CN116822251B - 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 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种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：根据目标场地的工程、水文地质条件、地层和地下水埋藏条件构建水文地质概化模型；基于预设的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略确定多含水层抽水‑沉降数学模型，并根据该模型得到潜水含水层疏干降水、承压含水层减压降水和疏干降水的地表沉降计算公式；根据潜水含水层疏干降水及减压降水时承压含水层的水头分布方程和无压区、承压区水位曲线方程，以及对应区域的地表沉降计算公式计算各区域的沉降量，最终计算多含水层减压与疏干降水共同作用下地表沉降量。由此，解决因忽略承压含水层进行疏干降水所形成的疏干区和承压区对地表沉降的影响而导致计算地表沉降精度较差的问题。
Description
技术领域
本申请涉及基坑降水地面沉降技术领域，特别涉及一种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。
背景技术
随着城市化进程的快速发展，地下空间的开发力度不断增大。城市建筑大多建于第四纪松散沉积物之上，地下水位较高，含水层结构复杂且常常存在厚度较大的承压含水层，地下工程建设过程中人工降低含水层水位（特别是承压含水层），将会引起周边一定范围内的地表沉降，严重时会造成邻近建筑物或构筑物的破坏。因此，精确预测抽取地下水引起的地表沉降对地下空间的安全高效发展具有重要意义。
相关技术中，对于地表沉降的计算主要集中于潜水含水层降水（包括疏干降水）、承压含水层减压降水和多含水层的潜水含水层疏干降水及承压含水层的减压降水中，针对承压含水层减压和疏干降水共同作用下的地表沉降计算技术领域还存在空白。
并且，由于在承压含水层进行疏干降水时，会在承压含水层中形成疏干区和承压区，相关技术忽略了该因素对地表沉降的影响，未考虑将承压含水层的沉降量进行分段计算；此外，计算抽水引起的周边地表沉降关键是水位曲线方程的确定，由于将承压含水层进行分段后，相关技术的水位曲线方程也不再适用。因此，采用相关技术中的计算方法进行计算，得到的结果与实际误差较大，不符合工程实际，亟待解决。
发明内容
本申请提供一种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，以解决现阶段因忽略承压含水层进行疏干降水所形成的疏干区和承压区对地表沉降的影响而导致计算地表沉降精度较差的问题，使得地表沉降计算更符合工程实际。
为达到上述目的，本申请第一方面实施例提出一种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，包括以下步骤：
确定目标工程场地，并勘测所述目标工程场地的工程地质条件、水文地质条件、地层和地下水埋藏条件，根据所述工程地质条件、所述水文地质条件、所述地层和地下水埋藏条件构建所述目标工程场地的水文地质概化模型；
基于预设的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略，确定所述水文地质概化模型与拟建地下工程相结合的多含水层抽水-沉降数学模型，并根据所述多含水层抽水-沉降数学模型得到潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式、承压含水层减压降水的地表沉降计算公式和承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式；
基于预设的潜水含水层策略，确定潜水含水层疏干降水时的水头分布方程，并利用所述潜水含水层疏干降水时的水头分布方程和所述潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算潜水含水层沉降量；
基于所述预设的承压含水层策略，确定减压降水时承压含水层的水头分布方程，并利用所述减压降水时承压含水层的水头分布方程和所述承压含水层减压降水的地表沉降计算公式计算承压含水层减压降水引起的沉降量；
基于所述预设的承压含水层策略，确定无压区水位曲线方程和承压区水位曲线方程，并根据所述无压区水位曲线方程、所述承压区水位曲线方程和所述承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算承压含水层疏干降水引起的沉降量；
根据所述潜水含水层沉降量、所述承压含水层减压降水引起的沉降量和所述承压含水层疏干降水引起的沉降量计算多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
根据本申请的一个实施例，所述根据所述潜水含水层沉降量、所述承压含水层减压降水引起的沉降量和所述承压含水层疏干降水引起的沉降量计算多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量，包括：
基于预设的变形协调系数，计算所述潜水含水层沉降量对应的第一变形协调系数、所述承压含水层减压降水引起的沉降量对应的第二变形协调系数和所述承压含水层疏干降水引起的沉降量对应的第三变形协调系数；
计算所述第一变形协调系数与所述潜水含水层沉降量的第一乘积、所述第二变形协调系数与所述承压含水层减压降水引起的沉降量的第二乘积、所述第三变形协调系数与所述承压含水层疏干降水引起的沉降量的第三乘积；
根据所述第一乘积、所述第二乘积和所述第三乘积的和得到所述多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
根据本申请的一个实施例，所述预设的变形协调系数为：
；
其中，为所述预设的变形协调系数，/>为沉降量，i为整数。
根据本申请的一个实施例，所述潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，S 1为潜水疏干区的沉降量，S 2为潜水饱和区的沉降量，为水的重度，w为water的缩写，/>为计算土层中点至初始潜水水位的垂直距离，/>为计算土层的厚度，/>为上层潜水含水层的含水层厚度，y为距离降水井15m位置的水位高度，/>为土体的弹性模型。
根据本申请的一个实施例，所述承压含水层减压降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，为承压水头总高度。
根据本申请的一个实施例，所述承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，为承压水头总高度，y 1为承压含水层疏干降水时无压区沉降计算点的水位高度，y 2为承压含水层疏干降水时承压区的沉降计算点水位高度，a为承压含水层疏干降水时承压区和无压区的分界点，r w为降水井井径，x为地表沉降计算点与降水井的距离，R为疏干降水的影响半径。
根据本申请实施例提出的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，通过构建水文地质概化模型，基于预设的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略，得到水文地质概化模型与拟建地下工程相结合的多含水层抽水-沉降数学模型，通过将地表沉降分为承压区和无压区，基于前述数学模型和预设的含水层策略可以得到不同区域的地表沉降计算公式和水位曲线方程，进而基于各区域的地表沉降计算公式和水位曲线方程计算多含水层减压与疏干降水共同作用下地表沉降量。由此，通过将承压含水层的沉降量进行分段计算，解决了现阶段因忽略承压含水层进行疏干降水所形成的疏干区和承压区对地表沉降的影响而导致计算地表沉降精度较差的问题，使得地表沉降计算更符合工程实际。
为达到上述目的，本申请第二方面实施例提出一种多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降计算装置，包括：
构建模块，用于确定目标工程场地，并勘测所述目标工程场地的工程地质条件、水文地质条件、地层和地下水埋藏条件，根据所述工程地质条件、所述水文地质条件、所述地层和地下水埋藏条件构建所述目标工程场地的水文地质概化模型；
处理模块，用于基于预设的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略，确定所述水文地质概化模型与拟建地下工程相结合的多含水层抽水-沉降数学模型，并根据所述多含水层抽水-沉降数学模型得到潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式、承压含水层减压降水的地表沉降计算公式和承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式；
第一计算模块，用于基于预设的潜水含水层策略，确定潜水含水层疏干降水时的水头分布方程，并利用所述潜水含水层疏干降水时的水头分布方程和所述潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算潜水含水层沉降量；
第二计算模块，用于基于所述预设的承压含水层策略，确定减压降水时承压含水层的水头分布方程，并利用所述减压降水时承压含水层的水头分布方程和所述承压含水层减压降水的地表沉降计算公式计算承压含水层减压降水引起的沉降量；
第三计算模块，用于基于所述预设的承压含水层策略，确定无压区水位曲线方程和承压区水位曲线方程，并根据所述无压区水位曲线方程、所述承压区水位曲线方程和所述承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算承压含水层疏干降水引起的沉降量；
第四计算模块，用于根据所述潜水含水层沉降量、所述承压含水层减压降水引起的沉降量和所述承压含水层疏干降水引起的沉降量计算多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
根据本申请的一个实施例，所述第四计算模块，具体用于：
基于预设的变形协调系数，计算所述潜水含水层沉降量对应的第一变形协调系数、所述承压含水层减压降水引起的沉降量对应的第二变形协调系数和所述承压含水层疏干降水引起的沉降量对应的第三变形协调系数；
计算所述第一变形协调系数与所述潜水含水层沉降量的第一乘积、所述第二变形协调系数与所述承压含水层减压降水引起的沉降量的第二乘积、所述第三变形协调系数与所述承压含水层疏干降水引起的沉降量的第三乘积；
根据所述第一乘积、所述第二乘积和所述第三乘积的和得到所述多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
根据本申请的一个实施例，所述预设的变形协调系数为：
；
其中，为所述预设的变形协调系数，/>为沉降量，i为整数。
根据本申请的一个实施例，所述潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，S 1为潜水疏干区的沉降量，S 2为潜水饱和区的沉降量，为水的重度，w为water的缩写，/>为计算土层中点至初始潜水水位的垂直距离，/>为计算土层的厚度，/>为上层潜水含水层的含水层厚度，y为距离降水井15m位置的水位高度，/>为土体的弹性模型。
根据本申请的一个实施例，所述承压含水层减压降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，为承压水头总高度。
根据本申请的一个实施例，所述承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，为承压水头总高度，y 1为承压含水层疏干降水时无压区沉降计算点的水位高度，y 2为承压含水层疏干降水时承压区的沉降计算点水位高度，a为承压含水层疏干降水时承压区和无压区的分界点，r w为降水井井径，x为地表沉降计算点与降水井的距离，R为疏干降水的影响半径。
根据本申请实施例提出的多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降计算装置，通过构建水文地质概化模型，基于预设的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略，得到水文地质概化模型与拟建地下工程相结合的多含水层抽水-沉降数学模型，通过将地表沉降分为承压区和无压区，基于前述数学模型和预设的含水层策略可以得到不同区域的地表沉降计算公式和水位曲线方程，进而基于各区域的地表沉降计算公式和水位曲线方程计算多含水层减压与疏干降水共同作用下地表沉降量。由此，通过将承压含水层的沉降量进行分段计算，解决了现阶段因忽略承压含水层进行疏干降水所形成的疏干区和承压区对地表沉降的影响而导致计算地表沉降精度较差的问题，使得地表沉降计算更符合工程实际。
为达到上述目的，本申请第三方面实施例提出一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的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。
为达到上述目的，本申请第四方面实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的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。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种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的流程图；
图2为根据本申请的一个实施例的多含水层抽水-沉降数学模型的示意图；
图3为根据本申请的一个实施例的潜水含水层抽水-沉降计算模型的示意图；
图4为根据本申请的一个实施例的承压含水层减压降水沉降计算模型的示意图；
图5为根据本申请的一个实施例的承压含水层疏干降水沉降计算模型的示意图；
图6为根据本申请的一个实施例的目标工程场地降水井、观测井及典型地质剖面的示意图；
图7为根据本申请的一个实施例的场地沉降监测点布置示意图；
图8为根据本申请的另一个实施例的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的流程图；
图9为根据本申请的一个实施例的潜水疏干区及饱和区沉降计算的示意图；
图10为根据本申请的一个实施例的地表沉降现场监测值及不同计算方法的沉降量对比示意图；
图11为根据本申请实施例的多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降计算装置的方框示意图；
图12为根据本申请实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参照附图描述根据本申请实施例提出的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。
图1是本申请一个实施例的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的流程图。
在介绍本申请实施例提出的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之前，先介绍下相关技术中的地表沉降计算方法。
相关技术中，（1）针对潜水含水层的降水问题，有以下几种计算方法：①基于Dupuit井流理论，在考虑疏干带非饱和土体有效应力原理和降水产生的渗流力作用的基础上，采用分层总和法分别计算降水后井周任意点的最终地面沉降量；②一种预测潜水降水对建筑物沉降影响的方法，利用潜水降深公式和沉降与降深的关系公式求出每个验算点的沉降量，再将CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）格式的沉降量等高线导入含有既有建筑物的平面图，对潜水降水的沉降量进行预测；③一种潜水地层基坑内不完整井降水使基坑外地表沉降计算方法，其通过对降水曲线进行拟合，分别计算出疏干区和饱和区的沉降量，最终得出坑外地表的最终沉降量。
（2）针对承压含水层降水引起的土体沉降问题：①基于Mindlin位移解推导出了承压含水层减压降水引起的土体沉降计算公式；②基于Boussinesq位移解推导出了单井抽水条件下承压含水层减压降水引起的土体变形计算公式，并通过ADINS有限元软件和1980~1995年上海浦东新区第四承压含水层降水沉降实测值对该公式进行了验证；③一种预测承压水降水对建筑物沉降影响的方法，其利用承压水降深公式和沉降与降深的关系公式求出每个验算点的沉降量，再将CAD格式的沉降量等高线导入含有既有建筑物的平面图，对承压水降水的沉降量进行预测；④一种承压水地层基坑内不完整井降水使基坑外地表沉降计算方法，其通过对降水曲线进行拟合，得出坑外地表的最终沉降量。
（3）针对多含水层降水引起的地面沉降问题：①有学者考虑了弱透水层沉降变形影响，推导出二元结构土层因降水引起的地面沉降计算公式；②根据建立的武汉二元结构基坑地质模型，运用与之相关联的Processing Modflow软件分别计算隔水层、过渡层和含水层的沉降量，得到了武汉二元结构地层基坑降水引起的地面沉降计算方法；③基于有效应力原理、渗流理论及土体沉降理论，考虑了承压含水层减压降水以及潜水层疏干降水的作用，运用分层总和法，推导出潜水-承压含水层的沉降计算公式。
由此可见，相关技术集中于潜水含水层降水（包括疏干降水）、承压含水层减压降水和多含水层的潜水含水层疏干降水及承压含水层的减压降水中，针对承压含水层减压和疏干降水共同作用下的地表沉降计算技术领域还存在空白。由于在承压含水层进行疏干降水时，会在承压含水层中形成疏干区和承压区，相关技术忽略了该因素对地表沉降的影响，未考虑将承压含水层的沉降量进行分段计算；此外，计算抽水引起的周边地表沉降关键是水位曲线方程的确定，由于将承压含水层进行分段后，现有技术的水位曲线方程也不再适用。因此，采用相关技术中的计算方法进行计算，得到的结果与实际误差较大。
正是基于上述问题，本申请实施例提出一种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，以解决现阶段计算地表沉降时忽略承压含水层进行疏干降水所形成的疏干区和无压区对地表沉降的影响的问题，通过将承压含水层的沉降量进行分段计算，提高了地表沉降的计算精度，使得地表沉降计算更符合工程实际。
具体而言，如图1所示，该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包括以下步骤：
在步骤S101中，确定目标工程场地，并勘测目标工程场地的工程地质条件、水文地质条件、地层和地下水埋藏条件，根据工程地质条件、水文地质条件、地层和地下水埋藏条件构建目标工程场地的水文地质概化模型。
其中，工程地质条件是指目标工程场地及其相邻地区、影响工程建筑结构类型、施工方法及其稳定性的各种自然条件的综合，包括地形地貌、地层岩性、地质构造、以及滑坡、崩坍等物理地质现象；水文地质条件是指有关地下水形成、分布和变化规律等条件的总称，包括地下水的补给、埋藏、径流、排泄、水质和水量等；地层和地下水埋藏条件是指含水岩层在地质剖面中所处的部位及受隔水层限制的情况。
具体而言，通过工程勘察手段，勘测出目标工程场地的工程地质条件、水文地质条件、地层和地下水埋藏条件，如含水层类型、含水层及隔水层的岩性及其空间分布特征等，进而根据工程地质条件、水文地质条件、地层和地下水埋藏条件构建出目标工程场地的水文地质概化模型，即将所研究的地下含水系统实际的边界性质、内部结构、水动力和水化学特征、相应参数的空间分布及补给排泄条件等概化为便于进行数值模拟或物理模拟的基本模式。
在步骤S102中，基于预设的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略，确定水文地质概化模型与拟建地下工程相结合的多含水层抽水-沉降数学模型，并根据多含水层抽水-沉降数学模型得到潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式、承压含水层减压降水的地表沉降计算公式和承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式。
具体而言，基于研究人员预先设定好的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略，可以得到水文地质概化模型与拟建地下工程相结合的多含水层抽水-沉降数学模型，如图2所示，图2（a）为初始地下水位的模型示意图，图2（b）为降潜水含水层的模型示意图，图2（c）为潜水含水层疏干降水+承压含水层减压降水的模型示意图，图2（d）为潜水含水层+承压含水层疏干降水的模型示意图，并根据多含水层抽水-沉降数学模型建立多含水层水位、距离抽水井的距离及地表沉降量之间的解析表达式，即潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式、承压含水层减压降水的地表沉降计算公式和承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式。
其中，在一些实施例中，潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
其中，S 1为潜水疏干区的沉降量，S 2为潜水饱和区的沉降量，为水的重度，w为water的缩写，/>为计算土层中点至初始潜水水位的垂直距离，/>为计算土层的厚度，/>为上层潜水含水层的含水层厚度，y为距离降水井15m位置的水位高度，/>为土体的弹性模型。
承压含水层减压降水的地表沉降计算公式为：
其中，为承压水头总高度。
承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
其中，为承压水头总高度，y 1为承压含水层疏干降水时无压区沉降计算点的水位高度，y 2为承压含水层疏干降水时承压区的沉降计算点水位高度，a为承压含水层疏干降水时承压区和无压区的分界点，r w为降水井井径，x为地表沉降计算点与降水井的距离，R为疏干降水的影响半径。
在步骤S103中，基于预设的潜水含水层策略，确定潜水含水层疏干降水时的水头分布方程，并利用潜水含水层疏干降水时的水头分布方程和潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算潜水含水层沉降量。
具体而言，基于预设的潜水含水层策略，即裘布依潜水含水层假设，可以得到潜水含水层疏干降水时的水头分布方程，将潜水含水层抽水-沉降涉及的土体分为三个部分，即无水区、疏干区和饱和区，如图3所示，利用潜水含水层疏干降水时的水头分布方程和潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算潜水含水层沉降量，最终潜水含水层沉降量的值即为无水区、疏干区和饱和区这三部分土体各自的沉降量之和。
在步骤S104中，基于预设的承压含水层策略，确定减压降水时承压含水层的水头分布方程，并利用减压降水时承压含水层的水头分布方程和承压含水层减压降水的地表沉降计算公式计算承压含水层减压降水引起的沉降量。
具体而言，承压含水层首先开始减压降水，如图4所示，基于预设的承压含水层策略，即裘布依承压含水层假设，得到减压降水时承压含水层的水头分布方程，利用减压降水时承压含水层的水头分布方程和承压含水层减压降水的地表沉降计算公式计算承压含水层中各层土的水头变化高度，即可得到承压含水层减压降水引起的沉降量。
在步骤S105中，基于预设的承压含水层策略，确定无压区水位曲线方程和承压区水位曲线方程，并根据无压区水位曲线方程、承压区水位曲线方程和承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算承压含水层疏干降水引起的沉降量。
具体而言，承压含水层疏干降水引起的沉降量需分段进行计算，如图5所示，将地表沉降分为无压区和承压区，首先对无压区和承压区的范围进行求解，再基于预设的承压含水层策略，分别求出无压区水位曲线方程和承压区的水位曲线方程，根据无压区水位曲线方程、承压区水位曲线方程和承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算承压含水层中各层土的水头变化高度，即可得到承压含水层疏干降水引起的沉降量。
在步骤S106中，根据潜水含水层沉降量、承压含水层减压降水引起的沉降量和承压含水层疏干降水引起的沉降量计算多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
可以理解的是，为计算多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量，本申请可以结合潜水含水层沉降量、承压含水层减压降水引起的沉降量和承压含水层疏干降水引起的沉降量进行处理。
进一步地，在一些实施例中，根据潜水含水层沉降量、承压含水层减压降水引起的沉降量和承压含水层疏干降水引起的沉降量计算多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量，包括：基于预设的变形协调系数，计算潜水含水层沉降量对应的第一变形协调系数、承压含水层减压降水引起的沉降量对应的第二变形协调系数和承压含水层疏干降水引起的沉降量对应的第三变形协调系数；计算第一变形协调系数与潜水含水层沉降量的第一乘积、第二变形协调系数与承压含水层减压降水引起的沉降量的第二乘积、第三变形协调系数与承压含水层疏干降水引起的沉降量的第三乘积；根据第一乘积、第二乘积和第三乘积的和得到多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
其中，在一些实施例中，预设的变形协调系数为：
其中，为预设的变形协调系数，/>为沉降量，i为整数。
具体而言，通过预设的变形协调系数公式可以分别计算出各个区域层对应的变形协调系数，即潜水含水层沉降量对应的第一变形协调系数、承压含水层减压降水引起的沉降量对应的第二变形协调系数和承压含水层疏干降水引起的沉降量对应的第三变形协调系数，再将各个区域层对应的变形协调系数与对应区域层的沉降量做相乘计算，所得结果再进行相加，即可得到多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
为便于本领域技术人员进一步了解本申请实施例提出的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，下面结合具体实施例做详细说明。
具体地，以一个地铁车站基坑降水工程为例，如图6所示，降水井揭穿2-3-1潜水含水层、2-2隔水层和2-5承压含水层，在2-3-1潜水含水层和2-5承压含水层中均为完整井。如图7所示，场地中布设了土体沉降监测点，以测量基坑降水引起的土体变形值，通过抽水试验的土体沉降量数据，分析基坑降水对土体变形的影响规律，并与公式计算值进行对比，以验证该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的合理性和准确度。
结合图8，该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，包括以下步骤：
步骤S801，工程地质模型概化。
具体地，通过对目标工程场地进行工程地质勘察，可以勘测出该车站影响范围内主要存在一层潜水含水层和一层承压含水层，其中潜水含水层的土体类别为黏质粉土，承压含水层的土体类别为中砂，由此得出该场地为潜水含水层-承压含水层的多含水层水文地质概化模型。
步骤S802，数学模型（即多含水层抽水-沉降数学模型）建立。
具体地，将概化后的潜水含水层-承压含水层水文地质模型结合车站基坑降水设计转换为多含水层抽水-沉降数学模型，建立多含水层抽水影响下的距抽水井距离、水位及沉降之间的关系式。
步骤S803，潜水含水层沉降量计算。
具体地，根据目标工程场地的工程地质勘测成果，可知上层潜水含水层的含水层厚度H 0为8.0 m，由于潜水含水层为疏干降水，井中水位高度h w取0 m，井径r w为0.3 m；潜水含水层是单一土层，i与n的值都取1，水的重度γ w为1.0×104 N/m3，计算土层中点至初始潜水水位的垂直距离z 1为4.0 m，如图9所示，计算土层的厚度h 1为8.0 m，黏质粉土的弹性模型E 1为1.1×107 N/m3，渗透系数K为0.63 m/d，地表沉降计算点与降水井的距离x为15.0 m；根据潜水含水层单井抽水影响半径计算公式，井中水位降深s w为8.0 m，求出影响半径R的值为35.9 m，将上述勘察结果代入潜水含水层疏干降水时的水头分布方程，如式（5）所示，求得距离降水井15.0 m位置的水位高度y为7.23 m，再将y值和上述参数代入潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式，如式（1）所示，即可求出潜水含水层的沉降量为10.11 mm。
步骤S804，承压含水层减压降水引起的沉降量计算。
具体地，根据目标工程场地的工程地质勘察成果，可知下层承压含水层的含水层厚度M为5.0 m，承压水头总高度H 0为13.0 m，承压含水层先进行的是减压降水，井中水位高度h w取5.0 m，降水井井径r w为0.3 m；承压含水层是单一土层，i与n的值都取1，计算土层的厚度h 1为5.0 m，中砂层的弹性模型E 1为1.5×107 N/m3，渗透系数K为9.82 m/d，地表沉降计算点与降水井的距离x为15.0 m；根据承压含水层单井抽水影响半径计算公式，井中水位降深s w为8.0m，求出影响半径R的值为250.7 m，将上述勘测数据代入减压降水时承压含水层的水头分布方程，如式（6）所示，求得距离降水井15.0 m位置的水位高度y为9.65 m，再将y值和上述参数代入承压含水层减压降水的地表沉降计算公式，如式（2）所示，即可求出承压含水层减压降水引起的沉降量为5.87 mm。
步骤S805，承压含水层疏干降水引起的沉降量计算。
具体地，首先对无压区和承压区的范围进行求解，此时井中水位高度h w取0 m，井中水位降深s w为13.0 m，根据承压含水层单井抽水影响半径计算公式，求出疏干降水的影响半径R为407.4 m，设距降水井x=a的位置，含水层由承压水转变为无压水，通过公式/>，求出a的值为0.98 m，然后根据无压区水位曲线方程和承压区的水位曲线方程，如式（7）所示，求得疏干降水时的水头高度y为10.86 m；进一步的，将以上参数代入承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式，如式（3）所示，即可求得承压含水层疏干降水引起的沉降量为15.99mm。/>
步骤S806，多含水层（减压与疏干降水共同作用下的）地表沉降量计算。
具体地，通过预设的变形协调系数式（4）计算得到各个层的变形协调系数分别为：0.69、0.82、0.49，各部分的沉降量s i分别为：10.11 mm、5.87mm和15.99mm，将以上数据代入基于层间变形协调的多含水层沉降量计算公式，如式（8）所示，即可得到x=15.0 m处多含水层在减压与疏干降水共同作用下的地表沉降值为19.6 mm。
同理，根据上述步骤801~步骤806，可以求得距离基坑东西两侧各15m、50m、100m和150m处的沉降量，如表1所示。
表1
| 距离/m沉降/mm | 15 | 50 | 100 | 150 |
| 基坑东侧 | -19.6 | -17.18 | -11.2 | -6.94 |
| 基坑西侧 | -19.2 | -14.17 | -9.51 | -8.25 |
为了对本申请实施例所提出的计算方法的准确性进行验证，将本申请实施例的沉降计算结果与规范算法的计算值、现场实际监测结果进行对比，各沉降值对比曲线如图10所示。
由图10可知，本申请实施例所计算的沉降量的变化趋势与实际监测值基本吻合，说明了计算结果的合理性；同时，规范算法和本申请实施例的计算结果存在一定差异，计算得到的沉降量小于规范算法，这是由于在该算法中修正了承压含水层疏干降水时无压区的计算量以及各个疏干区稳定水位高度的算法，因此，计算结果比规范算法更接近实际情况。由于潜水含水层的存在，降水井在抽水过程中存在水跃值，同时，由于本申请的公式推导基于裘布依假设，导致计算曲面低于实际漏斗曲面，因此，计算值要大于实际监测值，使得理论计算偏于保守，更有利于工程施工的安全。
综上，本申请提出的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具有以下优点：
（1）将地表沉降分为无压区和承压区，使得地表沉降计算更符合工程实际。
（2）基于无压区和承压区的数学模型，得到不同区域的水位曲线方程，为地表沉降计算提供理论依据。
（3）能够快速便捷的估算多含水层（包含潜水含水层和承压含水层）减压降水与疏干降水共同作用下的地表沉降量，不仅填补了现有技术领域的空白，相较于现有的抽水引起的地表沉降计算方法，具有准确度高的优点，更接近工程实际。
根据本申请实施例提出的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，通过构建水文地质概化模型，基于预设的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略，得到水文地质概化模型与拟建地下工程相结合的多含水层抽水-沉降数学模型，通过将地表沉降分为承压区和无压区，基于前述数学模型和预设的含水层策略可以得到不同区域的地表沉降计算公式和水位曲线方程，进而基于各区域的地表沉降计算公式和水位曲线方程计算多含水层减压与疏干降水共同作用下地表沉降量。由此，通过将承压含水层的沉降量进行分段计算，解决了现阶段因忽略承压含水层进行疏干降水所形成的疏干区和承压区对地表沉降的影响而导致计算地表沉降精度较差的问题，使得地表沉降计算更符合工程实际。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降计算装置。
图11是本申请一个实施例的多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降计算装置的方框示意图。
如图11所示，该多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降计算装置10包括：构建模块100、处理模块200、第一计算模块300、第二计算模块400、第三计算模块500和第四计算模块600。
其中，构建模块100，用于确定目标工程场地，并勘测目标工程场地的工程地质条件、水文地质条件、地层和地下水埋藏条件，根据工程地质条件、水文地质条件、地层和地下水埋藏条件构建目标工程场地的水文地质概化模型；
处理模块200，用于基于预设的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略，确定水文地质概化模型与拟建地下工程相结合的多含水层抽水-沉降数学模型，并根据多含水层抽水-沉降数学模型得到潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式、承压含水层减压降水的地表沉降计算公式和承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式；
第一计算模块300，用于基于预设的潜水含水层策略，确定潜水含水层疏干降水时的水头分布方程，并利用潜水含水层疏干降水时的水头分布方程和潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算潜水含水层沉降量；
第二计算模块400，用于基于预设的承压含水层策略，确定减压降水时承压含水层的水头分布方程，并利用减压降水时承压含水层的水头分布方程和承压含水层减压降水的地表沉降计算公式计算承压含水层减压降水引起的沉降量；
第三计算模块500，用于基于预设的承压含水层策略，确定无压区水位曲线方程和承压区水位曲线方程，并根据无压区水位曲线方程、承压区水位曲线方程和承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算承压含水层疏干降水引起的沉降量；
第四计算模块600，用于根据潜水含水层沉降量、承压含水层减压降水引起的沉降量和承压含水层疏干降水引起的沉降量计算多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
进一步地，在一些实施例中，第四计算模块600，具体用于：
基于预设的变形协调系数，计算潜水含水层沉降量对应的第一变形协调系数、承压含水层减压降水引起的沉降量对应的第二变形协调系数和承压含水层疏干降水引起的沉降量对应的第三变形协调系数；
计算第一变形协调系数与潜水含水层沉降量的第一乘积、第二变形协调系数与承压含水层减压降水引起的沉降量的第二乘积、第三变形协调系数与承压含水层疏干降水引起的沉降量的第三乘积；
根据第一乘积、第二乘积和第三乘积的和得到多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
进一步地，在一些实施例中，预设的变形协调系数为：
；
其中，为预设的变形协调系数，/>为沉降量，i为整数。
进一步地，在一些实施例中，潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，S 1为潜水疏干区的沉降量，S 2为潜水饱和区的沉降量，为水的重度，w为water的缩写，/>为计算土层中点至初始潜水水位的垂直距离，/>为计算土层的厚度，/>为上层潜水含水层的含水层厚度，y为距离降水井15m位置的水位高度，/>为土体的弹性模型。
进一步地，在一些实施例中，承压含水层减压降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，为承压水头总高度。
进一步地，在一些实施例中，承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，为承压水头总高度，y 1为承压含水层疏干降水时无压区沉降计算点的水位高度，y 2为承压含水层疏干降水时承压区的沉降计算点水位高度，a为承压含水层疏干降水时承压区和无压区的分界点，r w为降水井井径，x为地表沉降计算点与降水井的距离，R为疏干降水的影响半径。
需要说明的是，前述对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实施例的解释说明也适用于该实施例的多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降计算装置，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降计算装置，通过构建水文地质概化模型，基于预设的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略，得到水文地质概化模型与拟建地下工程相结合的多含水层抽水-沉降数学模型，通过将地表沉降分为承压区和无压区，基于前述数学模型和预设的含水层策略可以得到不同区域的地表沉降计算公式和水位曲线方程，进而基于各区域的地表沉降计算公式和水位曲线方程计算多含水层减压与疏干降水共同作用下地表沉降量。由此，通过将承压含水层的沉降量进行分段计算，解决了现阶段因忽略承压含水层进行疏干降水所形成的疏干区和承压区对地表沉降的影响而导致计算地表沉降精度较差的问题，使得地表沉降计算更符合工程实际。
图12为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：
存储器1201、处理器1202及存储在存储器1201上并可在处理器1202上运行的计算机程序。
处理器1202执行程序时实现上述实施例中提供的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。
进一步地，电子设备还包括：
通信接口1203，用于存储器1201和处理器1202之间的通信。
存储器1201，用于存放可在处理器1202上运行的计算机程序。
存储器1201可能包含高速RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）存储器，也可能还包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器。
如果存储器1201、处理器1202和通信接口1203独立实现，则通信接口1203、存储器1201和处理器1202可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是ISA（IndustryStandard Architecture，工业标准体系结构）总线、PCI（Peripheral Component，外部设备互连）总线或EISA（Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准体系结构）总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图12中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
可选的，在具体实现上，如果存储器1201、处理器1202及通信接口1203，集成在一块芯片上实现，则存储器1201、处理器1202及通信接口1203可以通过内部接口完成相互间的通信。
处理器1202可能是一个CPU（Central Processing Unit，中央处理器），或者是ASIC（Application Specific Integrated Circuit，特定集成电路），或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种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，其特征在于，包括以下步骤：
确定目标工程场地，并勘测所述目标工程场地的工程地质条件、水文地质条件、地层和地下水埋藏条件，根据所述工程地质条件、所述水文地质条件、所述地层和地下水埋藏条件构建所述目标工程场地的水文地质概化模型；
基于预设的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略，确定所述水文地质概化模型与拟建地下工程相结合的多含水层抽水-沉降数学模型，并根据所述多含水层抽水-沉降数学模型得到潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式、承压含水层减压降水的地表沉降计算公式和承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式；
其中，所述潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，S 1为潜水疏干区的沉降量，S 2为潜水饱和区的沉降量，为水的重度，w为water的缩写，/>为计算土层中点至初始潜水水位的垂直距离，/>为计算土层的厚度，/>为上层潜水含水层的含水层厚度，y为距离降水井15m位置的水位高度，/>为土体的弹性模型；
所述承压含水层减压降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，为承压水头总高度；
所述承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，为承压水头总高度，y 1为承压含水层疏干降水时无压区沉降计算点的水位高度，y 2为承压含水层疏干降水时承压区的沉降计算点水位高度，a为承压含水层疏干降水时承压区和无压区的分界点，r w为降水井井径，x为地表沉降计算点与降水井的距离，R为疏干降水的影响半径；
基于预设的潜水含水层策略，确定潜水含水层疏干降水时的水头分布方程，并利用所述潜水含水层疏干降水时的水头分布方程和所述潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算潜水含水层沉降量；
基于所述预设的承压含水层策略，确定减压降水时承压含水层的水头分布方程，并利用所述减压降水时承压含水层的水头分布方程和所述承压含水层减压降水的地表沉降计算公式计算承压含水层减压降水引起的沉降量；
基于所述预设的承压含水层策略，确定无压区水位曲线方程和承压区水位曲线方程，并根据所述无压区水位曲线方程、所述承压区水位曲线方程和所述承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算承压含水层疏干降水引起的沉降量；
根据所述潜水含水层沉降量、所述承压含水层减压降水引起的沉降量和所述承压含水层疏干降水引起的沉降量计算多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述根据所述潜水含水层沉降量、所述承压含水层减压降水引起的沉降量和所述承压含水层疏干降水引起的沉降量计算多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量，包括：
基于预设的变形协调系数，计算所述潜水含水层沉降量对应的第一变形协调系数、所述承压含水层减压降水引起的沉降量对应的第二变形协调系数和所述承压含水层疏干降水引起的沉降量对应的第三变形协调系数；
计算所述第一变形协调系数与所述潜水含水层沉降量的第一乘积、所述第二变形协调系数与所述承压含水层减压降水引起的沉降量的第二乘积、所述第三变形协调系数与所述承压含水层疏干降水引起的沉降量的第三乘积；
根据所述第一乘积、所述第二乘积和所述第三乘积的和得到所述多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
3.根据权利要求2所述的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，其特征在于，所述预设的变形协调系数为：
；
其中，为所述预设的变形协调系数，/>为沉降量，i为整数。
4.一种多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降计算装置，其特征在于，包括：
构建模块，用于确定目标工程场地，并勘测所述目标工程场地的工程地质条件、水文地质条件、地层和地下水埋藏条件，根据所述工程地质条件、所述水文地质条件、所述地层和地下水埋藏条件构建所述目标工程场地的水文地质概化模型；
处理模块，用于基于预设的拟开挖地下建筑物位置及抽水井策略，确定所述水文地质概化模型与拟建地下工程相结合的多含水层抽水-沉降数学模型，并根据所述多含水层抽水-沉降数学模型得到潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式、承压含水层减压降水的地表沉降计算公式和承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式；
其中，所述潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，S 1为潜水疏干区的沉降量，S 2为潜水饱和区的沉降量，为水的重度，w为water的缩写，/>为计算土层中点至初始潜水水位的垂直距离，/>为计算土层的厚度，/>为上层潜水含水层的含水层厚度，y为距离降水井15m位置的水位高度，/>为土体的弹性模型；
所述承压含水层减压降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，为承压水头总高度；
所述承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式为：
；
其中，为承压水头总高度，y 1为承压含水层疏干降水时无压区沉降计算点的水位高度，y 2为承压含水层疏干降水时承压区的沉降计算点水位高度，a为承压含水层疏干降水时承压区和无压区的分界点，r w为降水井井径，x为地表沉降计算点与降水井的距离，R为疏干降水的影响半径；
第一计算模块，用于基于预设的潜水含水层策略，确定潜水含水层疏干降水时的水头分布方程，并利用所述潜水含水层疏干降水时的水头分布方程和所述潜水含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算潜水含水层沉降量；
第二计算模块，用于基于所述预设的承压含水层策略，确定减压降水时承压含水层的水头分布方程，并利用所述减压降水时承压含水层的水头分布方程和所述承压含水层减压降水的地表沉降计算公式计算承压含水层减压降水引起的沉降量；
第三计算模块，用于基于所述预设的承压含水层策略，确定无压区水位曲线方程和承压区水位曲线方程，并根据所述无压区水位曲线方程、所述承压区水位曲线方程和所述承压含水层疏干降水的地表沉降计算公式计算承压含水层疏干降水引起的沉降量；
第四计算模块，用于根据所述潜水含水层沉降量、所述承压含水层减压降水引起的沉降量和所述承压含水层疏干降水引起的沉降量计算多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
5.根据权利要求4所述的多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降计算装置，其特征在于，所述第四计算模块，具体用于：
基于预设的变形协调系数，计算所述潜水含水层沉降量对应的第一变形协调系数、所述承压含水层减压降水引起的沉降量对应的第二变形协调系数和所述承压含水层疏干降水引起的沉降量对应的第三变形协调系数；
计算所述第一变形协调系数与所述潜水含水层沉降量的第一乘积、所述第二变形协调系数与所述承压含水层减压降水引起的沉降量的第二乘积、所述第三变形协调系数与所述承压含水层疏干降水引起的沉降量的第三乘积；
根据所述第一乘积、所述第二乘积和所述第三乘积的和得到所述多含水层减压与疏干降水共同作用下的地表沉降量。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-3任一项所述的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。
7.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-3任一项所述的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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