CN117009719A - 一种建筑基坑内汇水量的计算方法 - Google Patents
一种建筑基坑内汇水量的计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种建筑基坑内汇水量的计算方法，具体包括如下步骤：进行雨量等级与暴雨强度的计算，并进行降雨量的取值分析；确定降雨条件下地表径流系数；降雨条件下，进行基坑内汇水面积计算；降雨条件下，进行基坑内汇水量的计算；进行基坑内外地下水的渗流机理分析；在垂直等效渗透和水平等效渗透下，进行基坑内外地下水渗流分析。将基坑渗流汇水量与降雨汇水量相加，获得基坑总汇水量。本发明提供的建筑基坑内汇水量的计算方法，能够对基坑内汇水量进行计算，通过研究各地区降雨量的取值，以及基坑内雨水汇集量的计算方法，为排水能力分析提供了依据，避免了结构的上浮。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种建筑基坑内汇水量的计算方法。
背景技术
雨水是雨季期间基坑内汇水量的主要影响因素，由于基坑开挖以及支护结构、止水帷幕的设置，基坑形成时后，改变了原有地下水渗流路径。基坑内地下水的来源，主要由雨水汇集和原有地下水的渗流组成。建造过程和使用过程雨水汇集机理有着明显的不同，对基坑内地下水位上升造成的影响也不同。
在建造过程中，建设场地范围内的面积主要由两部分组成：基坑开挖区域面积和基坑周边施工作业面积。基坑周边区域的地面，为施工作业方便多采取硬化处理措施（如铺设混凝土路面），因此，此区域面积内的降雨在地面汇集后汇集到基坑内；基坑开挖面积内的降雨直接汇集在基坑内。
建造过程中雨水及地表水可以直接汇集到基坑内部，造成基坑内地下水位上升，地下结构周围基坑未回填或回填后由于回填土不密实、孔隙率较大，回填土渗透系数较大，降雨汇集的雨水较快的渗透到基坑底部，与原地下水形成水力联系，造成基坑内地下水位上升。由于上部结构还未建造完成，地下水浮力较大，就可能造成结构抗浮失效。
此外，建筑物进入正常使用阶段后，由于建筑场区的绿化、地面及道路的硬化、排水系统的形成，使得大部分的雨水及地表水会随着排水系统排走，仅有少部分能够渗透到基坑以内的地下。另外，基坑内的回填土经过长时间自然沉降后，压缩固结，其密实度提高、孔隙率变小、渗透系数降低，使得地表水的渗入速度和渗入量均减小。因此，正确认识建造过程中雨水汇集机理，对于避免结构上浮十分重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种建筑基坑内汇水量的计算方法，解决了如何对基坑内汇水量进行计算的技术问题，通过研究各地区降雨量的取值，以及基坑内雨水汇集量的计算方法，为排水能力分析提供了依据，避免了结构的上浮。
一种建筑基坑内汇水量的计算方法，具体包括如下步骤：
步骤S1：进行雨量等级与暴雨强度的计算，并进行降雨量的取值分析；
步骤S2：确定降雨条件下地表径流系数；
步骤S3：降雨条件下，进行基坑内汇水面积计算；
步骤S4：降雨条件下，进行基坑内汇水量的计算；
步骤S5：进行基坑内外地下水的渗流机理分析；
步骤S6：在垂直等效渗透和水平等效渗透下，进行基坑内外地下水渗流分析；
步骤S7：将基坑渗流汇水量与降雨汇水量相加，获得基坑总汇水量。
所述步骤S1中，具体包括如下步骤：
步骤S11：根据气象学常识，确定雨量等级；
步骤S12：由于暴雨强度是指降雨的集中程度，一般以一次暴雨的降雨量、最大瞬间降雨强度或者小时降雨量来表示，计量单位通常以mm/min表示，计算方式为降雨量/降雨历时，通常以实际测量得出，设计暴雨强度计量单位L/(s·hm2)表示，因此按《室外排水设计标准》中的规定进行计算，见式（1）：
（1）
式中：q—设计暴雨强度[L/(s·hm2)]，按设计降雨重现期和历时计算得出的暴雨强度；t—降雨历时(min)；P—设计重现期(年)；A1，C，b，n—参数，根据统计方法进行计算确定；
步骤S13：据天气预报，可采用相关地区气象统计的累年年最大日降水量作为降水强度计算，或偏于保守的选取大暴雨的降雨量。
所述步骤S2中，根据不同阶段基坑周围的路面情况，选取地表径流系数值参与计算，考虑实际现场多种类型地面可以选用综合径流系数方法，按地面种类采用加权平均法计算见式（2）：
（2）
式中：—综合径流系数；/>—某一种类地面面积；/>—某一种类地面径流系数；SZ—基坑周边汇水面积；其中i表示下界，n表示上界， 从i开始取数，一直取到n,全部加起来，基坑周边可汇水地面无法单一界定，多为数种不同地面共同组成，故取加权平均。
所述步骤S3中，基坑总汇水面积为基坑上边缘线之内的基坑面积与基坑周边汇水面积之和，基坑总汇水面积计算见式（3）：
S=S1+SZ （3）
式中： S—基坑总汇水面积；S1—基坑上口面积；SZ—基坑周边汇水面积（建筑物基坑边缘会有硬地面，或周围边缘路，那一块的汇水面积）。
所述步骤S4中，具体包括如下步骤：
步骤S41：地下室墙外回填土完成前，地下室结构已完成，基坑内及周边的区域的水均汇集至地下室墙外与基坑之间的空间内，使梯形截面内的水位快速上升，此工况下，单位时间基坑内雨水汇水量通过降雨强度与汇水面积计算，即梯形截面单位时间基坑内雨水汇水量计算，见式（4）：
（4）
式中：v1—基坑上口面积单位时间汇水速度；S1—基坑上口面积；SJ—基坑内已建建筑面积；S2—基坑底部雨水直接影响面积；qi—降雨强度（mm/min）；
单位时间内基坑周边施工作业区雨水汇水速度，见式（5）：
（5）
式中：a—建筑场地面积与基坑上口面积之比；—地表径流系数；S1—基坑上口面积；SJ—基坑内已建建筑面积；S2—基坑底部雨水直接影响面积；qi—降雨强度（mm/min）；
由此，可以推出单位时间基坑内雨水汇水速度，见式（6）：
（6）
按此汇水速度可计算单位时间基坑内的汇水量Q1，见式（7）：
（7）
式中：Q1—汇水量（m3/h）；v—雨水汇水速度（mm/min）；S3—肥槽平均面积；
由于地下室外墙与基坑支护面之间为梯形截面，所以基坑内水位上升速度是变化的，随基坑内水位的增高，基坑与外墙之间的截面积减小，水位上升速度不断增大，为了有效的控制水位，需计算出不同水位高度时的基坑内瞬时汇水速度；假定为封闭型基坑，即不存在基坑内外的地下水渗流，基坑内部空间为四棱台，长边与短边的坡角不同，某一时间段大气降水强度恒定且未采取任何排水措施；
基坑内的水面面高度是关于汇水时间的变化量h=h(t)，当基坑汇满水时，其水体可看作四棱台，由此公式（8）计算基坑内水的体积；
（8）
式中：Q'—基坑上口单位面积汇水速度（mm3/min）；t—降水历时(min)；h—t时刻基坑内水位高度(mm)；S'—液面面积；VJ—基坑内地下结构所占体积（mm3）；
S2—基坑底部雨水直接影响面积（mm2），，S'2为基坑底面积，SJ为基坑内已建结构面积；
对等式两边进行求导，经化简整理得任意降水时刻液面高度对应的瞬时速度，见式（9）：
（9）
式中：h'—任意降水时刻液面高度对应的瞬时速度（mm/min）；t—降水历时(min)；Q'—基坑上口单位面积汇水速度（mm3/min）；S2—基坑底部雨水直接影响面积（mm2）；h—t时刻基坑内水位高度(mm)；—基坑长边方向坡角；/>—基坑短边方向坡角；
要求得水位高度的实时变化率h'，还需确定式中的h值，可取极短时间内液面的微小变化列出等式（10）：
（10）
式中：Q'—基坑上口单位面积汇水速度（mm3/min）；S2—基坑底部雨水直接影响面积（mm2）；—基坑长边方向坡角；/>—基坑短边方向坡角；h—t时刻基坑内水位高度(mm)；
对等式两边同时进行积分后化简整理得式（11）：
（11）
式中：Q'—基坑上口单位面积汇水速度（mm3/min）；t—降水历时(min)；VJ—基坑内地下结构所占体积（mm3）；S2—基坑底部雨水直接影响面积（mm2）；h—t时刻基坑内水位高度(mm)；—基坑长边方向坡角；/>—基坑短边方向坡角；C—常数，适配当前形状和空间尺寸下的基坑，使用前可通过场基坑积水试验代入式中求得；
某一降水历时下的液面实时高度，将计算结果代入式（9）即可求得水位高度的实时变化率h'；
计算Q’、h’的意义是，此两项数据为实施过程中的重要监控指标；
步骤S42：地下室墙外回填土完成后，基坑及周边汇集的雨水需通过肥槽的回填土才能渗入基坑内，当基坑及周边汇集至基坑与地下室梯形断面的上口雨水的汇水速度（v）大于回填土渗透系数（k）时，则仅有部分雨水渗透至基坑内，其他雨水则外溢至基坑周边的排水系统；当汇水速度（v）小于回填土渗透系数（k）时，则汇集的雨水全部渗透至基坑。
（1）当基坑上口梯形截面内的雨水汇水速度大于回填土渗透系数k时，单位时间基坑内雨水汇水速度计算，见公式（12）：
（12）
（2）当基坑上口梯形截面内的雨水汇水速度小于回填土渗透系数k时，单位时间基坑内雨水汇水速度计算，见公式（13）：
（13）
式中：a—建筑场地面积与基坑上口面积之比；—地表径流系数；S1—基坑上口面积；SJ—基坑内已建建筑面积；S2—基坑底部雨水直接影响面积；qi—降雨强度（mm/min）。
所述步骤S5中，若基坑外地下水位高于基坑内地下水位，基坑外地下水向基坑内渗流，基坑内地下水位上升，当基坑内外地下水位不再变化时，即基坑内外地下水渗流达到平衡，则地下水的内渗流结束；
在降雨、浇灌时，基坑内地下水位上升速度大于基坑外，当基坑内地下水位高于基坑外地下水位时，基坑内地下水将向基坑外渗流，基坑内地下水位不断下降，当基坑内外地下水位保持不变时，即基坑内外地下水渗流达到平衡，则地下水的外渗流结束。
所述步骤S6中，单位时间内基坑内外地下水通过基底渗流和基坑侧渗流引起的基坑内水量变化值称为渗流速度，见公式（14）：
vs= vs1 + vs2 （14）
式中： vs1—通过基坑侧面的侧渗流速度；vs2 —通过基底的基底渗流速度；
对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知时，即可求出整个土层与层面平行和垂直的等效渗透系数，作为渗流计算的依据；其中垂直等效渗透系数计算，见公式（15）：
（15）
而水平等效渗透系数，见公式（16）：
（16）
式中：Hi——第i层土厚度；Ki——第i层土的渗透系数。
基坑内外地下水之间的侧渗流是通过支护结构进行的，根据支护结构渗透系数与周围地基土层渗透系数的关系，可分为三种情况：
其一，当支护结构渗透系数小于基坑周围土层和基坑内回填土渗透系数时，基坑的侧渗流取决于支护结构。
其二，当基坑周围土层渗透系数小于支护结构渗透系数时，基坑周围土层可视为不透水层，则基坑按封闭型基坑考虑，可以不考虑侧渗流。
其三，当回填土渗透系数小于支护结构渗透系数时，由于回填土渗透系数很小，可认为基坑周边地下水无法进入基坑内，可以不考虑侧渗流。
所述步骤S6中，在基坑开挖，且部分区域底板完成后，采用水位监测系统，对无降雨情况下的基坑内水位进行监测，通过一段时间的水位变化，计算出相应的基坑内外地下水的渗流速度，作为基坑内外渗流量的计算依据见公式（17）：
（17）
式中：vs'—监测汇水速度，当无降雨时，即为基坑内外地下水渗流速率；—监测时间内的水位变化量；/>—监测时间；
由基坑内外渗流机理可知，渗流速度与基坑内外地下水头高度差相关。随着基坑内地下水位的升高，渗流速度不断减小，至内外水头高度一致时，达到渗流平衡，则渗流速度为零。由于监测的汇水速度是在基坑内与底板位置一致的水头高度下测得的。
为了求出基坑内不同水头高度时的渗流速度，在土层、边坡、基坑外地下水位不变的条件下，需要确定渗流速度与基坑内外水头高度差的关系，基坑底部渗流量的计算，见公式（18）：
（18）
式中：h2—基坑内外水头差；l—基坑周长；
x—基坑渗流参数，见公式（19）：
（19）
基坑侧渗流量的计算，见公式（20）：
（20）
式中：h2—基坑内外水头差；l—基坑周长；d—支护结构厚度；k1—基坑支护结构渗流系数；
在其他条件不变的情况下，依据公式（18）和公式（20），即可由监测底板位置的基坑渗流速率，推算出基坑内外不同水头差的基坑渗流速率；由于在实际工程中基坑内外渗流量以基坑底部渗流为主，基坑侧支护结构的渗流量较小，为此可以简化抗浮排水能力分析的计算，偏于保守的将监测渗流速度与水头差确定为线性关系。在已知基坑内外水头高度的情况下，可以计算出基坑内外任一水头差的渗流速率，见公式（21）：
（21）
式中：v—地下室底板部位监测的基坑内外渗流速度；hw—基坑外水头至底板底面的高度；hn—基坑内水头至底板底面的高度；
基坑单位时间渗流量Qp可由公式（22）求得：
（22）
式中：Se—基坑与地下室周边的等效面积。
所述步骤S7中，最终汇水量见公式（23）：
Q总=Q1+Q2+Q3 （23）
本发明达成以下显著效果：
（1）在基坑汇水量的计算中，传统的方法通常只考虑了降雨和施工用水等因素。本方法则对降雨强度、径流系数等参数进行了更精确的取值，并针对实际施工中常见的梯形基坑，提出了详细准确的汇水速度计算公式。本方法的另一个创新之处是，根据不同的施工工况，采用了相应的计算方式。在肥槽回填之后，还引入了回填土渗透系数进行分析，更加贴近现场实际情况。
（2）对比传统的计算方法，本方法可以更准确的计算不同工况下的基坑汇水量，可以更加有效的预测和控制降雨对基坑的影响，优化基坑降水工程的资源配置和成本控制。
（3）由建造过程中雨水汇集机理可知，由于基坑周边施工作业区地面的硬化处理，雨水很难直接渗透进入地下土层，而是根据地势坡度向基坑内汇集。基坑开挖范围内的雨水直接汇集在基坑内。地下室墙外回填土完成前后，基坑内雨水的汇入量是不同的。地下室墙外回填土（肥槽）之后，雨水经过回填土的渗流方可汇入基坑，其渗流速度和渗流量都较回填土之前小。土体的渗透系数是综合反映土体渗透能力的一个指标，渗透性强弱取决于其渗透系数，可见回填土的渗透系数是影响雨水汇集的关键指标。
附图说明
图1是建造过程基坑内雨水汇集机理示意图。
图2是汇水面积的结构示意图。
图3是基坑梯形截面的结构示意图。
图4是基坑外地下水内渗流结构示意图。
图5是内渗流时基坑内地下水位上升的结构示意图。
图6是内渗流时基坑内外渗流平衡的结构示意图。
图7是基坑外地下水外渗流结构示意图。
图8是外渗流时基坑内地下水位下降的结构示意图。
图9是外渗流时基坑内外渗流平衡的结构示意图。
图10是初始状态基坑渗流速度的结构示意图。
图11是基坑内水位上升时的渗流速度结构示意图。
其中，附图中：1、地上结构；2、地下结构；3、支挡结构；4、硬化地面；5、地下室；6、基坑外地下水位；7、基坑；8、地基土层；9、基坑内地下水位；10、支护结构；11、回填土。
具体实施方式
为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参见图1-图11，一种建筑基坑内汇水量的计算方法，具体包括如下步骤：
步骤S1：进行雨量等级与暴雨强度的计算，并进行降雨量的取值分析；
步骤S2：确定降雨条件下地表径流系数；
步骤S3：降雨条件下，进行基坑7内汇水面积计算；
步骤S4：降雨条件下，进行基坑7内汇水量的计算；
步骤S5：进行基坑7内外地下水的渗流机理分析；
步骤S6：在垂直等效渗透和水平等效渗透下，进行基坑7内外地下水渗流分析；
步骤S7：将基坑7渗流汇水量与降雨汇水量相加，获得基坑7总汇水量。
所述步骤S1中，具体包括如下步骤：
步骤S11：根据气象学常识，确定雨量等级；
气象部门关于雨量等级规定详见表1：
表1 雨量等级
| 序号 | 等级 | 12h降水量（mm） | 24h降雨量（mm） | 序号 | 等级 | 12h降水量（mm） | 24h降雨量（mm） |
| 1 | 小雨 | 0-4.9 | 0-9.9 | 4 | 暴雨 | 30.0-69.9 | 50.0-99.9 |
| 2 | 中雨 | 5.0-14.9 | 10.0-24.9 | 5 | 大暴雨 | 70.0-140.0 | 100.0-250.0 |
| 3 | 大雨 | 15.0-29.9 | 25.0-49.9 | 6 | 特大暴雨 | ＞140 | ＞250 |
步骤S12：由于暴雨强度是指降雨的集中程度，一般以一次暴雨的降雨量、最大瞬间降雨强度或者小时降雨量来表示，计量单位通常以mm/min表示，计算方式为降雨量/降雨历时，通常以实际测量得出，设计暴雨强度计量单位L/(s·hm2)表示，因此按《室外排水设计标准》中的规定进行计算，见式（1）：
（1）
式中：q—设计暴雨强度[L/(s·hm2)]，按设计降雨重现期和历时计算得出的暴雨强度；t—降雨历时(min)；P—设计重现期(年)；A1，C，b，n—参数，根据统计方法进行计算确定；
步骤S13：据天气预报，可采用相关地区气象统计的累年年最大日降水量作为降水强度计算，或偏于保守的选取大暴雨的降雨量。
所述步骤S2中，根据不同阶段基坑7周围的路面情况，选取地表径流系数值参与计算，考虑实际现场多种类型地面可以选用综合径流系数方法，按地面种类采用加权平均法计算见式（2）：
（2）
式中：—综合径流系数；/>—某一种类地面面积；/>—某一种类地面径流系数；SZ—基坑周边汇水面积；其中i表示下界，n表示上界， 从i开始取数，一直取到n,全部加起来，基坑7周边可汇水地面无法单一界定，多为数种不同地面共同组成，故取加权平均。需要说明的是，地表渗流是影响基坑7内汇水量的重要因素，不同种类地面的地表径流系数差异较大，各类地面的地表径流系数见表2：
表2 地表径流系数
| 地面种类 | Ψ | 地面种类 | Ψ |
| 各种屋面、混凝土或沥青路面 | 0.85~0.95 | 公园或绿地 | 0.10~0.20 |
| 大块石铺砌路面或沥青表面各种的碎石路面 | 0.55~0.65 | 城镇建筑密集区 | 0.60~0.70 |
| 级配碎石路面 | 0.40~0.50 | 城镇建筑较密集区 | 0.45~0.60 |
| 干砌砖石或碎石路面 | 0.35~0.40 | 城镇建筑稀疏区 | 0.20~0.45 |
| 非铺砌土路面 | 0.25~0.35 |
所述步骤S3中，基坑7总汇水面积为基坑7上边缘线之内的基坑面积与基坑周边汇水面积之和，基坑7总汇水面积计算见式（3）：
S=S1+SZ （3）
式中： S—基坑总汇水面积；S1—基坑上口面积；SZ—基坑周边汇水面积（建筑物基坑7边缘会有硬地面，或周围边缘路，那一块的汇水面积）。
所述步骤S4中，具体包括如下步骤：
步骤S41：地下室5墙外回填土11完成前，地下室5结构已完成，基坑7内及周边的区域的水均汇集至地下室5墙外与基坑7之间的空间内，使梯形截面内的水位快速上升，此工况下，单位时间基坑7内雨水汇水量可通过降雨强度与汇水面积计算，即梯形截面单位时间基坑7内雨水汇水量计算，见式（4）：
（4）
式中：v1—基坑上口面积单位时间汇水速度；S1—基坑上口面积；SJ—基坑内已建建筑面积；S2—基坑底部雨水直接影响面积；qi—降雨强度（mm/min）；
单位时间内基坑7周边施工作业区雨水汇水速度，见式（5）：
（5）
式中：a—建筑场地面积与基坑上口面积之比；—地表径流系数；S1—基坑上口面积；SJ—基坑内已建建筑面积；S2—基坑底部雨水直接影响面积；qi—降雨强度（mm/min）；
由此，可以推出单位时间基坑7内雨水汇水速度，见式（6）：
（6）
按此汇水速度可计算单位时间基坑7内的汇水量Q1，见式（7）：
（7）
式中：Q1—汇水量（m3/h）；v—雨水汇水速度（mm/min）；S3—肥槽平均面积；
由于地下室5外墙与基坑7支护面之间为梯形截面，所以基坑7内水位上升速度是变化的，随基坑7内水位的增高，基坑7与外墙之间的截面积减小，水位上升速度不断增大，为了有效的控制水位，需计算出不同水位高度时的基坑内瞬时汇水速度；假定为封闭型基坑，即不存在基坑7内外的地下水渗流，基坑7内部空间为四棱台，长边与短边的坡角不同，某一时间段大气降水强度恒定且未采取任何排水措施；
基坑7内的水面面高度是关于汇水时间的变化量h=h(t)，当基坑7汇满水时，其水体可看作四棱台，由此公式（8）计算基坑7内水的体积；
（8）
式中：Q'—基坑上口单位面积汇水速度（mm3/min）；t—降水历时(min)；h—t时刻基坑内水位高度(mm)；S'—液面面积；VJ—基坑内地下结构所占体积（mm3）；
S2—基坑底部雨水直接影响面积（mm2），，S'2为基坑底面积，SJ为基坑内已建结构面积；
对等式两边进行求导，经化简整理得任意降水时刻液面高度对应的瞬时速度，见式（9）：
（9）
式中：h'—任意降水时刻液面高度对应的瞬时速度（mm/min）；t—降水历时(min)；Q'—基坑上口单位面积汇水速度（mm3/min）；S2—基坑底部雨水直接影响面积（mm2）；h—t时刻基坑内水位高度(mm)；—基坑长边方向坡角；/>—基坑短边方向坡角；
要求得水位高度的实时变化率h'，还需确定式中的h值，可取极短时间内液面的微小变化列出等式（10）：
（10）
式中：Q'—基坑上口单位面积汇水速度（mm3/min）；S2—基坑底部雨水直接影响面积（mm2）；—基坑长边方向坡角；/>—基坑短边方向坡角；h—t时刻基坑内水位高度(mm)；
对等式两边同时进行积分后化简整理得式（11）：
（11）
式中：Q'—基坑上口单位面积汇水速度（mm3/min）；t—降水历时(min)；VJ—基坑内地下结构所占体积（mm3）；S2—基坑底部雨水直接影响面积（mm2）；h—t时刻基坑内水位高度(mm)；—基坑长边方向坡角；/>—基坑短边方向坡角；C—常数，适配当前形状和空间尺寸下的基坑，使用前可通过场基坑积水试验代入式中求得；
某一降水历时下的液面实时高度，将计算结果代入式（9）即可求得水位高度的实时变化率h'；
计算Q’、h’的意义是，此两项数据为实施过程中的重要监控指标；
步骤S42：地下室5墙外回填土11完成后，基坑7内及周边汇集的雨水需通过回填土11才能渗入到基坑7内；
土体的渗透系数是综合反映土体渗透能力的一个指标，渗透性强弱取决于其渗透系数，可见回填土11的渗透系数是影响雨水汇集的关键指标。渗透系数的大小主要与土的种类（砂土、粘性土）、土的物理指标（密实度、孔隙率）等有关，通过对各地区常用回填土11种类及回填工艺调研，给出常见回填土11种类及渗透系数见下表3：
表3 常见回填土渗透系数
| 种 类 | 渗透系数k（cm/s） | 种 类 | 渗透系数k（cm/s） |
| 素填土 | 10-4~10-3 | 粉砂 | 6.0×10-4～1.2×10-3 |
| 风化砂 | 5×10-3~10-1 | 细砂 | 1.2×10-3～6.0×10-3 |
| 黏土 | ＜1.2×10-6 | 中砂 | 6.0×10-3～2.4×10-2 |
| 粉质黏土 | 1.2×10-6～6.0×10-6 | 粗砂 | 2.4×10-2～6.0×10-2 |
| 黏质粉土 | 6.0×10-5～6.0×10-4 | 砾砂 | 6.0×10-2～1.8×10-1 |
| 黄土 | 3.0×10-4～6.0×10-4 | 砾石 | ＞10-1 |
注：表中渗透系数与土的密实度相关。土的密实度由松散至密实，渗透系数由大至小取值。
基坑7及周边汇集的雨水需通过肥槽的回填土才能渗入基坑7内，当基坑7及周边汇集至基坑7与地下室5梯形断面的上口雨水的汇水速度大于回填土11渗透系数时，则仅有部分雨水渗透至基坑7内，其他雨水则外溢至基坑7周边的排水系统；当基坑7及周边雨水汇集至基坑7与地下室5梯形断面上口的汇水速度小于回填土11渗透系数时，则汇集的雨水全部渗透至基坑7。
（1）当基坑7上口梯形截面内的雨水汇水速度大于回填土11渗透系数时，单位时间内基坑7内雨水汇水速度的计算，见公式（12）：
（12）
（2）当基坑7上口梯形截面内的雨水汇水速度小于回填土11渗透系数时，单位时间内基坑7内雨水汇水速度的计算，见公式（13）：
（13）/>
式中：a—建筑场地面积与基坑上口面积之比；—地表径流系数；S1—基坑上口面积；SJ—基坑内已建建筑面积；S2—基坑底部雨水直接影响面积；qi—降雨强度（mm/min）。
所述步骤S5中，若基坑外地下水位6高于基坑内地下水位9，基坑外地下水向基坑7内渗流，基坑内地下水位9上升，当基坑7内外地下水位不再变化时，即基坑7内外地下水渗流达到平衡，则地下水的内渗流结束；
在降雨、浇灌时，基坑内地下水位9上升速度大于基坑外，当基坑内地下水位9高于基坑外地下水位6时，基坑7内地下水将向基坑外渗流，基坑内地下水位不断下降，当基坑7内外地下水位保持不变时，即基坑7内外地下水渗流达到平衡，则地下水的外渗流结束。
所述步骤S6中，单位时间内基坑7内外地下水通过基底渗流和基坑侧渗流引起的基坑7内水量变化值称为渗流速度，见公式（14）：
vs= vs1 + vs2 （14）
式中： vs1—通过基坑侧面的侧渗流速度；vs2 —通过基底的基底渗流速度；
对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知时，即可求出整个土层与层面平行和垂直的等效渗透系数，作为渗流计算的依据；其中垂直等效渗透系数计算，见公式（15）：
（15）
而水平等效渗透系数，见公式（16）：
（16）
式中：Hi——第i层土厚度；Ki——第i层土的渗透系数。
基坑7内外地下水之间的侧渗流是通过支护结构10进行的，根据支护结构10渗透系数与周围地基土层8渗透系数的关系，可分为三种情况：
其一，当支护结构10渗透系数小于基坑周围土层和基坑内回填土渗透系数时，基坑的侧渗流取决于支护结构10。
其二，当基坑周围土层渗透系数小于支护结构10渗透系数时，基坑周围土层可视为不透水层，则基坑按封闭型基坑考虑，可以不考虑侧渗流。
其三，当回填土11渗透系数小于支护结构10渗透系数时，由于回填土11渗透系数很小，可认为基坑周边地下水无法进入基坑内，可以不考虑侧渗流。
所述步骤S6中，在基坑开挖，且部分区域底板完成后，采用水位监测系统，对无降雨情况下的基坑内水位进行监测，通过一段时间的水位变化，计算出相应的基坑内外地下水的渗流速度，作为基坑内外渗流量的计算依据见公式（17）：
（17）
式中：vs'—监测汇水速度，当无降雨时，即为基坑内外地下水渗流速率；—监测时间内的水位变化量；/>—监测时间；/>
由基坑7内外渗流机理可知，渗流速度与基坑内外地下水头高度差相关。随着基坑内地下水位的升高，渗流速度不断减小，至内外水头高度一致时，达到渗流平衡，则渗流速度为零。由于监测的汇水速度是在基坑内与底板位置一致的水头高度下测得的。
为了求出基坑7内不同水头高度时的渗流速度，在土层、边坡、基坑外地下水位6不变的条件下，需要确定渗流速度与基坑内外水头高度差的关系，基坑底部渗流量的计算，见公式（18）：
（18）
式中：h2—基坑内外水头差；l—基坑周长；
x—基坑渗流参数，见公式（19）：
（19）
基坑侧渗流量的计算，见公式（20）：
（20）
式中：h2—基坑内外水头差；l—基坑周长；d—支护结构厚度；k1—基坑支护结构渗流系数；
在其他条件不变的情况下，依据公式（18）和公式（20），即可由监测底板位置的基坑7渗流速率，推算出基坑7内外不同水头差的基坑7渗流速率；由于在实际工程中基坑7内外渗流量以基坑7底部渗流为主，基坑7侧支护结构10的渗流量较小，为此可以简化抗浮排水能力分析的计算，偏于保守的将监测渗流速度与水头差确定为线性关系。在已知基坑内外水头高度的情况下，可以计算出基坑内外任一水头差的渗流速率，见公式（21）：
（21）
式中：v—地下室底板部位监测的基坑内外渗流速度；hw—基坑外水头至底板底面的高度；hn—基坑内水头至底板底面的高度；
基坑单位时间渗流量Qp可由公式（22）求得：
（22）
式中：Se—基坑与地下室周边的等效面积。
所述步骤S7中，最终汇水量见公式（23）：
Q总=Q1+Q2+Q3 （23）
需要说明的是，支挡结构3指的是基坑外边缘一圈挡水台之类的构筑物，支护结构10是地下结构侧壁采用的保护措施。
本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种建筑基坑内汇水量的计算方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤S1：进行雨量等级与暴雨强度的计算，并进行降雨量的取值分析；
步骤S2：确定降雨条件下地表径流系数；
步骤S3：降雨条件下，进行基坑内汇水面积计算；
步骤S4：降雨条件下，进行基坑内汇水量的计算；
步骤S5：进行基坑内外地下水的渗流机理分析；
步骤S6：在垂直等效渗透和水平等效渗透下，进行基坑内外地下水渗流分析；
步骤S7：将基坑渗流汇水量与降雨汇水量相加，获得基坑总汇水量。
2.根据权利要求1所述的建筑基坑内汇水量的计算方法，其特征在于，所述步骤S1中，具体包括如下步骤：
步骤S11：根据气象学常识，确定雨量等级；
步骤S12：由于暴雨强度是指降雨的集中程度，以一次暴雨的降雨量、最大瞬间降雨强度或者小时降雨量来表示，计量单位以mm/min表示，计算方式为降雨量/降雨历时，以实际测量得出，设计暴雨强度计量单位L/(s·hm2)表示，见式（1）：
（1）
式中：q—设计暴雨强度，按设计降雨重现期和历时计算得出的暴雨强度；t—降雨历时；P—设计重现期；A1，C，b，n—参数，根据统计方法进行计算确定；
步骤S13：据天气预报，采用相关地区气象统计的累年年最大日降水量作为降水强度计算，或偏于保守的选取大暴雨的降雨量。
3.根据权利要求1所述的建筑基坑内汇水量的计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据不同阶段基坑周围的路面情况，选取地表径流系数值参与计算，考虑实际现场多种类型地面，选用综合径流系数方法，按地面种类采用加权平均法计算见式（2）：
（2）
式中：—综合径流系数；/>—某一种类地面面积；/>—某一种类地面径流系数；SZ—基坑周边汇水面积。
4.根据权利要求1所述的建筑基坑内汇水量的计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，基坑总汇水面积为基坑上边缘线之内的基坑面积与基坑周边汇水面积之和，基坑总汇水面积计算见式（3）：
S=S1+SZ （3）
式中： S—基坑总汇水面积；S1—基坑上口面积；SZ—基坑周边汇水面积。
5.根据权利要求1所述的建筑基坑内汇水量的计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，具体包括如下步骤：
步骤S41：地下室墙外回填土完成前，地下室结构已完成，基坑内及周边的区域的水均汇集至地下室墙外与基坑之间的空间内，使梯形截面内的水位快速上升，此工况下，单位时间基坑内雨水汇水量通过降雨强度与汇水面积计算，即梯形截面单位时间基坑内雨水汇水量计算见式（4）：
（4）
式中：v1—基坑上口面积单位时间汇水速度；S1—基坑上口面积；SJ—基坑内已建建筑面积；S2—基坑底部雨水直接影响面积；qi—降雨强度；
单位时间基坑周边施工作业区雨水汇水速度见式（5）：
（5）
式中：a—建筑场地面积与基坑上口面积之比；—地表径流系数；S1—基坑上口面积；SJ—基坑内已建建筑面积；S2—基坑底部雨水直接影响面积；qi—降雨强度；
由此，可以推出单位时间基坑内雨水汇水速度，见式（6）：
（6）
按此汇水速度可计算单位时间基坑内的汇水量Q1，见式（7）：
（7）
式中：Q1—汇水量；v—雨水汇水速度；S3—肥槽平均面积；
由于地下室外墙与基坑支护面之间为梯形截面，所以基坑内水位上升速度是变化的，随基坑内水位的增高，基坑与外墙之间的截面积减小，水位上升速度不断增大，为了有效的控制水位，需计算出不同水位高度时的基坑内瞬时汇水速度；假定为封闭型基坑，即不存在基坑内外的地下水渗流，基坑内部空间为四棱台，长边与短边的坡角不同，某一时间段大气降水强度恒定且未采取任何排水措施；
基坑内的水面高度是关于汇水时间的变化量h=h(t)，当基坑汇满水时，其水体可看作四棱台，由此公式（8）计算基坑内水的体积；
（8）
式中：Q'—基坑上口单位面积汇水速度；t—降水历时；h—t时刻基坑内水位高度；S'—液面面积；VJ—基坑内地下结构所占体积；
S2—基坑底部雨水直接影响面积，，S'2为基坑底面积，SJ为基坑内已建结构面积；
对等式两边进行求导，经化简整理得任意降水时刻液面高度对应的瞬时速度，见式（9）：
（9）
式中：h'—任意降水时刻液面高度对应的瞬时速度；t—降水历时；Q'—基坑上口单位面积汇水速度；S2—基坑底部雨水直接影响面积；h—t时刻基坑内水位高度；—基坑长边方向坡角；/>—基坑短边方向坡角；
要求得水位高度的实时变化率h'，还需确定式中的h值，可取极短时间内液面的微小变化列出等式（10）：
（10）
式中：Q'—基坑上口单位面积汇水速度；S2—基坑底部雨水直接影响面积；—基坑长边方向坡角；/>—基坑短边方向坡角；h—t时刻基坑内水位高度；
对等式两边同时进行积分后化简整理得式（11）：
（11）
式中：Q'—基坑上口单位面积汇水速度；t—降水历时；VJ—基坑内地下结构所占体积；S2—基坑底部雨水直接影响面积；h—t时刻基坑内水位高度；—基坑长边方向坡角；/>—基坑短边方向坡角；C—常数，适配当前形状和空间尺寸下的基坑，使用前可通过场基坑积水试验代入式中求得；
某一降水历时下的液面实时高度，将计算结果代入式（9）即可求得水位高度的实时变化率h'；
步骤S42：地下室墙外回填土完成后，基坑内及周边汇集的雨水需通过回填土才能渗入到基坑内；
当基坑上口梯形截面内的雨水汇水速度大于回填土渗透系数k时，单位时间基坑内雨水汇水速度计算，见公式（12）：
（12）
当基坑上口梯形截面内的雨水汇水速度小于回填土渗透系数k时，单位时间基坑内雨水汇水速度计算，见公式（13）：
（13）
式中：a—建筑场地面积与基坑上口面积之比；—地表径流系数；S1—基坑上口面积；SJ—基坑内已建建筑面积；S2—基坑底部雨水直接影响面积；qi—降雨强度。
6.根据权利要求1所述的建筑基坑内汇水量的计算方法，其特征在于，所述步骤S5中，若基坑外地下水位高于基坑内地下水位，基坑外地下水向基坑内渗流，基坑内地下水位上升，当基坑内外地下水位不再变化时，即基坑内外地下水渗流达到平衡，则地下水的内渗流结束；
在降雨、浇灌时，基坑内地下水位上升速度大于基坑外，当基坑内地下水位高于基坑外地下水位时，基坑内地下水将向基坑外渗流，基坑内地下水位不断下降，当基坑内外地下水位保持不变时，即基坑内外地下水渗流达到平衡，则地下水的外渗流结束。
7.根据权利要求1所述的建筑基坑内汇水量的计算方法，其特征在于，所述步骤S6中，单位时间内基坑内外地下水通过基底渗流和基坑侧渗流引起的基坑内水量变化值称为渗流速度，见公式（14）：
vs= vs1 + vs2 （14）
式中：vs1—通过基坑侧面的侧渗流速度；vs2 —通过基底的基底渗流速度；
对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知时，即可求出整个土层与层面平行和垂直的等效渗透系数，作为渗流计算的依据；其中垂直等效渗透系数计算，见公式（15）：
（15）
而水平等效渗透系数，见公式（16）：
（16）
式中：Hi——第i层土厚度；Ki——第i层土的渗透系数。
8.根据权利要求1所述的建筑基坑内汇水量的计算方法，其特征在于，所述步骤S6中，在基坑开挖，且部分区域底板完成后，采用水位监测系统，对无降雨情况下的基坑内水位进行监测，通过一段时间的水位变化，计算出相应的基坑内外地下水的渗流速度，作为基坑内外渗流量的计算依据见公式（17）：
（17）
式中：vs'—监测汇水速度，当无降雨时，即为基坑内外地下水渗流速率；—监测时间内的水位变化量；/>—监测时间；
为了求出基坑内不同水头高度时的渗流速度，在土层、边坡、基坑外地下水位不变的条件下，需要确定渗流速度与基坑内外水头高度差的关系，基坑底部渗流量的计算，见公式（18）：
（18）
式中：h2—基坑内外水头差；l—基坑周长；
x—基坑渗流参数，见公式（19）：
（19）
基坑侧渗流量的计算，见公式（20）：
（20）
式中：h2—基坑内外水头差；l—基坑周长；d—支护结构厚度；k1—基坑支护结构渗流系数；
在其他条件不变的情况下，依据公式（18）和公式（20），即可由监测底板位置的基坑渗流速率，推算出基坑内外不同水头差的基坑渗流速率；在已知基坑内外水头高度的情况下，可以计算出基坑内外任一水头差的渗流速率，见公式（21）：
（21）
式中：v—地下室底板部位监测的基坑内外渗流速度；hw—基坑外水头至底板底面的高度；hn—基坑内水头至底板底面的高度；
基坑单位时间渗流量Qp可由公式（22）求得：
（22）
式中：Se—基坑与地下室周边的等效面积。
9.根据权利要求1所述的建筑基坑内汇水量的计算方法，其特征在于，所述步骤S7中，最终汇水量见公式（23）：
Q总=Q1+Q2+Q3 （23）。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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