（岩土工程专业论文）底部深厚强透水基坑的非稳定渗流数值模拟与控制研究.pdf

摘要 摘要 基坑渗流控制是关系到基坑安全及基坑周围构筑物沉降的关键因素。尤其是对于水头 较高且基坑上部为弱透水而底部以下为深厚强透水层的情况，由于采取常用的渗流堵截法 经济成本过大，或根本无法进行旌工。这时就要考虑采用疏导的办法。即利用悬挂式止水 帷幕并结合坑内抽水、坑外回灌的方式，使基坑内外的渗流达到动态的平衡，从而降低基 坑内水位到要求的深度，同时保持基坑外围水位基本维持在原位不变。 本文正是结合这一思想，基于三维非稳定渗流的基本方程，应用s e e p 3 d 程序对三维 非稳定渗流进行数值模拟分析。通过调整基坑降水、回灌的各种参量，对基坑降水进行了 大量的计算，得到了各参量对降水效果的影响；并通过系统分折，揭示了此种情况下基坑 非稳定渗流的运动特征与规律，提供了结合实际工程条件确定各影响变量的依据；所得到 的结论可为该类基坑工程的设计和施工提供参考。 关键词：强透水基坑抽水回灌系统三维非稳定渗流渗流控制 a b s t r a c t t h es e e p a g ec o n t r o l l i n gi st h ek e yf a c t o rt h a th a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h es a f e t yo f f o u n d a t i o np i ta n dt h es t r u c t u r e ss e t t l e m e n t sn e a r b y e s p e c i a l l yw h e nf o u n d a t i o np i tw i t hh i g h w a t e rl e v e lh a ss t r o n gp e r m e a b l eb o t t o m , i ts h o u l dh ec o n s i d e r e dl e a d 堍w a y , n a m e l y d e w a t e r i n g - r e c k c u l a t i o ns y s t e m ，i n s t e a do f u s i n gs t r e a mc l o s u r ew h i c hr e q u i r eo v e r m u c hc o s t o rc a n n o tb ec a r r i e do u t b yu s m gs u s p e n d e ds e a ld i a p h r a g mw a l la n dp u m p i n gi n s i d eo fp i t - d o u c h i n go u t s i d eo f p i t ，t h ed y n a m i cb a l a n c eo f p i ts e e p a g ec a l lb ea c h i e v e d ，a n dn o to n l yt h e w a t e rl e v e li nt h ep i tc a l lb ea c h i e v e db u ta l s ot h ew a t e rl e v e lo u t s i d et h ep i tc a nb ek e p to r i g i n a l p o s i t i o n b a s e do nt h eb a s i ce q u a t i o nf o r3 - du n s t e a d ys e e p a g ef l o w ：t h i sp a p e ra n a l y z e d3 - d u n s t e a d ys e e p a g ef i e l d b yc h a n g i n gt h ev a l u e so fv a r yp a r a m e t e r s ，t h ee f f e c t so f t h ep a r a m e t e r s o nt h ed e w a t e r i n gc a l lb eo b t a i n e db yal a r g em o u n to f c a l c u l a t i o n so ns e e p a g eo nf o u n d a t i o np i t e x c a v a t m ms i m u l t a n e i t y , t h i sp a p e rd i s c o v e r ss o m er u l e so f t h eu n s t e a d ys e e p a g ea n dg e t ss o i i 豫 v a l u a b l er e s u l t sf o rd e s i g n i n gt h es c h e m eo f e x c a v a t i n gf o u n d a t i o np i t k e yw o r d s ：h i g h l yp e r m e a b l ef o u n d a t i o np i t ，d e w a t e r i n g - r e c i r e u l a t i o ns y s t e m , 3 - du n s t e a d y s e e p a g e ，s e e p a g ec o n t r o l l i n g 一 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指 导下进行的研究工作以及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以表住和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或者撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用 过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论文中作了明确的说明， 并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归 广东工业大学所有。 申请学位论文资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 溽率 ：纬；埘 炒7 年月日 炒牛6 月h | 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国城市化进程的加快，住宅及工业用地愈发紧张，如何开发和利用 地下空间从而提高土地的利用率，是解决或缓解经济发展及城市建设与土地资源 之间矛盾的有效方法。作为地下空间开发利用的一项关键技术，基坑支护技术具 有很强的区域特点，由于不同地区有它自身的特殊地质和水文条件，这就要求所 采取的基坑支护技术方案必须和当地的地下条件相结合，才能使基坑工程得以顺 利进行。 我国幅员辽阔，由于第四纪的沉积和冲击层分布广泛，许多地区发育有深 厚的砂层，厚度一般可达几十米、有的地方可达上百米，典型的地区如长江三角 洲、珠江三角洲等。在这些地区，河道密布，地下水丰富。而冲击所形成的含水 层贮水条件好，渗透性强。在这些地区进行基坑开挖，面临的最重要的问题就是 地下水的控制，这是因为深基坑开挖所面临的问题都毫不例外地与地下水有关 ”1 ，且大量的工程实践表明，大大小小的基坑工程事故多与地下水有关。在基 坑开挖期间，一些最不利的情况都是出现在地下水位以下，它不仅使工作条件变 得恶劣，而且易造成管涌、坑底隆起、流砂和坑壁的剥落、坍塌，甚至引起周围 建筑物沉降、倾斜、裂缝和倒塌等1 。唐业清曾对国内1 0 3 项基坑工程事故进行 了调查和详细的分析，统计出事故发生的原因，发现其中因设计不当引发的事故 占4 5 ，因施工不当引发的事故占3 3 5 ，因地下水处理不当引发的事故占2 2 。因 此，可以说地下水是引起基坑工程事故的重要因素之一。 地下水的控制措施有很多，而对于基坑底层为强透水层的地质条件下开挖 基坑，常采用设置止水帷幕的方法进行止水，但是当透水层厚度较大时，若通过 设置止水措施如止水搅拌桩等把透水层完全截断，不仅造价高，而且施工极其困 难，有时甚至是无法实现的，这就要求探讨其他有效方式来解决这种问题。 本文就是针对这类地区特殊的工程地质和水文地质条件，以工程实际应用 为背景，结合拟采用的降水一回灌系统，通过在浅地层中采用放坡结合短桩简易 支护( 见图l 1 ) ，研究底部强透水基坑的渗流规律与特点，从而达到降低坑内 广东工业大学下学硕士学位论文 地下水位，并维持和稳定坑外地下水位，避免地下水位下降对周围环境影响的目 的。 基岩 图1 1 抽水一回灌系统结合短桩支护简图 f i g 1 - lt h es k e t c ho fp u m p i n g r e c h a r g i n gs y s t e mw i t hd i a p h r a g mw a l l 该系统利用水压平衡原理，使地下水在基底以下的透水层中稳定地循环流 动，在基坑开挖而降低地下水位的同时，向基坑外的地下水施加逆向水压力以减 小循环流动的流量，维持和稳定坑外的地下水位，避免地下水位下降对周围环境 的影响。在整个施工过程，地下水只在基底以下透水层中通过过滤小流量地稳定 循环，同时保持基坑外的地下水位基本不变，这样巧妙地避免了直接降水导致的 基坑涌水失稳、坍塌和周围房屋、管线开裂甚至倾斜倒塌等一系列危害，具有巨 大的经济和社会效益。 时至今日，一些地区已有采用这一地下水控制技术的工程实例，并取得 了成功，但是，该技术还处于经验摸索状态，使得在工程应用上大大受到限制， 本文j 下是基于这一现实，拟借助有限元计算等手段，通过建立数学模型对各种参 数、影响因素等进行分析，以期为该项技术的进一步完善提供理论依据。 1 2 地下水渗流研究的发展概况 多孔介质是指由固体骨架和相互连通的孔隙、裂隙或各种类型毛细管所组成 的材料。渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规律的科学，渗流力学是一门 流体力学与岩石力学、土力学、多孔介质理论、表面物理学交叉渗透而形成的学 科。渗流力学最先是作为许多学科的边缘学科而发展的，其既是水力学又是岩土 2 第一一章绪论 力学所不可缺少的组成部分，同时也是水工结构、水文地质、地下水文、农田水 利、灌溉排水、地下水资源开发利用以及石油开采等学科中的部分内容。渗流力 学作为渗流学科的核心课程，在2 0 世纪更是受到国际学术界和工程界的高度重 视，随着各有关学科的不断发展和生产实践中提出的渗流问题日益广泛复杂，渗 流己逐渐发展成为具有自己的理论、方法和应用范围的独立学科。目前，己有渗 流水力学、岩土水力学、地下水力学、渗流力学、地下水动力学、多孔介质中流 体动力学等多个渗流专著出版。 古典渗流理论根据连续介质力学的基本思路，提出单元宏观体概念，即所选 取的研究单元体若与地下结构的表观尺寸相比应当是足够小的，以致所有的参变 量的平均值无明显差异；同时，据以求出各参数平均值的单元体与岩土介质内部 微观结构的特征尺度相比，则应当足够大，以便在此单元体内能够包括所研究对 象的所有宏观物理力学特征。 事实上，单元宏观体是由众多土体的微观结构体颗粒杂乱无章的互相堆积而 成的介质骨架，地下水沿着土体颗粒之间的微观流管流动，且不同的水流质点在 微观流管内不同的位置上以不同的速度运动着。 1 8 5 2 年1 8 5 5 年法国工程师h e n r yd a r c y 通过垂直圆管中的砂土透水性渗流 试验，建立了著名的d a r c y 定律，由此奠定了渗流计算理论的基础。该定律是对 地下水运动规律定量化认识的开始，目前它仍然是研究地下水运动的基础理论。 与d a r c y 同时期的j d u p u i t ( 1 8 6 3 ) 根据d a r c y 定律研究了地下水一维稳定流动和 向水井的二维稳定运动规律。 p f o r c h h e i m e r ( 1 9 0 1 ) 等又研究了更为复杂的地下水渗流问题，从而奠定了 地下水稳定渗流理论的基础。稳定渗流理论不包括时自】变量，只能用以描述地下 水所能达到的一种暂时的、相对的平衡状态，而不能反映不断变化的地下水实际 运动状态。这一阶段的主要标志是以c 列宾逊、m 麦斯盖特等学者利用一般的有 关连续介质力学的概念建立了以研究水井渗流问题为特征的古典水动力学渗流 理论。 1 9 0 4 年，j b o u s s i n e s q 提出了地下水非稳定流的偏微分方程，它与一般的 热传导方程十分相似：0 e m e i n z e r ( 1 9 2 8 ) 则研究了地下水运动的不稳定性及承 压含水层的贮水性质：c v t h e i s ( 1 9 3 5 ) 在此基础上提出了地下水向承压水井的 非稳定渗流公式，将热传导求解技术应用到研究地下水运动规律的领域。 广东_ 业大学工学硕士学位论文 j a c o b ( 1 9 0 4 ) 参照热传导理论建立了地下水渗流运动的基本微分方程，h h 斯 特里热夫( 1 9 4 6 ) 首次定性地阐述了液体在可压缩地层中渗流理论的物理基础，并 描述了地应力作用下地下水流动的基本特征，以及岩士介质孔隙度和渗透率的降 低、岩土骨架局部不可逆转变形的基本性质。在此基础上，苏联学者逐步建立起 完整的弹性方式渗流理论( 1 9 5 7 ) 和弹塑性方式渗流理论( 1 9 5 9 ) 。这些渗流理论均 考虑到岩土介质骨架的不可逆变形的影响。h m 盖尔谢瓦诺夫和j i e 帕里申 ( 1 9 4 8 ) ，b a 福劳林( 1 9 5 3 ) 在研究岩土介质同结理论的过程中，将其渗透率视为 士体孔隙度的函数，且孔隙度本身随着外加荷载作用而变化。a h 哈万斯基( 1 9 5 3 ) 则认为岩土介质的孔隙度是压力的等势函数。 b o u l t o nn s ( 1 9 5 4 ，1 9 6 3 ) ，h a n t u s hm s ( 1 9 5 5 。1 9 6 0 ，1 9 6 7 ) ， n e u m a n s p ( 1 9 6 9 ，1 9 7 2 ，1 9 7 5 ) 等进行了不同条件下地下水非稳定渗流运动的理 论研究，并各自推导出各种条件下地下水非稳定渗流运动的解析公式，这些基于 求解非稳定流的解析法不仅推广了t h i e s 公式，而且建立了地下水越流理论和潜 水含水层的非稳定流理论。 总之，这一阶段的主要特点是出现了各种严格定量的水动力学方法，从宏观 研究入手，用连续介质方法对均质液体的各种渗流问题进行了大量的理论研究。 诸如分离变量法、积分法、镜像法和b o l t z m a n n 变换等各种解析方法得到广泛的 应用。从数学角度看，可归结为研究各种各样热传导或位势理论的二维边界问题。 1 9 3 1 年，r i c h a r d s 将d a r c y 的线性渗流理论推广应用到非饱和渗流中以后， 人们才开始了非饱和渗流的研究。水渗流所满足的控制方程r i c h a r d s 方程很快便 建立起来，随后基于r i c h a r d s 控制方程的饱和一非饱和渗流后来得到了深入的研 究，并成功地应用到许多实际工程中。 从二十世纪五十年代至六十年代前期以电网络为代表的模拟技术逐渐成为 研究地下水渗流问题的主要手段。六十年代后期以计算机为基础的数值模拟技术 又使人们在分析地下水运动问题的能力获得了突破性进展。 数值解法早期多采用有限差分法，1 9 5 6 年，z i e n k i e w i c z 将有限元法引入地 下水渗流领域，s a n d h u 和w i l s o n ( 1 9 6 9 ) 提出了地下水渗流运动方程的广义变分原 理，为用有限元法求解渗流问题奠定了数学物理基础。 这一阶段的主要特点是力求在定量的渗流规律中直接反映均质与非均质，各 向同性与各向异性多孔介质复杂渗流过程的本质，发展和完善各种地下水渗流问 4 第一章绪论 题求解的方法。 1 3 基坑工程降水设计方法及降水引起的负面影响 当基坑和基础旅工期间的最高地下水位高于坑底设计标高时，应对地下水进 行处理，保证开挖期间获得干燥的作业面，保证坑底、基坑边坡和基础底板的稳 定，避免产生流砂、管涌，防止坑壁土体的坍塌，保证施工安全和工程质量，同 时确保临近基坑的建筑物和其他设施的正常运行，必须对地下水进行有效的治 理。在基坑工程施工中，对地下水的治理一般可以从两个方面进行，一是堵截地 下水；二是降低地下水位”1 。 1 3 1 堵截法 目前，国内外对地下水进行堵截的方法有钢板桩、地下连续墙、稀浆槽、夹 心墙、防渗垂直帷幕、防渗水平帷幕及冻结法等。 ( 1 ) 钢板桩在挖方工程开始前，把钢板桩打入地下，能就地有效的堵截地 下水，而且边坡起支撑护坡的作用。为了充分发挥钢板桩的阻水作用，需将其打 入基坑下部的隔水层中，并将它们联结成一体。这种方法主要适用于淤泥质砂和 粘土质砂等地层，但由于其投资费用高、施工噪声大等，在国内应用不多。 ( 2 ) 地下连续墙近年来，在深基坑施工中，常采用地下连续墙施工法。连 续墙为钢筋混凝土结构，有一定的入土深度，它既能承受较大的侧土压力，也能 防止地下水入侵。对于软弱、渗透性小的土层，地下连续墙的止水效果很好。 ( 3 ) 稀浆槽在基坑四周挖一沟槽，于槽中灌入膨润液，并用不透水物质回 填，使膨润液在槽壁上形成一层滤饼，可以防止或减少地下水向坑内渗流，达到 治理地下水地目的。该方法具有很好的阻水作用，但对边坡不起支撑作用。它适 用于各种地层，但在大卵石和岩石中使用时，造价太高，一般用于具有施工场地 的浅基础施工。 ( 4 ) 夹心墙在稀浆槽中再挖一沟槽，在槽内用导管灌注混凝土，形成防渗 挡土墙。该方法既能有效地阻截地下水。又能对边坡起到支撑作用，但造价较高。 适用范围与稀浆槽相同 ( 5 ) 防渗垂直帷幕于基坑四周采用高压喷射注浆、压力注浆或渗透注浆和 广东工业大学 学硕士学位论文 深层搅拌等技术方法，在地下形成一道连续的墙幕，既可以起到很好的防渗阻水 效果，又能有效地支撑边坡。该方法适用范围很广，目前在国内，特别是在沿海 城市得到了广泛应用。 ( 6 ) 防渗水平帖幕在基坑底部采用高压注浆、搅拌方法，形成一道地下水 平连续帖幕，用于基坑底的防渗和抗基坑底隆起、变形等。一般只用于场地不允 许降水和防渗垂帷幕也不能解决问题的工程中。 ( 7 ) 冻结法采用冷冻技术，将基坑四周的土层冻结，达到阻水和支撑边坡 的目的。可适用于淤泥质砂和粘土质砂及砂卵石土，但由于施工技术和设备要求 较高，使用转少。 1 3 2 降水法 当地下水位高于基坑底面时，应进行基坑降水，主要方法有集水明排和井点 降水两类哺1 。 ( 1 ) 集水明排集水明排是在基坑中开挖集水井和集水沟，用泵将水从集水 井中抽出的方法疏干基坑。分层挖土时，随着挖土面的下移，在新的开挖面上重 挖集水井和集水沟该方法适合于弱透水地层中的浅基坑，尤其基坑环境简单、 含水层较薄，降水深度较小时，采用集水明排是比较经济的。 ( 2 ) 井点降水井点降水法是在拟建工程的基坑四周埋设能渗水的井点管， 配置一定的抽水设备，不间断地将地下水抽走，使基坑范围内的地下水降至设计 深度。井点法降水适用于具有不同几何形状的基坑，它有克服流砂、稳定边坡的 作用。由于基坑内土方干燥，有利机械化施工，缩短工期，保证工程质量与安全， 是一种行之有效的现代化施工方法，己广泛应用。 1 3 3 常见降水措施引起的负面影响 由于基坑降水导致的地下水位下降将造成邻近建筑物和地下设施的附加沉 降，对周围环境产生不良影响，成为事故隐患，甚至出现质量事故。据不完全统 计，仅杭州市近年来由于基坑抽排浅层地下水不当而引发的工程事故就在6 起以 上。研究表明，包括基坑降水在内的地下水抽取是导致地面沉降的根本原因。基 坑在降水过程中，由于原本填充于孔隙中的水逐渐外渗排干，由地下水承担的荷 6 第| 章绪论 载转由土颗粒承担，土层负担加重，降水范围内的土层发生固结沉降，从而导致 地表下沉。承压水的过量开采将导致地面沉降，过量抽取浅层的地下水亦会引起 地面沉降“1 。目前，民用建筑的基础工程或市政交通设施的基础开挖通常需要经 过人口稠密、建筑物众多的繁华市区地下各种市政管线、电缆也非常集中。降 水引发的地面沉降将直接影响到城市建筑物及其地下管线的安全，如邻近建筑物 的倾斜开裂或者结构破坏，地下管线变形开裂引起爆管或附近道路沉陷开裂等 等，这类问题在实际工程中教训颇多，小则延误工期，增加造价；严重时可能引 起重大伤亡事故。如深圳蛇口海王大厦，基坑开挖前进行了长达三个月的降水， 未采取有效预防手段，造成毗邻4 5 m 的1 4 层新能源大厦发生不均匀沉降，最大日 沉降量达2 o m m ，累计沉降1 0 5 0 c m ，桩间差异沉降3 5 c m ，外墙出现裂缝，大楼整 体结构发生倾斜哺1 。又如上海市的东湖商务楼，地处老城区，隔壁紧邻某电影院， 基坑开挖时虽只在一边设井点管，并在影院旁增设回灌井。但由于井点降水效果 差，回灌水量小且不理想，井点出水浑浊带走大量枯粒，致使影院发生严重沉降， 累计沉降量达6 6 m m ，砖砌墙体破损断裂，影院被迫停映进行加固修复，耗费1 0 余万，商务楼施工亦被迫停工，造成巨大损失。 1 3 4 结合悬挂式止水的抽水回灌技术研究现状及存在问题 在基坑施工过程中，既要保证深基坑工程安全无水开挖作业，又要保证基坑 开挖周围的建筑、地下设施和环境等不受影响，通常采取的办法是被动截水。被 动截水有两种方法，一是施工前，在深基坑周边构筑地下连续墙，一是在护坡桩 完成后，再在护坡桩之间加补柔性桩体( 如水泥搅拌桩) ，前者具有堵水效果好、 安全的优点，但造价高，后者造价比地下连续墙低，但是止水效果差。基坑施工 中为减少井点降水对周边环境和建筑设施的影响和危害，现主要采取以下几项措 施： ( 1 ) 采用密封形式的挡土墙或采取其他的密封措施。如用地下连续墙、灌注 桩、旋喷桩、水泥搅拌桩以及在压密注浆后形成一定厚度的防水墙等。井点捧水 管置于坑内，井管深度不超过挡土止水墙的深度，仅将坑内水位降低，尽量不影 响坑外原水位。 ( 2 ) 调整井点管的埋深。一般情况下，井点管埋深应该使坑中的降水曲线在 坑底下0 。5 1 o m ，但在没有密封挡土墙的情况下，并点降水不仅使坑内水位下 7 广东工业大学工学硕十学位论文 降，也会使坑外水位下降，如果在降水影响区范围内有建筑物、构筑物、管线需 保护时，在确保基坑不发生涌砂和地下水不从坑壁渗入的条件下，可以适当提高 井点管的设计标高，以降低水位降深，减小影响范围。当井点设置较深时。随着 降水时间的延长，可适当地控制抽水量或抽吸设备真空度。即当水位观测井的水 位到达设计控制值时，调整设备使抽水量和抽吸真空度降低，以达到控制坑外降 水曲面的目的。 ( 3 ) 采用注浆固土技术防止水土流失。为了减少坑内井点降水时，减少降水 曲面向外扩张，避免邻近建筑物基础下地基土因地下水位下降水土流失而沉降， 在井点降水前，在需要控制沉降的建筑物基础周边，布置注浆孔，控制注浆压力。 以达到挤密土层中的孔隙为度，降低土的渗透性能，使之不产生流失，以保证基 坑邻近建筑物、管线的安全。 ( 4 ) 采用井点降水与回灌相结合的技术。即在降水井管与需保护建筑、管线 间设置回灌井点，回灌砂井或回灌砂沟，持续不断地用水回灌，形成一道水带， 以减少降水曲面向外扩张，保持邻近建筑物、管线等基础下地基土中的原地下水 位，防止土层因失水而沉降。降水井与回灌井应保持一定的距离，否则基坑内水 位无法下降，失去降水作用。在降水井点与回灌井点之阃，或两井内外都应设置 水位观测点，根据水位变化情况，控制好调节水量，以达到既长期保持水幕作用， 又防止回灌水外溢造成危害。 近几年来，国内对回灌技术的研究不断加深，并取得了一定的成果。如俞建 霖、龚晓南聃1 根据流体力学渗流方程，提出了基坑地下水回灌系统的设计方法： 毛根海、宋建锋阳1 等，根据势流理论和镜像原理，在假定含水层水平，土层渗透 系数各向同性的条件下，推导出了抽一注水井群耦合作用时浸润线的计算公式， 为基坑回灌系统的设计与研究提供了迸一步的理论依据。这些理论的提出为网灌 技术的设计与施工提供了一定的理论基础，解决了一些例如抽一注水井点布置， 抽一注水量求解等实际问题。但是以上理论均停留在稳态渗流基础上，无法提供 地下水在降水及回灌过程达到稳定之前的状态，无法模拟降水与回灌过程中地下 水浸润曲面的变化情况，难以确定基坑区域地下水位相对稳定的时问，这些给实 际工程中的施工检测，施工进度及基坑安全控制带来了一定的不便。同时，通过 各个时刻地下水浸润曲面的位置可以准确、快速地进行基坑抽注水超前模拟计 算，依次进行基坑降水优化设计及施工期自j 的实时控制，使降水工程安全可靠、 s 第一。章绪论 经济合理。 如前所述，对于底层为强透水层的地质条件下开挖基坑，若采取措施1 3 设置止水措施，如止水桩等把透水层完全截断，不仅费时耗资，而且施工极其困 难，有时甚至是无法实现的。这就要求探讨其他有效方式来解决这种问题。措施 4 在解决此类问题时则具有很大优越性，但该技术不成熟，并且缺乏理论指导。 因而从理论上完善有关基坑工程降水对周围地表沉降影响的机理及其有效的防 治措施在工程实际中具有重要意义。 回灌技术用于控制基坑降水对周围环境影响的成功案例表明，其经济效益明 显且施工方便。目前存在的主要问题：一是现行建筑基坑支护技术规程 j g j l 2 0 9 9 对回灌技术只做了定性分析，没有给出可操作的具体方法，给设计、 施工带来了困难；二是理论研究较少“。 1 4 本课题的主要研究工作 1 4 1 本文主要研究内容 结合基坑开挖时底部有深厚强透水层的典型水文地质条件，选取相应水文地 质参数，并建立分析模型，针对各种参数设置条件下的抽水回灌措施进行渗流场 模拟计算分析，从而探讨联动控制的规律性，并提出有效的渗流控制技术： 1 针对上层弱透水、底部强透水基坑的工程水文地质条件，探讨基坑采取各降 水措旋的有效性及渗流分布不同特点，着重就降水水位动态变化、降落漏斗的时 空分布进行分析，探讨实现基坑降水水位动态模拟的途径。 2 利用三维有限元方法来模拟基坑渗流场，探讨当调整止水帷幕、回灌井、抽 水井等的设置时，渗流场的水头、流速分布和流量等基本物理量随基坑降水参数 的变化，以及渗透系数各向异性、土的分层等对降水方案的制约及降水、隔渗工 程的最佳布置。 3 探讨采取悬挂式止水的抽水回灌系统在运用中的可操作性、对周围环境的影 响情况及控制因素。地下水逆向加压技术与基坑涌水涌砂防治技术。 1 4 2 本课题的创新之处 与现有的基坑支护技术相比，本项目的底部强透水基坑新型综合支护技术具 有如下的显著创新与特色： 9 广东工业大学t 学硕士学位论文 1 本项目研究的是对当地针对性强的新型应用技术，适应当地特殊的工程地质和 水文地质环境条件，具有良好应用前景： 2 本综合支护技术以“疏导”的方式控制地下水，改变了常规支护技术以“围堵” 方式控制地下水的方法； 3 地下水和基坑变形的控制分| 丌处理，地下水由渗流方法控制，基坑变形由短桩 综合支护控制，改变了常规支护技术基坑变形和地下水“二合为一”的控制方式， 以使施工成本大幅度地降低。 1 0 第二章渗流基本理论 第二章渗流基本理论 水在岩土体孔隙中的流动过程称为渗透。岩土体具有渗透的性质称为岩土体 的渗透性。水在孔隙介质中的渗透问题，目前已有了比较成熟的计算理论和试验 方法，在解决实际问题方面也能够较好地反映土在孔隙介质中的渗流的运动缌 律。孔隙介质中的渗流场理论，基本上描述了水在孔隙介质中的渗透特性。 基坑工程中的渗流问题属于典型的三维空间问题。由于基坑渗流场各个区域 的土质条件，各个方向的渗透系数以及排水、止水结构布置不同，渗流场不同区 域的边界条件不同等等因素，使得对基坑渗流场的模拟比较复杂。随着计算理论 的成熟和计算机水平的迅猛发展。人们得以通过三维有限元计算方法达到对实际 复杂情况的模拟。 2 1 渗流基本概念与定律 地下水在多孔介质中运动，由于多孔介质中孔隙、裂隙大小、形状复杂，地 下水质点在其中运动毫无规律，有些地方甚至不连续，所以研究地下水就不能像 研究地表水一样直接研究水质点的运动，而只能用统计的方法，忽略个别质点的 运动，来研究具有平均性质的运动规律：这种统计方法就是一种假想水流代替在 多孔介质中运动的真实流体，以通过对假想水流的研究，来达到了解真实水流体 平均运动规律的目的。 这种假想水流，一方面认为它是连续地充满整个介质空间。另一方面，认为 它通过过水断面的流量与真实水流通过该断面的流量相同；它在断面上的水头及 压力与真实水流的水头及压力相等：并且在多孔介质中运动时所受到的阻力等于 真实水流所受到的阻力。当满足以上条件时，这些假想水流就称为渗流i i l l 。渗 流所占据的空间称为渗流场，描述渗流的参数称为渗流运动要素，如压力p 、速 度v 及水头h 等等。 在渗流场理论中，把它们看作空间坐标x ，y ，z 和时间t 的连续函数。 1 渗流水头 广东工业大学工学硕士学位论文 地下水流中任意一点的总水头为 h 耐旦+ 生 h2 9 式中， p 一一研究点上的动水压力，k p a ； y 。一一水的重度，k n m 3 ； z 一一研究点的高度，即研究点到任意选定基准面的垂直距离，h i ； 生一流速水头，m 。 2 9 2 水力梯度 ( 2 - 1 ) 在渗流力学中，把大小等于梯度值，方向沿着等水头面的外法线指向水头降 低的方向的矢量称为水力梯度，用j 表示，即 j - 一= d h j i ( 2 2 ) d l 式中，l 为两等水头面之间的距离，五元为等水头面外法线方向的单位矢量。 3 渗流量 通过渗流控制断面的渗流量表示为： q = i i v n d s ( 2 - 3 ) 式中，s 一一过流断面，m 2 。v 。广一过流断面的法向渗透速度，m s 。 上述水头、水力梯度、流速、流量等物理量是基坑开挖过程中考虑渗流作用 必不可少的要素，是设计和评价基坑降水工程的基本依据。 4 d a r c y 定律 1 8 5 6 年法国工程师d a r c y 在 满砂的圆筒中进行渗透实验。从实验中得到通 过横截面一的渗流量q ( 单位时间的水体积) 与横截面a 及水头差( 一) 成正 比，与渗透路径工成反比，从而得出如下关系： 第二章渗流基本理论 或 q = 七4 t h t - h 2 ( 2 - 4 ) q ：k 竽：k j( 2 5 ) l 许多研究者【” 1 6 1 都指出，随着渗透速度( 比流量) 的增大或减小，d a r e y 定 律即渗透速度与水力坡度坨间的线性关系便不再成立。d a r c y 定律的使用受适用 上限和下限的约束，它的上限是由于地下水沿着弯弯曲曲的途径运动，并且在不 断改变它的运动速度、加速度和流动方向，这种变动有时是很剧烈的，因而产生 惯性力的影响，使水流的运动不再服从d a r c y 定律；d a r c y 定律的下限常终止于粘 土中的微小流速的渗流，它是土颗粒周围结合水薄膜的流变学特性所决定的，一 般粘土中的渗透，只有在较大的水力坡降作用下突破结合水的堵塞才开始发生渗 流，所以存在一个起始坡降，在开始渗透时，由于有效过水断面的变动，而不符 合d a r c y 定律。总之，d a r c y 定律仅适用于细颗粒、低流速和小梯度的情况，当水 流通过卵石等大颗粒或粘性土介质时，常受非线性定律的控制。超出这个范围， 就是非d a r c y 流动，则该定律不再适用。 2 2 地下水渗流问题的控制微分方程 水是可压缩的。在所考虑的含水层内，任取一微元体，如图2 1 所示， 其边长分别为d x ，d y ，d z ，然后进行质量守恒分析。由达西定律可知，在 d t 时间内沿o x 轴流入断面c b g h 的质量是 一巩怫烨) 生型删舢的流量为 一砘( x 参刁坐型删一昙( 以孰埘一 鼠丢( 砘罢) 一垌理， 可得出在d t 时间内，沿y 轴和z 轴 方向的质量是： 昙( 以等 一和 妄( 砘警) 一。 f i g 2 - 1t h es k e t c hm a po fm i c r o s t r u c t u r e 所以，沿x ，y ，z 轴方向在时间内微元体质量增量共计为 降( 从警) + 万吖l p , - 拊u 、j + 丢( 砘罢 蚴蝴 另一方面，充满微元体的水的质量是p 4 k d x d y d z ，根据质量守恒定律得到： 降( 以罢 + 号( 以等 + 乏( 砘警 撕庇办= 旦鱼笋蚴协 6 ， 由于地下水可压缩，含水层是弹性体，并在外力作用下变形时，孔隙的骨骼体积 不交，所以密度p 和孔隙度矿分别为p = p o e 4 9 一“和l 一= ( 1 一九) p 一4 9 一，其中为体 积压缩系数，指液体体积相对缩小值与压强之比；并且，d z ) = 高警。代入 式c z 圳，并略去( 警) 2 ，( 芳) 2 ，( 警) 2 项，另以= 昭c 口+ 们，昭c 口+ 妒测c z 圳 可简化为 旦( t 警 + 昙( 等 + 量( t 罢) - 以詈 c z 忉 这就是非稳定的三维渗流微分方程，或写成 i 警+ 詈+ 警l = 从i o h c z - s ， 第二章渗流基本理论 它表示了渗流运动过程中渗流速度与水头之间的关系，是j a c b b e a r 在1 9 5 0 年给出 的 1 2 1 。 当考虑汇源项时，运动微分方程变为 降o 。( k ；o 盘q j + 号( 等) + 昙( 屯警) 卜q = 以詈 c ：唧 当渗流运动稳定时，即掣：o ，i - 式f 4 ；o _ 掰of ，、ko - j + - 、i 参一豺昙( 乞剀世。 陋 上式即为稳定的三维渗流微分方程。 2 3 定解条件 上述三维非稳定和稳定的渗流运动微分方程是根据达西定律和质量守恒原 理建立起来的，反映了地下水运动的普遍规律。要确定具体情况下地下水的运动， 须针对具体问题给出地下水在初始时刻的状态和边界上运动规律，即通常所说的 定解条件。 定解条件包括边界条件和初始条件。 2 3 1 边界条件 边界条件指渗流区域几何边界上的水力性质。又可分为第一类边界条件和第 二类边界条件。 、 1 ) 第一类边界条件( d i r i c h e t 条件) ，又称为给定水头边界条件 如果边界上某一部分各点的每时亥0 的水头值是已知的，如与研究区域有联系 的地表水体等。表示为： h ( x , y ，z ，) k = 鲲( 薯y ，= ，f )( x , y ，z s ) ( 2 1 1 ) 给定边界水头不是定边界水头，后者是指在边界条件上的水头函数日或势函 数口是不随时间变化的，是个常数。 2 ) 第二类边界条件( n e u m a n n 条件) ，又称给定流量边界条件 若知道某一部分边界( 蜀或r ，) 单位面积( 二维的为单元端宽度) 上流入的 奎：些奎耋：兰鎏主兰竺笙銮 流量q ，或者已知势函数( 水头函数) 的法向导数时，称为第二类边界条件。相 应边界表示为： 足等是：吼( w 州 佣 r 警r 2 - 9 2 ( 劬，) d 玎 ( 五y ，z 是) ( x ，y e f 2 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 式中 行一强或f 2 地外法线方向； 孙q z 一是或f ：的侧向不补给量。 最常见的这类边界条件为隔水边界，此时，q = 0 。在介质各向相同条件下， 上面二式可以简化为： 塑：0 砌 3 ) 第三类边界条件 若边界墨上日和_ o h ：o 的线性组合已知，即： 掣+ 口h ： ( 2 1 4 ) u n 式中，口，为边界上的已知函数，此边界称为第三类边界条件或混合边界。 4 ) 分界面上的连续边界条件 这种边界条件往往出现在两个相邻区域的共同边界上。设q ，q 为两个以r 为共同边界的区域，h 。，哎分别为q ，q 中的水头值。如果压力分布p 在q u q 上 是连续的，通过f 。的流量也是连续的，那么r , 4 上就有两组连续的边界条件： ( 玩一皿扎= o ( 2 一1 5 ) - k g r a d ( h i h ：) 习f = o ( 2 - 1 6 ) 2 3 2 初始条件 通常第一类边界条件( 即渗流场中的水头分布) ，它在开始时刻t = 0 时对整 个渗流场起支配作用。所以进行非稳定渗流计算时，必须先求得开始时刻稳定流 场的水头分布作为初始条件。 第二章渗流基本理论 所谓初始条件就是给定( ，= o ) 时刻的渗流场内各点的水头值，即 或 h ( x ，y ，厶f 兑。- - - o ( x ，弘z ) h ( x ，y ，f 儿= 玩似y ) ( x , y ，：e d ) ( x , y e d ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 1 广东t 业大学1 = 学硕士学位论文 第三章 有限单元法及s e e p 3 d 程序验证 数值模拟方法也称为数值法，是一种求近似解的方法。数值方法的出现是在 2 0 世纪初，1 9 1 0 年理查森( l f r i c h a r d s o n ) 首先提出了有限差分法的概念，经过长 期研究和广泛应用，目前该方法已具有较完善的理论基础和应用经验。1 9 4 3 年， 柯朗( c o u r a n t ) 提出了第一篇有现代有限元思想的数学论文，但由于当时计算机尚 未出现，这种方法未得到重视。6 0 年代电子计算机的出现及其迅速发展为有限元 应用提供了广阔的前景。克劳夫( r w c l o u g h ) 1 9 6 0 年首先使用“有限元”这样的 名称，以表示和“有限差分法”有所区别。1 9 6 5 年，津克维茨( o c z i e n k i e w i z ) 和 张( y k c h e u n g ) 首先用有限单元法求解拟调和方程，提出该方法适用于所有可按 变分形式进行计算的场问题，这为有限单元法在渗流计算中的应用提供了理论基 础。7 0 年代有限元开始扩展到用来求解非稳定渗流问题，这些研究大部分是属于 大区域地下水流动问题，之后w d l i a nf i n ，r l t a y l o r ，c b b r o w n ，川本等研究 了具有自由面的土坝稳定渗流，r e v o l k e r 研究了不符合达西定律的有自由面的 稳定渗流，纽曼、得赛等人对自由面随时问变化的非稳定渗流进行了研究【2 2 3 们。 数值法在我国六七十年代就应用到渗流计算中，随着计算机的高速发展，这 种方法应用的越来越广泛。渗流计算中常用的数值方法有差分法、有限单元法、 边界元法等等，有时将两种方法耦合求解。有限差分法是一种古老的方法，它是 从物理现象引出的相应微分方程，再经过离散化得到差分方程。而有限单元法是 以能量原理作为物理基础，把渗流问题转化为变分问题( 或求剩余问题) ，再经 过离散化得到计算格式的解。一般认为差分法是数学近似，而有限单元法是物理 近似。但这两种近似本质没有什么区别，因为物理现象是用数学近似表示的，而 数学近似又是从物理现象抽象而来【3 1 3 。 3 1 有限单元法概述 1 9 6 5 年两位固体力学工作者z i e n k i e w i c z 和c h e u n g 提出了用有限元方法解决 位势问题的可行性，被认为是有限元方法用于解决渗流问题的起点。w d l i a n f i a n ，r l t a y l o r 和c b b r o w n 等研究了具有自由面的土坝稳定渗流问题。 1 8 第二章渗流堆本理论 r e v o l k e r ，s e n e u m a n 和c s d e s a i 等进行了渗流自由面随着时间变动的非稳定 渗流问题的研究。o d e n 对均质矩形坝自由边界问题采用变分不等式数值求解。可 以认为，有限元方法已经成为渗流问题中进行理论研究、实验分析以及解决工程 实际问题强有力的数值计算工具。 渗流分析中有限元方法的数学基础是变分法或加权余量法，由此导出的变分 表达式或加权余量表达积分式是有限元方法求解的出发点。有限元方法的求解思 想，概括地说就是“分块逼近”。也就是，将流场的求解区域剖分成有限个互不 重叠的子区域，这些子区域称为“单元”。在每个单元体内，选择若干个合适的 点作为求解函数的插值点，这些点称为“结点”；方程所要求的近似解将由各个 单元中的近似函数逼近，而单元中的近似函数可以表示为已知的单元基函数的线 性组合。这个线性组合表达式中的待定系数正是近似解在结点上的函数值( 或导 数值) ，它可以通过总体有限元方程的求解，加以确定，从而获得近似解【3 。 引l 。 3 2 有限元程序简介及s e e p 3 d 程序选用 近年来，随着计算机技术的迅速发展，基于有限单元法的数值分析方法越来 越显示了巨大的优越性，并成为各工程领域中的重要分析手段。其中，被广泛应 用的大型商业软件有a n s y s 、m a r e 、a l g o r 、a b a q u s 、a d i n a 等，这些有限元软件 系统齐全，具有很强的通用性。 虽然大多大型的有限元计算软件可以直接或间接地进行渗流计算，但由于它 们的通用性很强，针对于渗流计算时却略显不足，并且参数设置复杂，前后处理 不方便，有时，常需通过二次开发功能扩充后，才可能实现复杂的渗流分析。所 以，不便在工程上推广。 在这种背景下，一些公司开发了专门针对于渗流场分析的计算程序如 s e e p 3 d ，f e f l o w 、m o d f l o w 等等。这些程序针对性强，参数意义明确，前后处理 简单方便，可以解决渗流计算中的大部分问题，因而有着广阔的应用前景。有鉴 于此，本文的分析最终选取了s e e p 3 d 作为分析基坑抽水、回灌系统渗流的工具。 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 3 3 s e e p 3 d 程序在应用于基坑降水分析中应明确的几个问题 3 3 1 s e e p 3 d 的特点及适用性 s e e p 3 d 是针对工程结构中的真实三维渗流问题而开发的专业软件，它将强 大的交互式三维设计引入饱和、非饱和地下土体和结构的建模分析中，包含线性、 非线性、稳态、瞬态、自适应分析的算法求解器。通过它可以分析水库、水坝、 流动堵塞等特殊结构模型，排水沟或井下渗流、坡面和坡底相关的流动，蓄水坝 问题中的三维流动以及流入基坑中的水流及流量。 通过s e e p 3 d 的交互式建模方法，用户可以迅速建立几何分析模型，几