（岩土工程专业论文）考虑地下水渗流作用的基坑降水工程性状研究.pdf

分类号 u d c 。 学号! q 垒窆2 2 q 墨2 q 3 三 劣塍程歹大署 学位论文 题目耋虔些王坐鲞速笠周鲍基拯隆坐三猩：堕鉴盟寇 英文r e s e a r c ho nt h eb e h a v i o ro f f o u n d a t i o np i td e w a t e r i n g 题目c o n s i d e r i n g t h ee f f e c to fg r o u n d w a t e rse e p a g e 研究生姓名鲞叁 指导教师 姓名塑盔盎职称塾l 学位灶 4 3 0 0 7 0 学位授予单位盛垫里三冬堂学位授予日期； 答辩委员会主席阅一 2 0 1 1 年5 月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：毯允日期型l ：& 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论 文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录 本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：塑允 导师( 签名 一 、 摘要 地下水是影响深基坑工程性状的一个重要因素，在含水量丰富的地区进行基 坑工程开挖，不可避免地要遇到地下水问题。通过深井降水的方法可以大幅度 降低地下水位，有效的避免流沙、管涌和坑壁土体的坍塌，保证施工安全和工 程质量，但是地下水位的变化会引发土体中渗流场和应力场的改变，并且对基 坑周边较大范围的区域产生一定的影响。因此，有必要对基坑降水渗流做相关 的研究，重点分析地下水渗流作用下的基坑降水工程性状。本文针对这_ 问题 做了以下主要工作： 首先，从渗流理论的发展过程出发，详细介绍国内外地下水渗流研究的发 展概况以及渗流分析的基础理论，并在此基础上介绍了基坑降水的设计原理与 基本方法，总结了各种降水方法的适用条件。结合武汉市某工程实例，讨论了 稳定流理论和非稳定流理论的d u p i t 公式与t h e i s 公式及其对基坑降水水位降深 的影响。 其次，结合工程实例，利用计算机软件来模拟基坑降水渗流场，讨论了在 基坑承压含水层深井降水时降水井的布置、抽水量、井深等对基坑水位降深、 基坑周围沉降等物理量的影响，特别是讨论了止水帷幕对基坑水位降深等的影 响，给出了一种简化处理方法，降水工程的观测结果验证了该方法的实用性。 最后，介绍了f l a c 3 d 软件的渗流计算理论，并利用f l a c 3 d 软件对某工程 实例进行了数值模拟分析。在抽水量等参数均不变的情况下，计算了止水帷幕 深度分别为0 m 、2 2 m 、3 2 m 、4 8 m 、5 4 m 五种工况下的基坑降水渗流场和基坑周 边的地表沉降量，将五种工况渗流场达到稳定时的水头降深与初始水位进行了 相互对比。分别得到了不同帷幕深度下基坑周边水头与离开基坑的距离之间的 关系曲线、基坑外侧水头随着帷幕深度的变化曲线、止水帷幕内外侧的水头差 随着帷幕深度的变化曲线，不同帷幕深度下基坑周边地表沉降与离开基坑的距 离之间的关系曲线。在止水帷幕深度分别为3 2 m 和4 8 m 的情况下，分别计算了 四种不同单井抽水量条件下的基坑内水头埋深，得到了坑内水头埋深与抽水量 的关系曲线。 关键词：有限差分，止水帷幕，基坑渗流场，f l a c 3 d 软件，数值模拟 一一一 a b s t r a c t g f o u n d w a t e ri sav e r yi m p o r t a n tf a c t o ri np r o p e r t i e so fd e e pf o u n d 撕o np i t e n g i n e e r i n g ；g r o u n d w a t e rp r o b l e m s w e r ei n e v i t a b l ed u r i n gt h ef o u n d a t i o n p i t e x c a v a t i o np r o c e s si nm o i s t u r e - r i c ha l e a s d e e pw e l ld r a i n a g em e t h o dc a l ld r a s t i c a l l y r e d u c et h eg r o u n dw a t e rl e v e l ，a v o i dq u i c k s a n d ，p i p i n ga n dt h ec o l l a p s eo ft h es o i lp i t w a l le f f e c t i v e l y , a n dg u a r a n t e et h es a f e t yo fc o n s t r u c t i o na n de n g i n e e r i n gq u a l i t y h o w e v e r , t h es e e p a g ef i e l da n ds t r e s sf i e l do ft h ef o u n d a t i o np i tw i l lb ec h a n g e d b e c a u s eo ft h ec h a n g e so fg r o u n d w a t e rl e v e l ，s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yo nt h e s e e p a g ef i e l d o f f o u n d a t i o np i ta n dt of o c u so na n a l y z i n gt h ep r o p e r t i e sb y g r o u n d w a t e rs e e p a g ee f f e c t s i nt h i sp a p e r , t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e nd o n ea b o u t t h e s ep r o b l e m s ： f i r s t l y , t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f t h es e e p a g et h e o r y , t h ed e v e l o p m e n t o fg r o u n d w a t e rs e e p a g er e s e a r c ha th o m ea n da b r o a dw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，弱 w e l la st h eb a s i ct h e o r yo fs e e p a g ea n a l y s i s t h e n ，t h ed e s i g np r i n c i p l ea n db a s i c m e t h o d so ft h ef o u n d a t i o np i td e w a t e r i n gw a si n t r o d u c e d ，a n dt h ea p p l i c a b l e c o n d i t i o n so ft h ew a t e rl o w e r i n gm e t h o dw a ss u m m a r i z e d c o m b i n e dw i t ha n e n g i n e e r i n ge x a m p l ei nw u h a n ，t h ei n f l u e n c eb e t w e e nt h ef o r m u l a o fd u p i ta n dt h e i s u n d e rt h es t e a d yf l o wt h e o r ya n du n s t e a d yf l o wt h e o r yw a sd i s c u s s e d s e c o n d l y , t h es e e p a g ef i e l do ft h ed e w a t e r i n gi nt h ef o u n d a t i o np i ti ss i m u l a t e d b yc o m p u t e rs o f t w a r eb a s e do np r ( 渺嬲ea n dt h ei n f l u e n c eo nd r a w d o w na n d f o u n d a t i o ns e t t l e m e n tc a u s e db yt h ed e w a t e r i n gw e l la r r a n g e m e n t , p u m p - o u ta n dt h e d e p t ho fw e l l e s p e c i a l l yt h ei n f l u e n c eo f t h ew a t e r p r o o fc u r t a i no nt h ew a t e rl e v e l so f d e e pf o u n d a t i o np i t a n das i m p l i f i e dm e t h o dw a sp r o p o s e dw h i c hw a sp r o v e dt ob e p r a c t i c a lb yt h eo b s e r v a t i o nr e s u l t so fp r e c i p i t a t i o ne n g i n e e r i n g , f i n a l l y , t h es e e p a g ec a l c u l a t i o nt h e o r yo ff l a c 3 dw a si n t r o d u c e ds i m p l y , a n d t h ef l a c 3 dw a su s e dt on u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i sa ne n g i n e e r i n gp r o j e c t i nt h e c o n d i t i o no ft h es a m ep a r a m e t e r ss u c ha sp u m p i n gw a t e r , t h es e e p a g ef i e l do ft h e d e w a t e r i n gi nt h ef o u n d a t i o np i ta n dt h es u r f a c es e t t l e m e n ta r o u n di tw e r ec a l c u l a t e u n d e rf i v ed i f f e r e n td e p t h so fw a t e r p r o o fc u r t a i n ( 0 m ，2 2 m ，3 2 m , 4 8 m , 5 4 m ) t h e nt h e h e a dd r a w d o w ni nt h es t a b l es t a t ea n dt h ei n i t i a lw a t e rl e v e lw e 糟c o m p a r e d t h e r e l a t e dc u r v e sb e t w e e np e r i p h e r a lh e a da n dt h ed i s t a n c eo fl e a v i n gt h ef o u n d a t i o n , l l b e t w e e nl a t e r a lh e a do ff o u n d a t i o np i ta n dc u r t a i nd e p t h , b e t w e e ni n s i d ea n do u t s i d e h e a do fw a t e r p r o o fc u r t a i n a n dc u r t a i nd e p t h ，b e t w e e nt h eg r o u n ds e t t l e m e n ta r o u n d t h ef o u n d a t i o np i ta n dt h ed i s t a n c eo fl e a v i n gt h ef o u n d a t i o nw c l ef 0 哪! d c du n d e r d i f f e r e n tc u r t a i nd e p t h u n d e rt h es i t u a t i o no ft h ed e p t ho fw a t e rc u r t a i na r e3 2 ma n d 4 8 mr e s p e c t i v e l y , t h eh e a db u r i e dd e p t hi nt h ef o u n d a t i o np i tw i t hf o u rd i f f e r e n t s i n g l ew e l lp u m p i n gw a t e rc o n d i t i o n sw e r ec a l c u l a t e da n dt h er e l a t e dc u r v eb e t w e e n t h eb u r i e dd e p t ho fh e a di nt h ef o u n d a t i o np i ta n da m o u n to f 伊o u n dw a t e rp u m p i n g w a sf o u n d e d k e y w o r d s ：f i n i t ed i f f e r e n c e , w a t e r p r o o fw a l l ，s e e p a g ef i e l do f f o u n d a t i o np i t ，f l a c 3 d s o i h v a r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o l l i l l 第1 章绪论 目录 l 1 1 弓l 言1 1 2 地下水渗流研究的发展概况5 1 2 1 渗流理论的发展5 1 2 2 渗流场与应力场的耦合分析7 1 3 本文研究的主要工作8 第2 章渗流分析的基础理论 2 1 引言l o 2 2 渗流分析的基础。1 0 2 2 1 渗流基本概念1 0 2 2 2 渗流基本理论1 l 2 2 3 渗流分析方法l5 2 3 非稳定渗流理论1 6 2 4 基坑降水的基本方法与设计理论1 7 2 4 1 概述1 7 2 4 2 降水的作用一1 8 2 4 3 基坑降水的基本方法1 8 2 4 4 井点降水设计的基本理论1 9 2 5 基于d u p i t 与n e i s 公式的基坑降水工程实例2 0 2 6 本章小结2 3 第三章基坑深井降水实例计算与分析 3 1 引言2 4 3 2 基坑深井降水计算公式2 4 3 2 1 基坑涌水量计算公式2 4 3 2 2 水位降深计算公式2 5 3 2 3 地表沉降计算公式。2 6 3 3 工程概况2 7 3 4 基坑涌水量的计算2 9 3 4 1 涌水量计算结果的讨论2 9 3 4 2 止水帷幕对基坑涌水量计算的影响3 0 3 5 基坑降水计算与分析。3l 3 5 1 基坑降水输入信息3l 3 5 2 承压水头降幅3 3 3 5 3 地面沉降一3 4 3 6 本章小结3 5 第4 章数值模拟分析一一3 0 4 1f i a c 3 d 软件简介r j 6 4 2 工程概况j 7 4 3 模型的建立j 6 4 3 1 计算区域的确定蚰 4 3 2 模型边界条件拶 4 3 - 3 计算程序编制4 u 4 4 计算结果与分析碍u 4 4 1 止水帷幕对水头压力的影响4 u 4 4 2 抽水量对坑内水头的影响一4 0 4 4 2 地表沉降分析“4 u 4 5 本章小结o q 第5 章结论与展望。“。一一一”一“”5 ， 5 1 主要结论“川 5 2 存在问题及展望一泌 参习争文南是。一一5 9 致谢。一”5 ， 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目”6 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着我国城市建设的发展，各类用途的地下空间正在得到广泛的应用，如 地下铁道、地下商场、地下民防工事等，而且开挖深度和规模正越来越大。近 年来在北京、上海、成都、广州、深圳、武汉和杭州等地兴建了大量的高层建 筑及地铁车站，并由此出现了大量的深基坑工程。如广州地铁海珠广场车站基 坑深达2 4 5 m ，是目前广州最深的基坑；上海地铁9 号线宜山路车站已完成深达 3 0 米的基坑开挖，创造了上海轨道交通在建车站最深的纪录：成都国际金融中 心项目的深基坑开挖达到了3 5 m ；而武汉地铁2 号线正在施工的最深基坑更是 达到了4 6 m 。 随着开挖深度的增加，不可避免的带来了地下水的问题。尤其是在地下水 丰富的地区，例如天津、上海、武汉等地区的地下水位较高，在这些地区开挖 基坑时，地下水在坑内外巨大的水头差作用下就会产生渗流，从而导致基坑开 挖区域内的孔隙水压力和有效应力发生改变。渗流场和应力场的改变不仅对围 护结构的侧压力计算带来影响，甚至可能引起流砂和管涌，从而影响整个基坑 的稳定性。 因此，基坑降水已经成为了基坑工程成功与否的一个重要环节，如何控制 好地下水是确保基坑安全施工的关键。目前最有效而经济的办法是采用井点降 水方法控制地下水位。井点降水在避免流砂、管涌和坑底隆起，保持干燥的施 工环境，提高土体强度与稳定性方面都有着显著的效果。在实际工程中，它已 越来越被人们所依赖，已成为一种必要的工程降水措施，但人们对于其内在规 律还缺乏深入的了解。 地下水渗流在基坑工程施工过程中的危害主要发生在土壤颗粒较细( 尤其 是粉质粘土、粉砂等土层) 、饱和含水的地区，特别是对位于沿海、沿江的大城 市来说( 比如武汉、上海、广州等地) ，基坑开挖中的降水问题显得尤为重要。 我国大多数长江中下游城市均处于长江一级阶地之上，地基呈典型的二元结构， 上部的粘性土层透水性弱、力学强度低，下部的砂砾、卵石等力学强度高、透 水性强、富水性好，在两层结构之间还有部分厚度不一的粉砂等过渡层，抗渗 强度低，这更增加了基坑工程支护与施工的难度，在这些地区，通过降低地下 一一一_ 武汉理工大学硕士学位论文 水位避免可能产生的工程危害已引起普遍的重视【i 翻。此外，在基坑降水的过程 中渗流对坑壁和坑底土的潜蚀、孔隙水压力的增长引起有效应力的减小及相应 的抗剪强度的降低等多方面的影响均不容忽视。 在工程实际中，由于地下水问题而引发的基坑工程事故相当普遍，基坑的 防水、降水和排水已经成为确保工程安全施工的关键。唐业清【3 】曾对国内1 3 0 余 项基坑事故进行了统计和分析，发现其中因地下水引起的事故占2 1 4 。有的基 坑工程在没有止水帷幕的情况下进行坑内降水，引起基坑外围地表产生不均匀 沉降，使基坑周围建筑物倾斜，道路及地下水管线等设施破坏；有的基坑中地 下水处理不当，导致坑内大量集水，甚至造成了坑底流砂、突涌及潜蚀等。 南京某江边大厦工程，基坑开挖深度6 3 m ，因降水方法选择不当和内支撑 刚度过小，使得桩端位移达到了3 6 c m ，地表产生了不均匀沉降：上海某重型设 备厂基坑，在降水过程中由于临时中断，同时基坑外部土体堆放不当，产生了 土体滑坡，使得钢板桩产生了1 5 m 的位移，厂房柱基发生了位移与破坏：佛山 某大厦，工程场地位于河流冲积地带，地下水稳定水位较高，主要赋存于第四 系砂层中。1 9 9 9 年9 月，连续的降雨使基坑内外的地下水位不断提高，造成底 板下的上浮力不断增加，由于桩的抗拔承载力不够，基坑范围内的地下室底板 在浮力的作用下持续向上起拱，测得地下室顶板最大位移为2 1 3 r a m ，基坑中心 区的中柱裂缝宽度最大达到了2 5 r a m ：上海某隧道复线工程，在基坑开挖中采 取井点降水，在抽水过程中引起附近地面塌陷深达到了5 米。 。流砂、管涌和坑底突涌是地下水在基坑施工过程中的主要危害，而且主要 发生在土壤颗粒细( 尤其是粉质粘土、粉砂等土层) 、饱和含水的地区。如上海、 广州、武汉等地区的某些地方，粉质粘土、薄层粉砂夹层和互层现象严重，且 埋藏深度正是深基坑工程涉及的范围，在这些地区通过降低地下水位避免可能 产生的工程危害己引起了普遍重视岬1 。 下面主要介绍一下流砂、管涌和基坑底部突涌等的主要危害和破坏机理p 1 ： ( 1 ) 流砂 动水压力( 渗透力) 是指单位体积土颗粒受到的渗流作用力，即土骨料对 地下水渗流过程中的阻力。在基坑开挖过程中一般都会设置止水帷幕，所以当 坑内地下水位降低之后，坑外仍具有较高的水头，此时在坑内外水头差的作用 下，地下水会绕过止水帷幕向坑底流动。在基坑外部( 止水帷幕后) ，地下水流 动方向向下，动水压力方向也基本向下，此时动水压力增加的土体的有效应力： 而水流绕过止水帷幕后，在基坑内部动水压力向上，与重力方向相反，减小了 2 武汉理工大学硕士学位论文 土颗粒之间的压力。当动水压力大于或等于土体容重时，土颗粒处于悬浮状态， 土的抗剪强度等于零，土颗粒随着动水压力流动，产生了流砂。在颗粒级配均 匀而细的粉、细砂等砂土中，经常会出现流砂现象。其表现形式是部分细颗粒 同时被动水压力水流从近似于管状通道中冲走，从而产生基础滑移、地表不均 匀沉降，基坑边坡失稳和基础悬浮等破坏现象，如图1 1 所示。流砂一般是突发 性的，对工程危害极大。 2 图1 1 流沙破坏示意图 ( a ) 斜坡条件时；( b ) 地基条件时 1 原坡面；2 流沙后坡面；3 流沙堆积物；禾地下水位； 5 建筑物原位置；6 - 流沙后建筑物位置；7 滑动面；8 流沙发生区 ( 2 ) 管涌 在具有一定渗流速度( 或水力梯度) 的水流作用下，地基土中的细小颗粒 被冲走，土中的空隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通道， 使得地基( 坝体) 被掏空，从而产生变形、失稳，该现象即为管涌。管涌是一 种渐近性质的破坏，一般发生在一定级配的无粘性土中。无粘性土中发生管涌 必须具备一定的几何条件和水利条件：几何条件是指土体中粗颗粒所构成的孔 隙直径必须大于细颗粒直径，这是必要条件；水力条件即动水压力能使细颗粒 在空隙间流动，一般用水力梯度来表示，管涌示意图如图1 2 所示。 3 图1 2 管涌破坏示意图 ( a ) 斜坡条件时；( b ) 地基条件时 l 一管涌堆积物；2 地下水位；3 管涌通道；4 渗流方向 管涌多发生在无粘性土中，其特征是由于缺少某种粒径而使颗粒大小差别 武汉理工大学硕士学位论文 较大，孔隙直径大而且相连通。颗粒多由易随水流动的比重较小矿物组成，有 较大和良好的渗流出路。 ( 3 ) 坑底突涌 突涌是指当基坑底部存在承压水时，由于基坑开挖底部的隔水层减小到一 定厚度，而使承压水在水头压力作用下冲破基坑底板的现象。因此，在基坑底 部与承压水层相距很近的情况下，应确保最小隔水层厚度来以防止坑底被水冲 破。突涌的一般表现形式为基底项裂、基底发生流砂、基底发生喷水。 基坑在动水压力作用下所产生的流砂、管涌和坑底突涌等现象一旦发生， 将会对基坑带来灾难性的破坏。因此在基坑设计中决不可忽视动水压力作用的 影响。 基底抗承压水突涌验算如图1 3 所示【l o 】， 巩d 。y( 1 1 ) 图1 3 基底抗承压水稳定性示意图 k 一坑底抗突涌安全系数，对于大面积普遍开挖的基坑，不应小于1 2 0 ；对 于承台可分别开挖且平面尺寸较小的基坑，不应小于1 o ； d 基坑底至承压含水层项板的距离( m ) ； y d 范围内土体平均天然重度( k n m 3 ) ； 风一承压水水头高度( m ) ； 一地下水重度，取1 0 k n m 3 。 因此，为了避免基坑工程中流沙、管涌和坑底突涌等危害，保证施工安全 和工程质量，一般都应避免水下作业。当地下水位高于基坑开挖面时应进行基 坑降水，同时考虑降水对基坑周边环境所带来的影响。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 地下水渗流研究的发展概况 1 2 1 渗流理论的发展 渗流系指流体通过多孔介质的流动，研究的内容包括地下渗流、工程渗流 和生物渗流。其中，地下渗流是指存在于岩石、土壤及地表堆积物中的流体渗 流，主要包括地下水、石油、天然气、煤层气、地热等资源开发涉及的渗流， 涉及到水库蓄水、农田水利、污水地下处理、地面沉降、降雨入渗导致滑坡、 地下国防工程等多个方面【i 。 早在1 8 5 6 年，法国工程师h e n r yd a r c y t 挖】就已提出了水在孔隙介质中线性 渗流定律，即通常称之的达西定律，从而开始了对地下水运动规律的定量化认 识；1 8 6 6 年j d u p i t 1 3 j 以达西定律为基础，研究了地下水流在单向和平面径向的 稳定运动；1 9 0 1 年p f o r c h h e i m e r t h l 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。稳定渗流理论没有考虑时间变量，只能 描述一定条件下地下水所能达到的一种暂时的平衡状态，而不能反映地下水运 动状态与时间的变化关系。这一阶段的主要成果是c 列宾逊、m 麦斯盖特等利 用一般的有关连续介质力学的概念建立起来的以研究水井渗流问题为特征的古 典水动力学渗流理论 i s , z 6 j 。 在1 9 0 4 年，j b o u s s i n e s q 17 】提出了地下水非稳定流的偏微分方程式： 瓦0 ( k 。o 苏h 厂) 昙( 岛等) + 鲁( 也罢) = 昭c 屈+ 妒，害 c - 哪 式中： k ；一i ( i - - x ，y ，z ) 方向的渗透系数：h 一水头7 屈一岩土体骨架的弹性压缩系数；n 一介质的孔隙度； 一地下水的弹性压缩系数，且= p g ( p , + ) ，并称为比贮水系数，表示 单位水体积的含水层因水层水头下降一单位而释放出来的水的体积。 地下水稳定流理论的建立，从而使地下水渗流进入到了各种严格定量的水 动力学方法的研究阶段。随后，0 e m e i n z e r ( 1 9 2 8 ) 研究了地下水运动的非稳定性 以及承压水层的贮水性质；c v t h 烈1 9 3 5 ) 在此基础上提出了地下水在承压水井 的非稳定流公式【1 8 】；j a c o b ( 1 9 4 0 ) 基于热传导理论建立了地下水渗流运动的基本 5 武汉理工大学硕士学位论文 微分方程；1 9 4 6 年n h 斯特里热夫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，并得出了地下水在地应力作用下流动的基本特性，以及岩土 介质孔隙度和渗透率的降低、岩土骨架不可逆的基本性质，由此逐步建立起完 整的弹性渗流理论( 1 9 5 7 ) 和弹塑性渗流理论( 1 9 5 9 ) ：b o u l t o n n s 、h a n t u s hm s 、 n e t ：n n a ns e ( 1 9 6 9 ，1 9 7 2 ，1 9 7 5 ) 1 1 9 , 2 0 , 2 1 】等对不同条件下的地下水非稳定渗流运动进 行了理论研究，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。 这些基于非稳定流的解析法推广了t h c i s 公式的应用，并且完善了地下水越流理 论和潜水含水层的非稳定流理论田】。这一阶段的非稳定流理论研究主要是在二 维渗流问题的基础上，从解析方法入手，用连续介质力学的方法对均质液体在 各种边界下进行了研列玎j 。 2 0 世纪6 0 年代，随着计算机技术的不断发展，以计算机为基础的数值模拟 分析方法被不断地应用到地下水问题的分析之中。z i e n l d e w i c z ( 1 9 6 5 ) 将有限元法 引入地下水渗流领域1 2 4 】；s a n d h u 和w i s o n 提出了地下水渗流运动方程的广义变 分原理【2 5 1 ，为有限元求解渗流问题奠定了坚实的数学物理基础；n e u m a ns p ， p i n d e rg e ，d e s a ic s ，b a t h ek j ，h u y a k o me s 2 啦7 】等进一步完善了有限元法 的求解过程。国内也有许多学者对地下水渗流问题做了许多相关的数值模拟分 析，并得出了一些有益的结论，如陈钟祥等1 2 8 - 3 0 ( 1 9 8 0 ，1 9 8 2 年) 、刘慈群等 3 1 - 3 5 3 ( 1 9 8 1 ，1 9 8 2 ，1 9 8 8 年) 、吴望一等f 3 6 1 ( 1 9 8 2 年) 、郭尚平等【3 - q ( 1 9 9 0 年) 深入 研究了双重、三重、多层介质渗流和复杂的物理化学渗流，并取得了很大进展； 孔祥言例( 1 9 9 9 年) 研究了多孔介质渗流等问题，取得了显著成果；罗晓辉【3 9 】利 用有限元方法对定常和非定常水流作用下支护基坑进行了耦合变形分析研究： 高俊合【删( 1 9 9 8 ) 建立了渗流与变形的耦合分析模式，并探讨了自由边界的数值 处理，通过对基坑工程的平面有限元计算，分析了渗流对土压力的影响机理； 俞洪良，陆杰峰【4 1 】( 2 0 0 2 ) 深入研究了渗流有限元分析法，讨论了两类边界条件 在应用中的各种表现形式及数值处理技巧；李玉岐 4 2 1 ( 2 0 0 5 ) 对渗流影响作用下 的基坑工程性状进行了研究：罗晓辉和白世伟【4 3 】在b i o t 固结理论与有限变形的 理论基础上，采用经典的变分原理方法推导了基于大变形l a g r a n g i 锄描述的u l 方法和b i o t 固结理论耦合系统方程；平阳等m 4 7 】基于b i o t 固结理论，采用弹塑 性模型，在二维平面有限元基础上对基坑开挖中的渗流场与应力场进行了耦合 分析，探讨了基坑开挖过程中渗流场与应力场的变化规律及其对基坑稳定性的 影响。 地下水渗流对深基坑工程的影响已经引起了国内外学者更多的重视。研究 6 武汉理t 大学硕士学位论文 表明，地下水渗流对基坑工程的影响是明显的，对这方面的研究是有意义而且 是必要的。 1 2 2 渗流场与应力场的耦合分析 渗流场与应力场耦合是多场广义耦合的重要内容，在力学领域中应力场与 渗流场耦合作用又被称为“流固耦合作用，例如地下水在地基土中的流动就 是一种典型的流固耦合现象【4 8 郴】。地下水的渗流过程中包含了两种力学效应： ( 1 ) 孔隙水压力的变化改变了土体的有效应力，从而对土体的力学性能指标带 来了影响；( 2 ) 土体体积在流体作用下会产生改变，这主要表现为流体孔压的 变化。以往很多工程的地下水数值模拟计算中，是将渗流场与应力场作为两个 单独量进行研究的，而基坑开挖的边坡稳定性及基坑降水引起的地表沉降等问 题都是流固耦合问题，因此建立起基于流固耦合理论的三维数值模型进行分析 才能有效地研究这类问题。t e r z a g l l i 删最早研究了流体固体变形耦合现象，他首 先将可变形、饱和的多孔介质中流体的流动作为流体固体变形的耦合问题来看 待，建立了一维固结模型，并提出了有效应力( e f f e c t i v es t r e s s ) 的概念； b i o t l 5 i i ( 1 9 4 1 1 9 5 6 ) 进- - 步研究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用，并在一些 假设条件下建立了比较完善的三维固结理论；而后b i o t 又将此理论推广到各向 异性多孔介质( 1 9 5 4 ) 和动力分析( 1 9 6 2 ) 中。在此以后，流固耦合理论发展主要围 绕着假设不同孔隙材料的模式而得到不同的物理方程。z i e n k i e w i c z 和 s h i o m i t 5 2 】( 1 9 8 4 ) 考虑了几何非线性和材料的非线性，并在b i o t 的三维固结理论基 础上提出了广义b i o t 公式。 国内许多学者也对基坑渗流方面做了很多的研究： 姜忻良，宗金辉【5 3 】通过有限元对基坑渗流场进行了三维分析，分别讨论了 基坑在有无止水帷幕及止水帷幕在不同深度和渗透系数下的基坑渗流场、等势 线和渗流矢量速度的分布情况，得到了比较理想地反映基坑渗流场中等势线、 流速矢量以及流量等渗流要素在不同条件下的变化规律，为基坑工程止水防水 设计提供一定的理论依据。 冯晓腊【蚓等以武汉市中山广场地下过街通道降水工程为例，建立了三维水 土耦合模型，并对其降水过程进行了有限元计算，得到了降水3 0 d 之后的水位 剖面图、不同土层深度的水位等值线图和地面沉降等值线图，并将观测点的计 算沉降量与实测沉降量进行了比较分析，得出了一些有益的结论，为基坑降水 7 武汉理工大学硕士学位论文 及其引起地面沉降的计算提供了一个参考实例。 王昆泰，胡立强【5 5 】结合武汉市某工程实例，分析了悬挂帷幕条件下深基坑 降水时基坑外地下水压力的变化特征；通过对无止水帷幕及不同帷幕插入深度 时坑外地下水压力变化的对比分析，表明止水帷幕可以有效减少坑外地下水压 力下降，但地下水位仍有较大幅度的降深，其幅度与止水帷幕的深度成反比。 裴桂红，吴军1 5 6 】等结合工程实际，基于小变形假设、弹塑性本构关系及 t c 忆a 幽有效应力原理，利用m a t l a b 软件编写了基坑变形渗流耦合的有限元程 序，研究了群井降水条件下基坑地下水渗流场变化规律，并结合支护结构，给 出了渗流过程中基坑应力场的变化特征。 孙志，周援衡5 7 】等基于f l a c 3 d 有限差分软件，建立了采用地下连续墙的深 基坑工程数值模型，分析了地连墙在不同高度时对基坑渗流场和应力场的影响； 计算结果表明：地下连续墙发生断裂后，坑角断裂区域附近土体渗流速度、水 平应力急剧变大，极易产生渗透破坏，说明墙体发生破坏时，渗透破坏的危险性甚 至可能高于无挡墙的情况。 刘建军、耿万东1 5 8 】在考虑地下水和岩土骨架之间的相互作用下，将渗流力 学与弹塑性力学相结合，建立地下水流固耦合渗流数学模型，并根据有限元原 理得出其计算方法，进行耦合求解。 目前，有关流固耦合问题的理论已经日趋完善并广泛应用到工程中。在使 用计算软件的基础上，对于基坑降水及渗流相关问题的数值模拟，计算和操作 修改十分便捷，计算结果表达直观，已经广泛应用到实际工程中。在基坑工程 的数值分析模拟中，通过计算机将渗流理论与岩土力学理论结合起来，研究表 明地下水渗流对基坑工程的影响是明显的，对这方面的研究还有待继续深入 【5 9 ，1 o 1 3 本文研究的主要工作 地下水渗流破坏是造成基坑事故的主要原因，相关调查对国内1 3 0 余项基 坑事故进行了细致的分析，统计出事故发生的原因，发现其中因地下水引起的 事故占2 1 4 t 3 1 。在基坑工程降水设计中，常用解析法的计算方法进行分析，而 忽略了地下水的渗流运动是一个动态的变化过程，用这些计算结果指导施工是 比较危险的。如果设置止水帷幕，往往采用假定止水帷幕插入了不透水层，没 有渗流发生，这样的简化方法与实际工况不符合，必然会得到错误的计算结果。 8 武汉理工大学硕士学位论文 迄今为止，地下水渗流对基坑工程影响的研究还是不够的。目前基坑降水 设计都是基于稳定流理论的计算，而严格地说，按稳定渗流考虑只能是一种理 想化模型，实际降水过程是一个动态的过程，即是一个非稳定渗流过程。支护 结构的受力及降水引起的地面沉降都是伴随在降水过程中，并不是在降水稳定 后才发生，因此稳定流理论无法反映降水的动态过程。按照非稳定渗流理论分 析基坑降水工程，并用数值软件模拟，考虑降水过程中渗流场与应力场的相互 影响，能够使基坑降水工程更加准确可靠。 基于以上分析可以看出降水工程在基坑工程中的地位和作用，但现有的研 究还存在许多不足之处，本文着重进行以下工作： ( 1 ) 对深基坑工程的降水重要性做进一步的阐述与分析，详细介绍国内外 地下水渗流研究的发展概况以及渗流分析的基础理论，并在此基础上介绍非稳 定渗流的计算公式，为进行基坑降水渗流模拟和分析提供理论依据。 ( 2 ) 在渗流分析的理论基础上，介绍了基坑降水的设计原理与基本方法， 总结了各种降水方法的适用条件。基于井点降水的基本理论，结合武汉市某工 程实例，讨论了d u p i t 与t h c i s 公式对基坑降水设计的影响。 ( 3 ) 结合工程实例，通过计算机软件来模拟基坑降水渗流场，讨论了在承 压含水层中进行基坑降水时降水井的布置、抽水量、井深、止水帷幕等对基坑 水位降深、基坑周围沉降等基本物理量的影响。 ( 4 ) 结合工程实例，应用f l a c 3 d 的渗流计算模式，模拟基坑在悬挂式止 水帷幕条件下，采用减压井降低承压水水头全过程，探讨了在不同止水帷幕深 度和抽水量条件下对承压水头等值线、基坑内外水位降深、地表沉降量等渗流 基本物理量的影响。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章渗流分析的基础理论 水或其它流体在多孔介质中的流动，统称为渗流，其流动性质取决于渗流 骨架的岩土性质和流体的性质。地下水在土体孔隙、岩体裂隙和溶洞中的流动 现象是极其复杂的，由于孔隙或裂隙的分布缺乏规律性，一般无法研究某个确 定的孔隙或裂隙中流体的运动特征。因此，在渗流问题的研究过程中，我们是 研究流体在岩土体中的平均流动规律，而不直接研究某个流体质点的运动规律， 即空间平均法【9 】。这种方法实质上是假想用属于同一流体的真实水流来充满整个 含水层从而来代替实际水流在孔隙或裂隙中运动，其目的是通过对这一假想水 流的研究来了解真实水流的渗透规律。显然，该假想水流应具有下列性质i l l j ： ( 1 ) 流量相同，即过水断面的流量与真实水流通过该断面的流量相等； ( 2 ) 压力、水头相等，即断面上的水头、压力与真实水流相等