CN116541930A - 一种考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法，包括：考虑悬挂式止水帷幕阻断的影响，将止水帷幕附近的渗流场分为绕流区和非绕流区，引入绕流区渗径长度影响系数；根据Darcy定律，获得基于渗径长度影响系数的承压含水层基坑涌水量计算公式；通过数值模拟计算得到基坑涌水量，获得渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的关系；建立渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的拟合公式，将相关值代入承压含水层基坑涌水量计算公式，求得考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量。本发明克服了常规计算方法没有考虑止水帷幕的问题，引入渗径长度影响系数及其确定方法，计算出的承压含水层基坑涌水量结果准确，可为类似工程提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程基坑工程技术领域，特别涉及一种考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法。
背景技术
近年来，随着城市地下空间的利用率不断增长，深大基坑的数量急剧增加，不少基坑的设计深度可达30m以上。此类深基坑底部常存在承压含水层，施工过程中极易出现坑底承压水突涌、结构上浮、周边地表沉降等问题，因此深基坑的止水降水设计要求越来越严格。止水帷幕结合减压降水井的“墙-井”体系是目前常用的降水措施之一。止水帷幕可以起到隔水的作用，同时通过设计合理的减压井群总抽水量，可以在施工安全简便的情况下达到良好的降水效果。
现行的《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)给出了一般情况下潜水和承压水下完整井与非完整井的涌水量计算公式，但该推荐公式并未考虑止水帷幕对于基坑渗流场的影响。实际工程中止水帷幕对基坑的渗流场有较大的影响：一方面，基坑外的地下水绕过止水帷幕底端进入基坑内，会延长地下水渗流路径，减小基坑内外的水力梯度差；另一方面，止水帷幕插入含水层，会减小渗流断面面积。所以，采用“墙-井”体系的基坑涌水量会比按照规范公式计算的结果小。若以规范进行设计计算，最终得到的基坑降水施工方案并不合理。目前已有许多学者对考虑止水帷幕情况下深基坑内涌水量进行了研究，但现有针对悬挂帷幕基坑的数值计算及数值模拟方法，存在精确度不高、计算式过于复杂、实用性不强等问题。因此，需要一种考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法，为此类工程基坑涌水量计算和止水降水设施的布置提供理论依据。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法，考虑悬挂式止水帷幕阻断形成的绕流区对基坑地下水水力梯度和渗流断面的影响，克服了常规计算方法没有考虑止水帷幕的情况，基于绕流和非绕流区的修正大井法在理论上符合渗流原理，通过引入渗径长度影响系数及其确定方法，计算出的承压含水层基坑涌水量结果准确，能够为类似工程提供理论依据。
本发明采用如下技术方案：
一种考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法，包括：
考虑悬挂式止水帷幕阻断的影响，将止水帷幕附近的渗流场分为绕流区和非绕流区，引入绕流区渗径长度影响系数；
根据Darcy定律，获得基于渗径长度影响系数的承压含水层基坑涌水量计算公式；
通过数值模拟计算得到基坑涌水量，获得渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的关系；其中，止水帷幕插入比等于悬挂式止水帷幕插入承压含水层中的深度与承压含水层厚度的比；
建立渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的拟合公式，将相关值代入承压含水层基坑涌水量计算公式，求得考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量。
优选的，所述渗流场的分区基于止水帷幕对渗流的阻断作用；在止水帷幕周围存在竖向和水平两个方向的渗流区域，为绕流区；不受止水帷幕影响只存在水平方向的渗流区域，为非绕流区。
优选的，基于渗径长度影响系数的承压含水层基坑涌水量计算公式，具体如下：
其中，Q为考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量(m3/s)；K为承压含水层渗透系数(m/s)；s0为基坑内设计地下水位的降深(m)；r0为圆形基坑的半径(m)；M为承压含水层厚度(m)；Mr为止水帷幕底端到隔水底板的距离(m)；R为基坑降水的影响半径(m)；D为止水帷幕厚度(m)；α为绕流区渗径长度影响系数；L为悬挂式止水帷幕插入承压含水层中的深度(m)；π为圆周率。
优选的，通过数值模拟计算得到基坑涌水量，获得渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的关系，具体包括：
建立基坑渗流计算数值模型；其中，承压含水层顶底板为隔水边界，帷幕内外侧为隔水边界，模型外边界为初始水头的定水头边界，基坑中心设置单口完整抽水井进行降水；
基于设计的渗透系数、含水层厚度及基坑设计的地下水降深，通过建立的数值模型模拟计算基坑抽水量随止水帷幕插入比的变化关系；
通过基于渗径长度影响系数的承压含水层基坑涌水量计算公式，获得渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的关系。
优选的，渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的拟合公式，具体如下：
当0.1≤L/M≤0.6时：
当0.6<L/M≤0.9时：
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明一种考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法，建立了基于渗径长度影响系数的承压含水层基坑涌水量计算公式，所述渗径长度影响系数随止水帷幕插入深度比变化，通过拟合出了渗径长度影响系数与止水帷幕插入深度比的关系式，能够使得承压含水层基坑涌水量计算简单、方便及更加精确。
附图说明
图1为本发明实施例的考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法的流程图；
图2为本发明实施例的悬挂式止水帷幕的承压含水层计算模型；
图3为本发明实施例的基坑渗流有限元数值模拟模型；
图4为本发明实施例的基坑涌水量Q与止水帷幕插入深度比L/M的关系图；
图5为本发明实施例的渗径长度影响系数α与帷幕插入深度比L/M的关系图。
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。
实施例一
参见图1所示，一种考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法，包括：
S101，考虑悬挂式止水帷幕阻断的影响，将止水帷幕附近的渗流场分为绕流区和非绕流区，引入绕流区渗径长度影响系数；
S102，根据Darcy定律，获得基于渗径长度影响系数的承压含水层基坑涌水量计算公式；
S103，通过数值模拟计算得到基坑涌水量，获得渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的关系；其中，止水帷幕插入比等于悬挂式止水帷幕插入承压含水层中的深度与承压含水层厚度的比；
S104，建立渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的拟合公式，将相关值代入承压含水层基坑涌水量计算公式，求得考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量。
本实施例中，所述S101之前，还包括：基于大井法对悬挂式止水帷幕影响下基坑降水渗流场研究，加入悬挂式止水帷幕边界条件，建立计算分析模型。
具体的计算模型如图2所示，其中，H为基坑外承压水头高度(m)；h1为抽水后止水帷幕外侧地下水最大降深处水头值(m)；h2为基坑内地下水水头设计值(m)；L为悬挂式止水帷幕插入承压含水层中的深度(m)；r0为圆形基坑的半径(m)；R为基坑降水的影响半径(m)；Mr为止水帷幕底端到隔水底板的距离(m)；M为承压含水层厚度(m)；D为止水帷幕厚度(m)。
模型基本假设包括：(1)降水过程为三维稳定流；(2)不考虑上覆潜水含水层的水量补给；(3)承压含水层均质、各向同性、等厚；(4)抽水点位于承压含水层的顶部，考虑坑内井群降水，坑内承压水头线简化为水平线；(5)基坑等效为大直径圆形承压水非完整井。
进一步的，所述S101，具体如下。
由于止水帷幕的存在，在止水帷幕周围存在竖向和水平两个方向的渗流，称该区域为绕流区。随着靠近底部的不透水层，止水帷幕的阻挡作用逐渐减小，直至小到可以忽略不计。不受止水帷幕影响的区域只存在水平方向的渗流，称该区域为非绕流区。
大多理论解析解计算该区域渗流路径时通常直接对最长渗流路径与最短渗流路径取平均值，即(lmax+lmin)/2，但绕流区流线并非线性分布，直接用(lmax+lmin)/2计算与实际情况相差较大。为了使得基坑内涌水量的计算更加精确，本实施例引入绕流区渗径长度影响系数α，该渗径长度影响系数α随止水帷幕插入深度比L/M变化，可以体现绕流区流线分布不均匀的特点。
因此，绕流区等效渗径的长度可以表示为：
(1)式中，α与L/M相关，即可表示为：
进一步的，所述S102，具体如下。
止水帷幕下基坑外地下水进入基坑内的平均水力梯度为：
根据达西(Darcy)定律，可得到止水帷幕底端的地下水径流量，即基坑的总涌水量：
结合公式(3)、(4)可得：
假设基坑外只有无限接近止水帷幕处才发生竖向的绕流，其他区域仍是沿水平方向流动，故基坑外的水流量可采用不考虑止水帷幕的承压含水层非完整井进行计算，即采用《建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012》推荐公式计算，可以得到基坑外地下水位降深s：
基坑内设计地下水降深为s0，则：
s0＝H-h2＝H-h1+h1-h2＝s+h1-h2 (7)
结合公式(5)、(6)、(7)可得：
进一步的，所述S103，具体如下。
参见图3所示，建立基坑渗流计算数值模型，承压含水层顶、底板为隔水边界，止水帷幕内外侧为隔水边界，模型外边界为初始水头的定水头边界，基坑中心设置单口完整抽水井进行降水。计算选取渗透系数Kh＝Kv＝10m/d，含水层厚度M＝30m，基坑设计的地下水降深s0＝15m。
由于绕流区渗径长度影响系数α与止水帷幕插入深度比L/M相关，使用Midas有限元软件计算基坑涌水量，通过数值模型模拟计算基坑抽水量Q随L/M的变化，结果参见图4所示。在基坑涌水量Q、L和M已知的前提下，通过公式(8)计算可以得到渗径长度影响系数α，再获取到α随L/M的变化规律，具体的关系变化参见图5所示。
进一步的，所述S104，具体如下。
当0.1≤L/M≤0.6时，随着L/M的增大，α近似线性增大；当0.6<L/M≤0.9时，α近似指性增大。根据图中α的变化规律，可以模拟得到α与L/M的函数关系：
(1)当0.1≤L/M≤0.6时：
(2)当0.6<L/M≤0.9时：
将公式(9)或(10)代入公式(8)，在公式(8)右侧式中各参数(K、s0、r0、M、Mr、R、D、α、L和π)已知的条件下，即可求得考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量。
实施例二
本实施例结合两个基坑工程对本发明作进一步的详细说明。
甲工程为某地铁风井工程，工程外包长度为49.0m，宽度为22.5m，基坑开挖深度为28.15m。该工程采用地下连续墙作为围护结构，连续墙宽度为1.2m，深度为48.60m。该工程地层主要包括以下七层。第①层为杂填土，厚度约为1.82m；第②③层为灰色砂质粉土，厚度约为12.30m；第④层为灰色淤泥质粘土，厚度约为6.00m；第⑤1层为灰色粘土，厚度约为4.00m；第⑥层为暗绿-草黄色粉质粘土，厚度约为3.20m；第⑦层为草黄色砂质粉土，厚度约为4.70m。第⑦层以下为草黄～灰色粉细砂，厚度大于33.00m，其中偶尔夹有薄层粘土。工程所在地的浅部地下水属于潜水类型，主要赋存于第②③层和第④层。与工程相关的承压含水层为第⑦层粉(砂)性土层。本工程包括第⑥层硬粘土层，该层土具有较好的隔水效果。
乙工程为某地铁站基坑工程，工程东侧临江，南侧为高层居民区。基坑开挖深度约为39.80米，开挖面积较大，呈半径350米的圆弧状，长达236米，占地面积约为2,290.7平方米。为了保证基坑稳定，长双隧道采用地下连续墙围护。地下连续墙深度为65.00米，厚度为1.2米。基坑宽度为19.0-23.0米。该工程中存在以下难点：基坑位于弱潜水含水层之上，地下水位埋深在0.5-1.2米之间，水量不大，易于排水；但是，基坑底部存在高水头的承压含水层，包括上更新统第1和第2承压含水层以及中更新统第3承压含水层。这三个承压含水层相互连通，形成了一个复合承压含水层，顶部高程为-28.45米，底部高程为-146.65米，层厚约为118.2米。静水位高程约为-5.00米，对基坑底板的稳定性极为不利。因此，在工程中需要考虑高水头的承压含水层对基坑的影响，并采取相应的措施来确保基坑的稳定。
基于工程地质水文情况，基坑简化模型如表1。
表1土层分布及止水帷幕深度
两个工程的计算参数如表2，采用本发明提出的考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法计算，得到了理论公式计算基坑涌水量Q1，将基坑涌水量的解析解与涌水量的实测值对比，结果如表2。其中Q2为现场实际抽水量，Δ为计算抽水量Q1与实际抽水量Q2之间的偏差，Δ＝(Q1-Q2)/Q2×100％。
表2考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算参数
通过对表格数据的分析，可以发现基坑涌水量的理论公式计算值与现场实测数据基本相符，误差在5.0％以内。这表明理论公式计算基坑涌水量的准确性较高，这种方法可以应用于类似的基坑工程中。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (5)
1.一种考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法，其特征在于，包括：
考虑悬挂式止水帷幕阻断的影响，将止水帷幕附近的渗流场分为绕流区和非绕流区，引入绕流区渗径长度影响系数；
根据Darcy定律，获得基于渗径长度影响系数的承压含水层基坑涌水量计算公式；
通过数值模拟计算得到基坑涌水量，获得渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的关系；其中，止水帷幕插入比等于悬挂式止水帷幕插入承压含水层中的深度与承压含水层厚度的比；
建立渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的拟合公式，将相关值代入承压含水层基坑涌水量计算公式，求得考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量。
2.根据权利要求1所述的考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法，其特征在于，所述渗流场的分区基于止水帷幕对渗流的阻断作用；在止水帷幕周围存在竖向和水平两个方向的渗流区域，为绕流区；不受止水帷幕影响只存在水平方向的渗流区域，为非绕流区。
3.根据权利要求1所述的考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法，其特征在于，基于渗径长度影响系数的承压含水层基坑涌水量计算公式，具体如下：
其中，Q为考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量(m3/s)；K为承压含水层渗透系数(m/s)；s0为基坑内设计地下水位的降深(m)；r0为圆形基坑的半径(m)；M为承压含水层厚度(m)；Mr为止水帷幕底端到隔水底板的距离(m)；R为基坑降水的影响半径(m)；D为止水帷幕厚度(m)；α为绕流区渗径长度影响系数；L为悬挂式止水帷幕插入承压含水层中的深度(m)；π为圆周率。
4.根据权利要求3所述的考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法，其特征在于，通过数值模拟计算得到基坑涌水量，获得渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的关系，具体包括：
建立基坑渗流计算数值模型；其中，承压含水层顶底板为隔水边界，帷幕内外侧为隔水边界，模型外边界为初始水头的定水头边界，基坑中心设置单口完整抽水井进行降水；
基于设计的渗透系数、含水层厚度及基坑设计的地下水降深，通过建立的数值模型模拟计算基坑抽水量随止水帷幕插入比的变化关系；
通过基于渗径长度影响系数的承压含水层基坑涌水量计算公式，获得渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的关系。
5.根据权利要求3所述的考虑止水帷幕的承压含水层基坑涌水量计算方法，其特征在于，渗径长度影响系数与止水帷幕插入比的拟合公式，具体如下：
当0.1≤L/M≤0.6时：
当0.6<L/M≤0.9时：
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|---|---|---|---|---|
| CN117108191A (zh) * | 2023-09-12 | 2023-11-24 | 四川省建筑科学研究院有限公司 | 一种用于高承压水地层中的钻探作业方法 |
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