390000041
R为流阻；下标sec为二次衬砌外侧；下标pre为初期支护外侧；下标g1为左侧墙注浆层；下标p1为左侧墙初期支护；下标s1为左侧墙二次衬砌；下标g2为顶墙注浆层；下标p2为顶墙初期支护；下标s2为顶墙二次衬砌；下标g3为右侧墙注浆层；下标p3为右侧墙初期支护；下标s3为右侧墙二次衬砌。
其中，
Figure BDA0003592849390000042
Rp/g＝δ/S/K
其中，
Figure BDA0003592849390000043
ξ为系数；K为渗透系数；δ为厚度；S为建筑高度；L2为建筑宽度；M为含水层平均高度；L为含水层边界与建筑侧墙之间的距离；
边界条件设置如下：
Figure BDA0003592849390000044
下标in为含水层入口；下标out为含水层出口；下标0为大气压；
将上述条件带入，得到一个以含水层压力水头为变量的三对角阵，通过采用Thomas算法进行求解；
含水层内流量计算如下：
Figure BDA0003592849390000051
J为含水层内的水流量；
导排量＝Jin-Jout。
作为优选，步骤二中，敏感性分析的方法为：通过步骤一中的模型计算，得到影响隧道导排量的所有因素，对所有参数继续敏感性分析，通过敏感性分析得到影响导排量的敏感因素，结合工程实际与地质特点，可确定的敏感因素称为定值参数，其余则为变值参数，并探究变值参数之间的交互关系。
作为优选，步骤三中，全尺寸模拟的方法为：结合步骤二中的变值参数，设计合理的全尺寸模拟方案，并根据方案分别进行步骤一的导排水量计算。
作为优选，步骤四中，快速计算公式拟合的方法为：导排量的拟合是含水层进出口水量的拟合；考虑步骤二中敏感因素的数量及其之间的交互关系，确定拟合公式的具体类型；若变量较多且交互作用较强，采用分两次进行拟合的方法，即，将因素分为两组，一组作为拟合公式的自变量，另一组则用来拟合自变量的系数；最后对拟合公式对于模拟结果的拟合度进行分析。
本发明提出的工程导排水量的快速计算方法适用于承压含水层内的深埋建筑，不同地区可通过此方法及流程进行工程计算公式的拟合，与步骤一中模拟结果的拟合度较高，实现快速且准确的计算，后续可直接用于该地区的防排水设计。
附图说明
图1为实施例1中一种承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算方法的流程图；
图2为实施例1中整体物理模型；
图3为实施例1中改进阻力系数法的含水层区域划分；
图4为实施例1中承压含水层流阻网络模型的示意图；
图5为实施例1中衬砌结构物理模型；
图6为实施例1中衬砌流阻网络模型的示意图；
图7为实施例1中衬砌/承压含水层耦合流阻网络模型示意图；
图8为实施例1中公式拟合流程示意图；
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算方法，其包括以下步骤：
一、建立流阻网络模型；基于流阻网络模型，计算导排水量，提取与导排量相关的影响因素；
步骤一中，建筑地基位于基岩中，顶板位于承压含水层中，物理模型如图2所示。基于改进阻力系数法和电类比法，建立包含两个传质过程的流阻网络模型，两个传质过程为：传质过程1：承压含水层内多孔介质的传质过程；传质过程2：室内与衬砌外水压形成的衬砌内传质，衬砌由注浆层、初期支护和二次衬砌组成。
流阻网络模型中，假设如下:
a、假定隔水层和基岩是水平的、不透水的；
b、承压含水层内为饱和多孔介质；
c、模型中所有传质过程均遵循达西定律；
d、水力参数设为常数；
e、忽略重力影响；
f、整体区域达到稳定状态。
根据质量守恒定律，可计算承压含水层内压力水头分布，整个区域中存在两个传质过程，根据压力场分析，承压含水层与衬砌交界处为压力连续边界，因此，分别对承压含水层和衬砌传质建立数理模型。承压含水层内多孔介质的传质数理模型如图3、4所示，根据改进阻力系数法的区域划分原则，初步将承压含水层划分为5个区域。衬砌内部的传质如图5、6所示，衬砌由注浆层、初期支护和二次衬砌组成，即可看作3部分流阻，排水一般设置在初期支护与二次衬砌之间，此外，对于一级防水工程而言，规范要求无渗透水，因此通过二次衬砌的水量为0，那么计算通过初期支护的水量即为建筑导排水量。在上述两个模型的基础上，通过压力连续边界对二者进行耦合，如图7所示，在含水层入口至建筑左侧墙(区域1)以及建筑右侧墙至含水层出口区域(区域5)不存在质量损失，因此可看作一个整体进行计算，对于建筑顶墙上方的区域(区域3)，沿程存在向衬砌内部的质量损失，因此需要沿程进行有限元划分，使计算结果更加精确。最终，承压含水层内压力水头公式整理如下：
AA·Hi＝BB·Hi+1+CC·Hi-1+FF
H为压力水头；下标i为含水层节点编号，具体参见图7，i＝1～n；AA/BB/CC/FF为系数；
其中，i＝1：
Figure BDA0003592849390000071
i＝2：
Figure BDA0003592849390000081
i＝3：
Figure BDA0003592849390000082
i＝4～n-3：
Figure BDA0003592849390000083
i＝n-2：
Figure BDA0003592849390000084
i＝n-1：
Figure BDA0003592849390000091
i＝n：
Figure BDA0003592849390000092
R为流阻；下标sec为二次衬砌外侧；下标pre为初期支护外侧；下标g1为左侧墙注浆层；下标p1为左侧墙初期支护；下标s1为左侧墙二次衬砌；下标g2为顶墙注浆层；下标p2为顶墙初期支护；下标s2为顶墙二次衬砌；下标g3为右侧墙注浆层；下标p3为右侧墙初期支护；下标s3为右侧墙二次衬砌。
其中，
Figure BDA0003592849390000093
Rp/g＝δ/S/K
其中，
Figure BDA0003592849390000094
ξ为系数；K为渗透系数；δ为厚度；S为建筑高度；L2为建筑宽度；M为含水层平均高度；L为含水层边界与建筑侧墙之间的距离；
边界条件设置如下：
Figure BDA0003592849390000101
下标in为含水层入口；下标out为含水层出口；下标0为大气压；
将上述条件带入，得到一个以含水层压力水头为变量的三对角阵，通过采用Thomas算法进行求解；
含水层内流量计算如下：
Figure BDA0003592849390000102
J为含水层内的水流量；
导排量＝Jin-Jout
二、敏感性分析；通过敏感性分析确定影响导排水量的敏感因素，并对敏感因素间的交互关系进行探究，结合工程实际与地质特点可确定的敏感因素为定值参数，其余为变值参数；
通过步骤一中的模型计算，得到影响隧道导排量的所有因素，对所有参数进行敏感性分析，通过敏感性分析得到影响导排量的敏感因素，结合工程实际与地质特点，可确定的敏感因素称为定值参数，其余则为变值参数，并探究变值参数之间的交互关系。
三、进行全尺寸模拟；对变值参数进行全尺寸模拟；
步骤三中，全尺寸模拟的方法为：结合步骤二中的变值参数，设计合理的全尺寸方案，并根据方案分别进行步骤一的导排水量计算，由于该模型计算时间较短，因此，做全尺寸模拟是现实的。
四、快速计算公式拟合；根据敏感因素数量及交互作用确定拟合公式形式，带入步骤三的全尺寸模拟结果进行工程快速计算公式拟合。
步骤四中，快速计算公式拟合的方法为：深埋地下空间的导排量与含水层进出口水量相关，进口水量(Jin)与出口水量(Jout)之差即为导排量，因此导排量的拟合也是含水层进出口水量的拟合；考虑步骤二中交互影响显著，确定拟合公式的具体类型；若变量较多且交互作用较强，那么很难直接进行拟合，可采用分两次进行拟合的方法，即，将因素分为两组，一组作为拟合公式的自变量，另一组则用来拟合自变量的系数；最后对拟合公式对于模拟结果的拟合度进行分析，如图8所示。
实施例2
以成都地区承压含水层内深埋建筑为例，进行导排水量公式拟合。
(1)建立流阻网络模型；
(2)敏感性分析；
基于敏感性分析，承压含水层平均厚度、承压含水层进口水压、承压进出口水压差、建筑尺寸、围岩渗透系数、初期支护厚度、初期支护渗透系数、二次衬砌厚度、二次衬砌渗透系数均为敏感因素。结合成都地区地质条件，承压含水层平均厚度为70m，围岩渗透系数为1e-5m/s，结合工程实际，Ⅴ类围岩初期支护厚度30cm，渗透系数1e-7m/s，二次衬砌厚度为45cm，渗透系数1e-8m/s。其他参数则为变值参数，包括含水层进口水压，进出口水压差及建筑尺寸。此外，变值参数间交互影响显著。
(3)全尺寸模拟
结合步骤(2)中的变值参数，成都地区的适用性范围：Hin≤800m；ΔH＝0～60m；S＝5m～60m；L2＝10m～80m。每个因素选取8个数值，即为4因素8水平全尺寸模拟方案。
(4)快速计算公式拟合
考虑步骤(2)中交互影响显著，拟合公式应考虑二次项，但是变值参数有4个，数量较多，直接交互关系复杂，因此采用图8中的方法，具体步骤如下：
A、第一阶段选择2个自变量(S和L2)，考虑交互关系，设二项因子为S、L2、S2、L22和S·L2。这一步可以得到初始拟合公式，但系数并非定值；
B、系数不定的原因是存在Hin和ΔH，因此第二阶段以Hin和ΔH为变量对系数进行拟合；
C、结合上述两步得到最终的拟合公式。
将步骤(3)中4因素8水平全尺寸实验的结果带入到此方法中进行计算，得到：
Jin＝302.415ΔH-0.187Hin+(-0.263ΔH+0.324Hin)·S+(-1.881ΔH+0.158Hin)·L2-0.032ΔH·S2+0.008ΔH·L22-0.003ΔH·S·L2
Jout＝302.228ΔH-0.187Hin+(0.062ΔH-0.324Hin)·S+(-1.723ΔH+0.158Hin)·L2-0.033ΔH·S2+0.008ΔH·L22-0.003ΔH·S·L2
导排量＝Jin-Jout
该公式拟合度达到99.8％，因此可以将该公式用于今后成都地区承压含水层周围地下空间导排量的工程计算中。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、建立流阻网络模型；基于流阻网络模型，计算导排水量，提取与导排水量相关的影响因素；
步骤一中，基于改进阻力系数法和电类比法，建立包含两个传质过程的流阻网络模型；两个传质过程为：传质过程1：承压含水层内多孔介质的传质过程；传质过程2：室内与衬砌外水压形成的衬砌内传质；
流阻网络模型中，根据质量守恒定律，可计算承压含水层内压力水头分布，如下：
AA·Hi＝BB·Hi+1+CC·Hi-1+FF
H为压力水头；下标i为含水层节点编号，i＝1～n；AA/BB/CC/FF为系数；
其中，i＝1：
Figure FDA0003947768290000011
i＝2：
Figure FDA0003947768290000012
i＝3：
Figure FDA0003947768290000021
i＝4～n-3：
Figure FDA0003947768290000022
i＝n-2：
Figure FDA0003947768290000023
i＝n-1：
Figure FDA0003947768290000024
i＝n：
Figure FDA0003947768290000031
R为流阻；下标sec为二次衬砌外侧；下标pre为初期支护外侧；下标g1为左侧墙注浆层；下标p1为左侧墙初期支护；下标s1为左侧墙二次衬砌；下标g2为顶墙注浆层；下标p2为顶墙初期支护；下标s2为顶墙二次衬砌；下标g3为右侧墙注浆层；下标p3为右侧墙初期支护；下标s3为右侧墙二次衬砌；
其中，
Figure FDA0003947768290000032
Rp/g＝δ/S/K
其中，
Figure FDA0003947768290000033
为系数；K为渗透系数；δ为厚度；S为建筑高度；L2为建筑宽度；M为含水层平均高度；L为含水层边界与建筑侧墙之间的距离；
边界条件设置如下：
Figure FDA0003947768290000034
下标in为含水层入口；下标out为含水层出口；下标0为大气压；
将上述条件带入，得到一个以含水层压力水头为变量的三对角阵，通过采用Thomas算法进行求解；
含水层内流量计算如下：
Figure FDA0003947768290000041
J为含水层内的水流量；
导排水量＝Jin-Jout；
二、敏感性分析；通过敏感性分析确定影响导排水量的敏感因素，结合工程实际与地质特点认为是定值的敏感因素为定值参数，其余为变值参数，并探究变值参数之间的交互关系；
三、进行全尺寸模拟；基于敏感因素的数量，设计合理的全尺寸模拟方案，并根据方案分别进行步骤一的导排水量计算；
步骤三中，全尺寸模拟的方法为：结合步骤二中的变值参数，设计合理的全尺寸模拟方案，并根据方案分别进行步骤一的导排水量计算；
四、快速计算公式拟合；根据敏感因素数量及交互作用确定拟合公式形式，带入步骤三的全尺寸模拟结果进行工程快速计算公式拟合。
2.根据权利要求1所述的承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算方法，其特征在于：步骤二中，敏感性分析的方法为：通过步骤一中的模型计算，得到影响隧道导排水量的所有因素，通过敏感性分析得到影响导排水量的敏感因素，结合工程实际与地质特点，可确定的敏感因素称为定值参数，其余则为变值参数，并探究变值参数之间的交互关系。
3.根据权利要求2所述的承压含水层内深埋地下建筑导排水量的工程快速计算方法，其特征在于：步骤四中，快速计算公式拟合的方法为：导排水量的拟合是含水层进出口水量的拟合；考虑步骤二中变值参数的数量及交互关系，确定拟合公式的具体类型；若变量较多且交互作用较强，采用分两次进行拟合的方法，即，将因素分为两组，一组作为拟合公式的自变量，另一组则用来拟合自变量的系数；最后通过拟合公式与步骤一模拟结果的拟合度进行验证。
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