CN115408886A - 一种水利工程控制地下结构沉降的降排水系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种水利工程控制地下结构沉降的降排水系统及方法，属于水利工程技术领域，通过建立水位观测井流量与承压含水层渗透关联模型，确定水位观测井流量与上承压含水层厚度h和基坑深度H的关系，建立降水沉降模型，确定降水沉降曲线，求取回灌井周围水层的渗透系数和回灌压力系数，基于基坑降水引发的地面沉降量，建立考虑防水屏障体系力学分析模型，利用防水屏障体系力学分析模型，确定基坑深层底部防水屏障深度与厚度的相关函数，结合基坑深层底部防水屏障深度与厚度总和为定值的约束函数，利用所述确定的两条函数交点，确定最佳的基坑深层底部防水屏障设计参数，解决了现有技术中基坑施工作业的效率和降排水系统质量不高的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种水利工程控制地下结构沉降的降排水系统及方法，属于水利工程技术领域。
背景技术
在基坑施工中，地下水问题长期困扰着广大学者和施工人员，己成为工程施工中的一大障碍。在某些地下水位较高的区域，土方开挖导致含水层断裂，由于压力差的作用，基坑中必然会流入大量地下水。若不及时进行降排水工作，基坑的持续渗水将造成现场施工条件变差以及地基承载力下降，甚至还会引起管涌、流砂和边坡失稳等险情。在暗挖段较多且降水不到位的基础工程中，侧壁滞留水很可能直接影响到暗挖施工的进度和安全；而对于支护结构与主体结构之间没有肥槽和有效防水材料的明挖段，降水效果的要求同样较严格。
基坑施工中，为避免产生流砂、管涌、坑底突涌，防止坑壁土体的坍塌，保证施工安全和减少基坑开挖对周围环境的影响，当基坑开挖深度内存在饱和软土层和含水层及坑底以下存在承压含水层时，需要选择目标方法进行基坑降水与排水。
基坑降水与排水作为一种常见的施工技术，在我国各地进行了大范围的应用，既可见于市政工程、交通工程，也可见于水利工程，且目前常用的降排水方法有明沟排水，轻型井点，喷射井点，砂(砾)渗井，电渗井点，管井等，其中明沟排水多用于降深＜5m的情况，而管井多用于降深＞10m的地质条件。
由于施工场地的多样性及地质条件的复杂性，基坑开挖的降排水措施虽然有统一的设计标准，但在实际施工中常常需结合工程的实际情况进行分析，选择最适合的降排水方法。
管井降水是种有效的降水手段，在多数基坑开挖过程中可有效降低地下水位，保障基坑开挖施工过程中的安全。
多层地质条件下的降水工程比较复杂，特别是当降水深度恰处于弱透水层上时，由于弱透水层的顶托作用，降水井点的水位往往处在弱透水层顶板高程，无法继续下降，加上地下水的绕渗作用，在无其他措施的情况下，基坑水位通常高于弱透水层顶板高程。
在多层地质条件下，采用管井降水后，当开挖接近降水后地下水位时，可结合明沟排水，快速疏干基坑内弱透水层顶板高程上方的部分地下水，明沟排水施工工艺与潜水条件下施工工艺一致。
例如专利文献CN201811601545.2，提出了一种水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法，包括基坑地质数据采集，对获取的各项数据进行分类汇总，并确定数据统计列表和基坑施工位置地质剖面图；设计校核管井布局方案，据已确定的布井位置，按水位降落漏斗区的降水曲线顶面必须低于基底高程1.0m来反求井底水面线，从而可得出井底水面线高程；管井出水量校核及管井施工作业，在完成轻型井点施工后接通总管和抽水系统，进行试抽，检查抽水效果。但是该技术方案虽然简化了排水施工作业的施工量，但是基坑施工作业的效率和质量仍有待提高。
例如专利文献CN201310068635.0，提出了一种基坑施工管井降水方法，为沿基坑周围距基坑外缘1.5m布置，在基坑左右侧各布置一排管井，每侧布置3口井，管井布置数量根据降水的效果增加或减少。井中心距离建筑物边线为1.5m，井间距为7m，井口直径为600mm，井管分节安装，随基坑开挖逐节拆除至开挖面以上30cm，结构施工期间井内常水位高程控制在48.0m以下，以保证土体地下水位低于基坑底面0.5m。施工程序为：井位放样→做井口、安护筒→钻机就位、钻孔→回填井底砂垫层→吊放井管→回填管壁与孔壁间的过滤层→安装抽水控制电路→试抽→降水井正常工作，其目的在于采用在地下水位较高地区进行基础施工，降低地下水位，为基础结构施工提供一个干燥的作业环境。但是该技术方案随着基坑的开挖越来越深、面积越来越大，基坑围护结构的设计和施工越来越复杂，基坑施工作业的效率和质量仍有待提高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种水利工程控制地下结构沉降的降排水方法，其特征在于，包括：
S1、建立水位观测井流量与承压含水层渗透关联模型；
S2、将多个回灌井的水势进行叠加，构建降水沉降模型；
S3、确定降水沉降曲线，求取回灌井周围水层的渗透系数和回灌压力系数；
S4、基于基坑降水引发的地面沉降量，确定最佳的基坑防水屏障体系设计参数。
进一步地，步骤S1中，
对于下承压含水层水流，在深度为H的水平面内，位置为（x,y）处的地下水运动的控制方程为：
式中，K为下承压含水层渗透系数；M为下承压含水层厚度；H为基坑深度，μ*为下承压含水层贮水系数，t为时间，
为承压层单位时间单位面积的垂直补给量；
水位观测井流量与承压含水层渗透关联模型为：
上承压含水层厚度为h；
为上承压含水层渗透系数。
进一步地，步骤S2中，降水沉降模型为：
式中：S为基坑降水引发的地面沉降量；
为累计出水量；k为回灌井周围水层的渗透系数；a为回灌压力系数；上承压含水层厚度为h 和基坑深度为H；qi为第i个回灌井出水量；ri为第i个回灌井至计算点距离。
进一步地，步骤S3中，渗透系数k和回灌压力系数a为：
式中，B为降水沉降曲线斜率；t0为降水沉降曲线在横轴交点处时间。
进一步地，步骤S4包括如下步骤：
S41、获取基坑场地的土层划分信息、基坑尺度信息、承压含水层信息和土层渗透性，得到基坑现场土层水文地质信息，建立考虑防水屏障体系力学分析模型：
其中，
为基坑底部土体的浮重度；
为底部防水屏障的浮重度；保障参数为Fs，B为基坑宽度，ku为基坑竖直防水屏障外部水层等效渗透系数；ks为基坑底部水层的渗透系数；hw为水位到基坑开挖底部的高度；hs为底部防水屏障深度；hg为底部防水屏障厚度；q为基坑单位面积的底部防水屏障允许的水渗出量，
为水的重度；
S42、选定目标保障参数以及水渗出量，利用防水屏障体系力学分析模型，确定基坑深层底部防水屏障深度与厚度相关函数，结合基坑深层底部防水屏障深度与厚度总和为定值的约束函数，利用两个函数交集，确定最佳的基坑深层底部防水屏障设计参数。
本发明还提出了一种水利工程控制地下结构沉降的降排水系统，用于实现降排水方法，包括：
渗透关联模型构建单元，用于建立水位观测井流量与承压含水层渗透关联模型；
降水沉降模型构建单元，用于将多个回灌井的水势进行叠加，构建降水沉降模型；
系数计算单元，用于确定降水沉降曲线，求取回灌井周围水层的渗透系数和回灌压力系数；
防水屏障体系设计单元，用于基于基坑降水引发的地面沉降量，确定最佳的基坑防水屏障体系设计参数。
进一步地，所述防水屏障体系设计单元包括：力学分析模型构建模块和设计参数确定模块，
所述力学分析模型构建模块，用于建立考虑防水屏障体系力学分析模型；
所述设计参数确定模块，选定目标保障参数以及水渗出量q，利用防水屏障体系力学分析模型，确定基坑深层底部防水屏障深度与厚度相关函数，结合基坑深层底部防水屏障深度与厚度总和为定值的约束函数，利用两个函数交集，确定最佳的基坑深层底部防水屏障设计参数。
本发明的技术效果在于：1、本发明通过建立水位观测井流量与承压含水层渗透关联模型，确定了降排水系统中水位观测井流量与上承压含水层厚度h 和基坑深度H的关系，从而可以根据该关系准确快速地确定基坑深度的设计值，保证降排水系统的稳定性；2、通过建立降水沉降模型，确定基坑降水引发的地面沉降量及最佳的基坑防水屏障体系设计参数，保证了基坑施工作业的效率，提高了降排水系统的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的水利工程控制地下结构示意图；
图2为本发明的水利工程控制地下结构沉降的降排水方法的流程示意图；
图3为本发明的水利工程控制地下结构沉降的降排水系统的示意图；
图4为本发明的沉降量计算值与实测值拟合图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
如图1所示，在基坑2内设置降压井3，基坑与被保护建筑物之间设置多个回灌井，图1中仅以第一回灌井5和第二回灌井8为例代表多个回灌井，但不局限于此，第一回灌井5与被保护建筑物之间设置一个水位观测井9；水位观测井9动态观测被保护建筑物位置处承压含水层水位的变化，用以动态调控第一回灌井5和第二回灌井8。
承压含水层包括上承压含水层41和下承压含水层42，下承压含水层水流主要以水平流动为主，而上承压含水层水流主要以垂直流动为主，以基岩面10为基准面。防水屏障体系包括竖直防水屏障12和底部防水屏障14。
如图2所示，为本发明的水利工程控制地下结构沉降的降排水方法的流程示意图，该降排水方法包括如下步骤：
S1、建立水位观测井流量与承压含水层渗透关联模型。观测井流量与降压井流量变化相同。
对于下承压含水层水流，在深度为H的水平面内，位置为（x,y）处的地下水运动的控制方程为：
式中，K为下承压含水层渗透系数；M为下承压含水层厚度；H为基坑深度，μ*为下承压含水层贮水系数，t为时间，
为承压层单位时间单位面积的垂直补给量。
其中，
，Q为水位观测井流量，对于研究的区域范围D内，
，则水位观测井流量与承压含水层渗透关联模型为：
Q为水位观测井流量；上承压含水层厚度为h；
为上承压含水层渗透系数。
通过上述关联模型即可确定水位观测井流量与上承压含水层厚度h 和基坑深度H的关系。
S2、将多个回灌井的水势进行叠加，降水沉降模型为：
式中：S为基坑降水引发的地面沉降量；
为累计出水量；k为回灌井周围水层的渗透系数；a为回灌压力系数；上承压含水层厚度为h 和基坑深度为H；qi为第i个回灌井出水量；ri为第i个回灌井至计算点距离。
S3、确定降水沉降曲线，求取回灌井周围水层的渗透系数和回灌压力系数：
式中，B为降水沉降曲线斜率；t0为降水沉降曲线在横轴交点处时间。
S4、基于基坑降水引发的地面沉降量，确定最佳的基坑防水屏障体系设计参数。
在防水屏障体系内降水，渗流场的特征是下承压含水层的水流向上承压含水层，即基坑底井管内降水来自承压含水层内自下而上的供水补给，基坑内或基坑周围的水层又获得基坑外层供水补给，形成由外而内、由下而上的渗流场渗流路径。
防水屏障体系内部的上方，水位降深随深度变化较快；防水屏障体系内部的下方，水位降深随深度变化较小。在基坑内，离上承压含水层越近，水位降深越大；在基坑外，离上承压含水层越近，水位降深越小。通过对基坑现场土层水文地质信息进行分析，建立了防水屏障体系力学分析模型的计算公式。
S41、获取基坑场地的土层划分信息、基坑尺度信息、承压含水层信息和土层渗透性，得到基坑现场土层水文地质信息，建立考虑防水屏障体系力学分析模型：
其中，
为基坑底部土体的浮重度；
为底部防水屏障的浮重度；保障参数为Fs，B为基坑宽度。
浮重度也叫做有效重度，地下水面以下单位岩土体的体积之有效重力,可由岩土的饱和重度和水的重度之差值求得，是扣除浮力以后的固相重量与土的总体积之比。
浮重度=浮密度(有效密度)×重力加速度(g)。
ku为基坑竖直防水屏障外部水层等效渗透系数；ks为基坑底部水层的渗透系数；hw为水位到基坑开挖底部的高度；hs为底部防水屏障深度；hg为底部防水屏障厚度；q为基坑单位面积的底部防水屏障允许的水渗出量，
为水的重度，重度表示单位体积物质的重量，国际单位制中的单位为N/m3。
S42、选定目标保障参数Fs以及水渗出量q，利用防水屏障体系力学分析模型，确定基坑深层底部防水屏障深度与厚度相关函数，结合基坑深层底部防水屏障深度与厚度总和为定值的约束函数，利用所述确定的两条函数交点，确定最佳的基坑深层底部防水屏障设计参数。
设z为距离回灌井中心轴x处的水流高度，计算渗水断面平均流速v=k×dz/dx，k为渗透系数，渗水断面即基坑侧表面的面积为A，
；
渗水断面的出水量：
，
分离变量，两边进行积分：
取边界条件x=R，z=H求得：
将C代入公式（A）得渗水流场函数：
上式即为渗水流场函数，求得在坑区内，距离回灌井中心轴x处的水位深度z。
式中R为最外围回灌井围成的圆半径，基坑深度为H，k为回灌井周围水层的渗透系数。
降排水系统开始工作后，在基坑周围的一定距离内会形成漏斗状的降落曲面，曲面在离井较远的地方逐步接近原有的地下水位。因此渗水计算中常引入一个近似的概念，认为渗水的影响有一个影响半径，在该影响半径处虚拟设置回灌井，在这个半径以外的区域，地下水位基本不受降排水的影响，地下水仍保持原有地下水位。引入影响半径的概念有助于解决渗水有限元计算中渗水区域大小的确定问题。
降排水过程中，渗水现象发生于影响半径以内。在影响半径之内地下水向抽水井运动，发生水位降落，而影响半径以外地下水位保持恒定，不发生渗水。因此可以借用降水影响半径来帮助确定渗水计算的范围。
在具体实施例中，根据场地要求以及在了解场地地下水渗流特征的前提下,采用参数反演值并根据施工对被保护建筑物深基坑降水在30天后承压水水位降至埋深26m的要求,对基坑降水进行优化方案设计。预测方案采用五个回灌井,单个回灌井抽水量为2200m3/d,基坑中心附近水位降至-22.6m时,基坑周围最大地面沉降量约为2.0cm。图4给出了沉降量计算值与实测值拟合图。
在优选实施例中，进一步地可对不同预测方案的中的防水屏障体系力学分析模型的精度进行验证。
模型精度验证以均方根误差(RMSE)、相对均方根误差(RRMSE)，决定系数(R2)，模型效率系数(Ens)、平均绝对误差(MAE)为模型精度判定指标体系，具体公式如下:
其中，Yi为不同预测方案基于基坑降水引发的地面沉降量，确定的基坑深层底部防水屏障设计参数，Xi为理论的基坑深层底部防水屏障参数;
为Xi的平均值;m为不同预测方案个数。
本实施例引进GPI指数综合判断不同模型的精度，具体公式如下:
式中，
为常数，
为不同指标的缩放值的中位数;yij为不同指标的尺度值。
如图3所示，为本发明的水利工程控制地下结构沉降的降排水系统结构示意图，该降排水系统包括：
渗透关联模型构建单元，用于建立水位观测井流量与承压含水层渗透关联模型。
降水沉降模型构建单元，用于将多个回灌井的水势进行叠加，构建降水沉降模型。
系数计算单元，用于确定降水沉降曲线，求取回灌井周围水层的渗透系数和回灌压力系数。
防水屏障体系设计单元，用于基于基坑降水引发的地面沉降量，确定最佳的基坑防水屏障体系设计参数。
在优选实施例中，防水屏障体系设计单元包括：力学分析模型构建模块和设计参数确定模块。
力学分析模型构建模块，用于建立考虑防水屏障体系力学分析模型。
设计参数确定模块，选定目标保障参数Fs以及水渗出量[q]，利用防水屏障体系力学分析模型，确定基坑深层底部防水屏障深度与厚度相关函数，结合基坑深层底部防水屏障深度与厚度总和为定值的约束函数，利用所述确定的两条函数交点，确定最佳的基坑深层底部防水屏障设计参数。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种水利工程控制地下结构沉降的降排水方法，其特征在于，包括：
S1、建立水位观测井流量与承压含水层渗透关联模型；
S2、将多个回灌井的水势进行叠加，构建降水沉降模型；
S3、确定降水沉降曲线，求取回灌井周围水层的渗透系数和回灌压力系数；
S4、基于基坑降水引发的地面沉降量，确定最佳的基坑防水屏障体系设计参数。
2.根据权利要求1所述的降排水方法，其特征在于，步骤S1中，
对于下承压含水层水流，在深度为H的水平面内，位置为（x,y）处的地下水运动的控制方程为：
式中，K为下承压含水层渗透系数；M为下承压含水层厚度；H为基坑深度，μ*为下承压含
水层贮水系数，t为时间，
为承压层单位时间单位面积的垂直补给量；
水位观测井流量与承压含水层渗透关联模型为：
上承压含水层厚度为h；
为上承压含水层渗透系数。
3.根据权利要求1所述的降排水方法，其特征在于，步骤S2中，降水沉降模型为：
式中：S为基坑降水引发的地面沉降量；
为累计出水量；k为回灌井周围水层的渗透
系数；a为回灌压力系数；上承压含水层厚度为h 和基坑深度为H；qi为第i个回灌井出水量；
ri为第i个回灌井至计算点距离。
4.根据权利要求1所述的降排水方法，其特征在于，步骤S3中，渗透系数k和回灌压力系数a为：
式中，B为降水沉降曲线斜率；t0为降水沉降曲线在横轴交点处时间。
5.根据权利要求1所述的降排水方法，其特征在于，步骤S4包括如下步骤：
S41、获取基坑场地的土层划分信息、基坑尺度信息、承压含水层信息和土层渗透性，得到基坑现场土层水文地质信息，建立考虑防水屏障体系力学分析模型：
其中，
为基坑底部土体的浮重度；
为底部防水屏障的浮重度；保障参数为Fs，B为基
坑宽度，ku为基坑竖直防水屏障外部水层等效渗透系数；ks为基坑底部水层的渗透系数；hw
为水位到基坑开挖底部的高度；hs为底部防水屏障深度；hg为底部防水屏障厚度；q为基坑单
位面积的底部防水屏障允许的水渗出量，
为水的重度；
S42、选定目标保障参数以及水渗出量，利用防水屏障体系力学分析模型，确定基坑深层底部防水屏障深度与厚度相关函数，结合基坑深层底部防水屏障深度与厚度总和为定值的约束函数，利用两个函数交集，确定最佳的基坑深层底部防水屏障设计参数。
6.一种水利工程控制地下结构沉降的降排水系统，其特征在于，用于实现权利要求1-5任意一项权利要求所述的降排水方法，包括：
渗透关联模型构建单元，用于建立水位观测井流量与承压含水层渗透关联模型；
降水沉降模型构建单元，用于将多个回灌井的水势进行叠加，构建降水沉降模型；
系数计算单元，用于确定降水沉降曲线，求取回灌井周围水层的渗透系数和回灌压力系数；
防水屏障体系设计单元，用于基于基坑降水引发的地面沉降量，确定最佳的基坑防水屏障体系设计参数。
7.根据权利要求6所述的降排水系统，其特征在于，所述防水屏障体系设计单元包括：力学分析模型构建模块和设计参数确定模块，
所述力学分析模型构建模块，用于建立考虑防水屏障体系力学分析模型；
所述设计参数确定模块，选定目标保障参数以及水渗出量q，利用防水屏障体系力学分析模型，确定基坑深层底部防水屏障深度与厚度相关函数，结合基坑深层底部防水屏障深度与厚度总和为定值的约束函数，利用两个函数交集，确定最佳的基坑深层底部防水屏障设计参数。
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