（岩土工程专业论文）深埋隧洞水平降水的数值研究.pdf

摘要 随着我国经济的腾飞，建筑业也迅猛发展。高层建筑，地铁，长大隧道以及 矿山等工程中关于地下水的问题也日益突出。常用的降水方法，即垂直井点降水技 术一般很难使地下水位有效的降深到工程施工要求的程度，尤其垂直井点降水还存 在“疏不干一情况。水平井技术，是在降水场地设置集水竖井，于竖井中的不同深 度和方向打上水平井点，使地下水通过水平井点流入集水竖井中，再用水泵将水抽 出，以达到降低地下水的目的。工程实践表明，水平降水有较高的效率。 通过对水平井的有关计算和有限单元法在渗流方面的应用的现有成果进行较 系统研究的基础上，首先建立了多水平井在降水中的数学模型并编制了三维有限元 计算程序，然后对工程实例进行计算，将计算结果与井点降水、单水平井管降水时 的水位降深进行对比分析，得出了多水平井管降水的一些基本规律。 在多水平井管的水平井井流模型及模拟方法中，水平井管的进水井壁是其边界， 因为井管内的水流已不是渗流。水平井管壁处的水力条件( 边界条件) 很难严格给 定，然而将其边界移至水平井管的出水口处，则此处的边界条件却易于确定。 三维问题中，竖井的处理是一个难点。本文将抽水井当作一个与圆筒轴长相 同的等效方形简单元来处理。此程序可以模拟多水平井抽水时计算区域各点水位降 深随时间的变化，研究水流运动规律；求解任意边界条件下的井定流量抽水问题， 预测潜水位，指导施工开挖进度，评价降水方案的合理性。 关键字：“疏不干 水平井降水数学模型有限元 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：m a l t h e m a t i c sr e s e a r c ha b o u th o r i z o n t a lw e l l m a j o r - l o w e r l n gv v a t e ri nt h ed e e pt u n n e l t i m e ：2 0 0 7 0 3 n a m e ：l i uf e i s u p e r v i s o r ： a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： a l o n gw it ho u rc o u n t r ye c o n o m yj u m p i n g ，d i v e r s i f i e dc o n s t r u c t i o n sa l s o h a v eab i gd e v e l o p m e n t t h eg r o u n d w a t e rp r o b l e m so fs k y s c r a p e r , s u b w a y , l o n g d e e p t u n n e la n dm i n e ，e t ci n c r e a s i n g l yb e c o m es t a n do u tt o o t h ec o m m o np r e c i p i t a t i o n t e c h n o l o g y ( v e r t i c a lw e l lp r e c i p i t a t i o nt e c h n o l o g y ) c a nn o te f f e c t i v e l yl o w e rt h e g r o u n d w a te r ，a n dh a s ap r o ble m ( “i n e x h a u s t i b l ep u m p i n g ) h o r i z o n t a lw e l l t e c h n o l o g y , h a v e a n o t h e rn a m ec a l l e d t h ew e l lt e c h n o l o g yo fr a d i a t i o n ，s e t s u p p e r p e n d i c u l a rw e l li nt h ep r e c i p i t a t i o np l a c e ，a n dd i r e c t i o nh o r i z o n t a lw e l li nt h ed i f f e r e n t d e g r e e so fd e p t h so fp e r p e n d i c u l a rw e l l ，m a k eg r o u n d w a t e rp a s st h eh o r i z o n t a lw e l lt of l o w i n t ot h ec o l l e c tw a t e rp e r p e n d i c u l a rw e l l ，t a k ew a t e ro u tw i t ht h ew a t e rp u m pa g a i n ，i n o r d e rt oa c h i e v et h eg o a lo fr e d u c i n gt h eg r o u n d w a t e r t h ep r o j e c tp r a c t i c ei n d i c a t e s ，t h e r e i sr e l a t i v e l yh i g he f f i c i e n c yi nh o r i z o n t a lp r e c i p i t a t i o n i nt h i sm o d e lo fh o r i z o n t a lw e l l sa n di t sm e t h o do fm o d e l i n g ，t h eb o u n d a r yo f h o r i z o n t a lw e l li si t sb o r e h o l ew a i l b e c a u s ei nt h ew e l lt h ef l o wh a sn o ta l r e a d yb e e nt h e s e e p a g e b u ti nt h eh o r i z o n t a lw e l lb o r e h o l ew a l l ，t h eh y d r a u l i cc o n d i t i o n s ( b o u n d a r y c o n d i t i o n s ) i sv e r yd i f f i c u l tt or i g o r o u s l ye n f o r c et h es e t t i n g b u ti fm o v ei tt ow a t e r - o u t m o u t ho fh o r i z o n t a lw e l l s ，t h e nh e r ee a s yt od e t e r m i n e 也eb o u n d a r yc o n d i t i o n s i nt h et h r e e d i m e n s i o n a lq u e s t i o n t h et r e a t m e n td r a w i n gw a t e ri nt h es h a f ti sa d i m c u l tp o i n t t k st e x tr e g a r d st h es h a f ta so n ew e l lu n i te q u i v a l e n ts q u a r el e n g t ho ft h e d r u m t 1 1 i sp r o c e d u r ei m i t a t ef o r mc a l c u l a t er e g i o n a le a c hp o i n tf a l ld a r kc h a n g e sa ta n y t i m e sb yw a t e rl e v e lw h e nd r a w i n gw a t e rb yw e l l s m d yt h es p o r tl a wo ft h er i v e r s ；s o l v e d e f i n i t e l yf l o wd r a ww a t e ri s s u ew a n t o nb o u n d a r yt h ew e l l so ft e r m s ，p r e d i c tt h a td i v e s u n d e rw a t e ri nt h el o c a t i o n ，g u i d ea n dc o n s t r u c ta n de x c a v a t et h ep r o g r e s s ，a p p r a i s et h e r a t i o n a l i t yo ft h ep r e c i p i t a t i o ns c h e m e t h ek e y w o r d ：i n e x h a u s t i b l ep u m p i n g ：t h eh o r i z o n t a lw e l l ：p r e c i p i t a t i o n ；m a t h e m a t i c s m o d e l ： f i n i t ee l e m e n t 2 口，一 涧_ r o 【t 目 录 目录 1 绪论”“- “”1 1 1 地下水的研究历史与地下水的研究进展l 1 2 工程降水的重要性3 1 3 目前降水工程中存在的问题? ，3 1 4 工程降水方法5 1 5 水平井降水技术的现状6 1 6 设计计算6 1 7 水平井的施工工艺7 1 8 水平井降水技术优势、施工问题及原因8 1 9 水平井的研究现状及其成果9 1 10 本文主要研究内容9 2 水平井降水方法以及常用的计算方法1 1 2 1 概述“”一”“”o o o o oo l l 2 2 水平井的简介d o o ooooo oo oo 1 1 气 卜2 2 1 水平井管的配置o o o o o0 1 3 2 2 2 水平井管的直径o o o o o0 o o o o o o 1 3 2 2 3 水平井管的长度o d oooo0 0 0 1 3 2 2 4 水平井在降水工程中的优点1 3 2 3 水平井的降水原理及计算1 4 2 3 1 辐射井出水量的计算公式d o o o o0 1 4 2 3 2 水平井出水量的计算公式1 9 2 4 水平井出水量计算中需要解决的问题1 9 2 4 1 地下水在水平井管内的水头损失问题2 0 2 4 2 水平井管之间相互干扰的问题o ooo o o 2 1 2 4 3 水平井管中的水力计算问题2 4 3 渗流有限元数值模拟2 7 3 1 概j 苤“”2 7 3 1 1 有限元程序设计方法及内容2 7 西安理工大学硕士学位论文 3 1 2 渗流有限单元法概述2 8 3 2 潜水含水层的水流模拟3 1 3 2 1 边界条件3 1 3 2 2 初始条件3 2 3 3 渗流有限元的原理3 2 4 多水平井模型及程序开发”3 8 4 1 面向对象的程序设计3 8 4 1 1 概述“”“”3 8 4 1 2 面向对象的基本概念3 8 4 2 水平井井流模型及模拟方法3 9 4 2 1 数学模型3 9 4 2 2 水平井群中涌水量的计算4 4 4 3 有限元程序的开发0 0 0 ooooa o000ib o 4 6 4 3 1 有限元格式的建立o o o-oo o o 4 6 4 3 2 有限元的算法4 8 一 4 3 3 水平井导水矩阵的形成5 0 户，l 4 4 程序编制5 0厂 4 4 1 概j 苤一”“一”5 0 4 4 2 程序设计5 1 4 5 程序使用说明5 3 5 工程实例计算及分析5 7 5 1 工程概况5 7 4 5 2 垂直井点降水试验5 5 5 3 水平井的布置o b o oo o 5 8 5 4 模型的选用与边界条件的选用5 9 5 4 1 水流基本微分方程5 9 5 4 2 选用的模型5 9 5 4 3 降水区域与边界条件的确定5 9 5 4 4 单元划分6 0 一 f ， 目 录 5 5 试验与计算结果6 1 5 6 竖井的水跃值6 6 5 7 本章小结o o o oo oe o o 6 8 6 结论与展望7 l 6 1 结论”o d o o oo ”“7 1 6 2 展望”- ”一”7 l 7 致谢7 3 参考文献o o oo o i 7 4 附录”7 7 5 西安理工大学硕士学位论文 6 o 一 a ；o j 罗 a 主要符号表 _ _ _ _ - - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - - _ - _ _ _ _ _ l l _ _ l _ - _ _ - _ - _ _ - _ - - _ - - - _ _ _ - _ i - _ _ l - _ _ - _ _ _ - 一 主要符号表 a 过水面积m l d 水平井管内径m g 重力加速度，取9 8 ( m l s 2 ) 峨为潜水含水层的初始厚度i n 为井口水头m af l s - - 为井壁( 或滤水管内壁) 瞬时水头损失m 忱为滤水管阻力水头损失m 胁一为井管道摩擦水头损失m 动水位以下含水层厚度m 鬼水头损失m 吃为任意点i 处潜水含水层的厚度 以辐射管轴线至不透水层距离m ，华为水力坡度 l k 渗透系数m d k 等效渗透系数m d 墨为圆管水流呈层流时的渗透系数m i d k 等效渗透系数( 非达西管流的等效渗透系数) m d ，为等长水平井管的长度r n y 卜一为不等长水平井管的长度总和m a l - - 计算段管长m m 含水层厚度m 册含水层的厚度m 嘲为水平井管距不透水层顶部的距离m 刀为水平井管的根数 珐辐射井的出水量朋3 h q 第i 个井单独抽水时的涌水量 m 3 h 翻第i 个井在井群同时抽水时的涌水量( 干涉涌水量) 朋3 h 既为井口流量m 3 h 吼当地大口径管井的出水量m 3 h r 为辐射井的影响半径m 心大口井的影响半径m ，水平井的竖井半径m ，辐射管的半径m r f 虚拟等效大口井半径i t l 7 西安理工大学硕士学位论文 8 b 为水平井管等长时的等效半径m 为水平井管不等长时的等效半径m r j 一宰2 称为等效距离m 为第j 口井至i 点的距离m r e - 为雷诺数 s 单井降水时的水位降深m 水位降深m s 。井壁水位降深m r 一水跃值m s ，井内水位降深m 岛水位降深m ，时间s ，j ，1 号井单独抽水时，i 号井的水位削减值m f f 2 2 号井单独抽水时，i 号并的水位削减值 m 孓总的水位削减值m y f ；总的有效水位削减值m 材水流的平均流速m s 1 ，水平井管中的流速m s 1 ，一钐为流体的运动粘滞系数 形单位时间单位面积上垂直方向补给含水层的水量朋3 磊含水层顶板至水平辐射管的高度m a 干扰系数 q 经验系数值 口，系数，由关系曲线确定 口；第i 个井的涌水量减少系数 水平辐射管的埋深系数，根据l m 和z 0 m 的比值，按图2 - 7 确定 6 辐射管的互阻系数，取0 4 至0 6 y 为水的重率堙m 3 入由于水流与管壁磨擦而造成的水阻力系数，可取0 1 j l i 。系数，根据l m 和1 2 m 的比值，按图2 - 6 确定 为水的动力粘滞系数 ，土的给水度 p 为流体密度堙m 3 l i 一 、1 一 ，多 主要符号表 u 为水的动力粘滞系数 9 、l l ； 1绪论 1 绪论 1 1 地下水的研究历史与地下水的研究进展 人类从诞生到现今利用地下水的历史已有几千年，但由于地下水运动问题本身的 复杂性、以及科技和生产水平的限制，人们对地下水运动规律的认识却经历了很长的 历史过程。 在十九世纪以前，还谈不上对地下水进行科学的定量计算。直到十九世纪中叶， 随着地下水开发利用规模的扩大，生产上有了计算水井涌水量的要求，才有达西( h e r r y d a r c y ) 于1 8 5 6 年通过长期试验( 在沙桶中) 得出的水在多孔介质中的渗透定律，即 著名的d a r c y 定律【4 1 ， 即：q 0 1 旦l 二旦上( 1 1 ) 一 ， 式中q 一渗流量； h l 、h 2 一通过砂样前后的水头； ，一砂样沿水流方向的长度； a 一试验圆筒的横截面积，包括砂粒和空隙二部分面积在内； k 一比例系数，称为渗透系数。 式中皇l 二旦即水力坡度j ，故上式可改写为 y 垒j = ， ( 1 2 ) 彳 上述两个关系式称为d a r c y 定律。它指出渗透速度v 与水力坡度j 成线性关系，故又 称为线性渗透定律。这个定律是对地下水运动定量认识的开始，直到今天仍然是地下 水运动理论的基础。 接着j d u p u i t ( 18 6 3 年) 以d a r c y 定律为基础假设在垂直过水断面上任一点的流 速处处相等，而且流线均为平行直线的基础上研究了一维稳定流动和向水井的二维稳 定运动【2 】，在d a r c y 的试验中，地下水是作一维的均匀运动，即渗透速度和水力坡度的 大小和方向沿流程不变。更一般的三维d a r c y 定律的微分形式为： ，孟= ，一足竺( 1 3 ) 删 ，e j 式中一k 等为水力坡度。在直角坐标系中，如以v x 、v y 、v z 表示沿三个坐标轴方向的 渗透速度分量，则有： vn 1 f + v y j + ，：七 ( 1 4 ) 式中i 、j 、k 为三个坐标轴上的单位矢量。它给出了渗透速度场与水头场之间的关 系。 接着p f o r c h h e i m e r 等研究了更复杂的渗流问题，从而奠定了地下水稳定流理论 的基础。此后数十年内，它对生产实践起过重要作用。但是这种理论的局限在于它不 包括时间( t ) 这个变量，它不能反映不断发展、变化的地下水实际动态，因而具有一 定的局限性。1 9 3 5 年t h e i s ( 泰斯) 在此基础上提出了地下水向承压水井的非稳定流公 式【4 】【5 l 即泰斯( t h e i s ) 公式u ： l 一般说来，基坑按其深度可分为浅基坑和深基坑两种，浅基坑一般指的是楼房建 设时的开挖工程通常在3 4 层以内，深度不超过1 0 米：深基坑多为重大工程建设时 的开挖工程。在以往基坑的降水工程中，大多数都采用竖井降水的方式。浅基坑多在 浅水层中开挖，通常采用简单的稳定流公式计算即可满足要求捧j 。深基坑土方开挖工 程量大，开挖施工时间长，因此，抽水降压设计必须充分考虑时间因素，公式一般采 用非稳定流公式比较经济合理。 垂直井点降水是目前基坑、隧洞等地下工程施工降水的主要手段。但是，垂直井 2 t 1 绪论 点降水有时无法解决“疏不干 ( 即低渗透) 问题，而且降水时间较长。“疏不干 是基坑垂直井点降水工程中常遇到的一种地质工程现象1 9 】。 在地下水渗流理论与分析计算中，数值方法已广泛运用，但在深层降水渗流计算 中却较少见到。深基坑渗流数值计算是有自由面的渗流问题，作为渗流域边界的自由 面位置是待求的，即渗流域范围未知，这类问题需要反复计算【l o 】【1 2 】。求解该问题的有 限元方法采用移动网格法和固定网格法。移动网格法由于网格移动预先不确定性，造 成要么区域重新剖分，要么计算网格畸形，当自由面的位置在不同土层的交界面处变 动时，网格的调整，使程序判别工作复杂和困难，同时还会影响计算精度和速度。为 此不变网格有限元法就成为研究的重点。自n e u n a n 于1 9 7 3 年提出不变网格分析有自 由面渗流的g a l e r l d n 法以来，出现了多种固定网格法【1 3 1 ，如d e s a i 剩余流量法、b a t h e 单元渗透矩阵调整法；张有天在剩余流量法的基础上，提出的初流量法；吴梦喜提出 的虚单元法；以及梁业国等提出的子单元法。在基坑渗流计算方面，同济大学任红林， 杨敏等按照有限元理论，以地下水渗流方程为基础，考虑不同边界，坑内外是否有水 力联系的基础上，对降水中潜水、承压水地下水位随时间的下降过程进行了二维数值 模拟。 1 2工程降水的重要性m 1 随着国民经济和城市建设的迅速发展，近年来，我国城市化进入了一个新的发展 时期，城市的数量、规模以及城市人口都有了巨大的增长。同时作为城市化的产物之 ， 一高层建筑不仅在数量上越来越多，而且在高度上也越来越高。相应地，基坑开挖的 深度也越来越大。由此可见，我国高层建筑数量的越来越多，建筑面积越来越大，基 坑向大深度、大面积方向发展已成为必然趋势。 目前，许多高层建筑在密集的建筑群中施工，由于施工场地狭窄，邻近常有必须保护 的永久性建筑和市政公用设施，深基坑开挖不可盲目挖坡，而且对基坑稳定和位移控制的 要求很高，使得深基坑工程的设计与施工难度越来越大，深基坑降水就是其中之一。 在地下水位较高的地区开挖基坑时，含水层被切断，地下水会不断渗入到深基坑 内。为提供地下工程作业条件，防止与地下水有关的涌砂、边坡失稳及地面变形、地 基承载力下降等危害，必须对地下水进行处理。特别是对位于沿海、沿江的大城市来 说，深基坑开挖中的降水问题显得尤为重要。如我国长江中下游沿岸城市大都位于长 江一级阶地之上，地基呈典型的二元结构，上部由透水性弱、力学强度低的粘性土层 组成，下部由力学强度高、透水性强的砂、砾、卵石层组成，富水性好，在两层结构 之间，间或出现厚度不一的粉砂过渡层，抗渗强度低，这样更增加了地下工程支护与 施工的难度。 由于基坑开挖时，支护一般只是临时性工程，提供设计的基础资料不足与所处理 的工程复杂性之间常形成矛盾，导致目前降水设计中存在许多局限。 西安理工大学硕士学位论文 1 3 目前降水工程中存在的问题 随着国民经济和城市建设的迅速发展，高层建筑及大型构筑物愈来愈多，土地使 用日趋紧张，势必向地下空间发展，基坑开挖的面积和深度也逐渐增大，由此而引伸 出深基坑施工，围护结构的稳定与安全，以及因基坑开挖而引起的城市环境问题显得 尤为突出。许多施工单位认为深基坑开挖时间不长，降水只是临时性的工作，至多在 施工时打几眼降水井就可以了。事实上地下水的处理是一个复杂问题，处理不当就会 产生新的问题，会给深基坑的施工带来困难和风险，甚至造成重大事故。近年来由于 水文地质问题没有解决好而引发了基坑坍塌、地面沉降、地下管线断裂等事故，致使 贻误工期，甚至人员伤亡，造成重大事故。 例一，上海某炉煤气越江工程。竖井为一直径1 8 m ，壁后0 8 m 钢筋混凝土连续墙， 深3 4 6 m ，要求竖井内干开挖至2 9 m 。地层在5 6 m 以上为吹填土及淤泥质粉质粘土， 3 3 m 以下为粉砂层( 第一承压含水层) 厚7 7 5 m ，承压水头离地面5 m ，当时有关部门 认为在连续墙内开挖无需降水，忽视了基坑以下具有水头高达2 8 m 的承压含水层。在 没有进行降水情况下开挖，当挖至离地面2 5 m 时，由于基坑以下承压水头顶托力影响， 含水层顶板出现裂缝，井内砂土大量上涌高达4 m ，竖井四周砂土上涌高达0 7 m - - 2 5 m ， 造成连续墙不均匀下沉，沉降量最大达3 8 c m ，此时才意识到降水减压的重要性，但已 付出了代价。 例二，黄浦江引水工程的临江工作井盾构施工掘进。该井为1 1 4 m x l 2 m ，深2 8 4 m 的沉井。当盾构向越江方向推进7 m 时，突然发生倾斜，头部下沉，斜率达2 0 ，造 成盾构与沉井密封圈开裂，大量地层中的砂质粉土、粉砂涌向沉井，引起地表大面积 塌陷，深度达1 5 m - - 2 m ，此时只有向沉井内灌水以防更多的地层砂涌向沉井，为了纠 偏，还布置数眼喷射井点降水，但未能奏效，此时才认识到降水的重要性。后经重新 布置降水方案，进行科学有效降水，使盾构得以退回沉井，并对原盾构塌陷位置注浆 后再重新推进，但已延误了工期。 不难看出，降水不当造成的事故非常严重。人们逐渐认识到降水工程的重要性。 目前在降水方案的设计中，大都是应用泰斯公式计算。由于建立泰斯公式所依据的假 定条件的限制，在工程计算中常常造成 很大的误差甚至错误。实际工程中降水方案的设计包括以下几方面的内容： 水文地质参数的选择； 基坑涌水量计算； 单井出水能力、井的数量及间距的确定。 目前在工程中进行涌水量计算时，有时为了简化计算将整个基坑当作一个等效大 井，利用裘布依的稳定流理论或者泰斯公式近似计算，而裘布依公式和泰斯( n e i s ) 公式所要求满足的定解条件在工程实践中是不存在的。降水方案设计好以后，在降水 过程中如何合理地进行基坑开挖，这就要求模拟地下水位的降落过程。应用泰斯公式 4 一 j ， l 1 绪论 很难做到这一点，必须寻找更加精确的解决方法。 1 4 工程降水方法口1 水是导致基坑工程事故的重要因素，许多基坑工程事欲都是由于水的原因而造成 的，基坑工程的防水、降水和排水是一项事关全局的工作。因此，在基坑开挖过程中， 为了防止管涌、流砂、坑底隆起以及与地下水有关的坑外地层过度变形，必须做好对 地下水的控制。 工程控制地下水的方法有：降低地下水位、隔离地下水两类。降低地下水位的方 法有集水明排及降水井，降水井包括电渗井点降水、轻型井点降水、喷射井点降水、 电渗井点降水、辐射井( 或水平井) 降水、管井抽降、自渗降水、综合并点降水；隔 离地下水包括地下连续墙、连续排列的排桩墙、隔水帷幕、坑底水平封底隔水等。对 于弱透水地层中的浅基坑，当基坑环境简单，含水层较薄，降水深度较小时，可考虑 采用集水明排；在其它情况下宜采用降水井降水，隔离措施或隔水、降水综合措施。 但是在进行基坑地下水控制设计时应具备一些资料，包括地层各分层的岩性厚度 和底板高程；地下水类型；地下水位标高与动态规律以及各含水层之间的水力联系； 各含水层的水文地质及与降水有关的工程地质参数；含水层的补给、径流条件；基坑 表1 1 降水井类型及适用范围 t a b l e l - it h et y p eo f w e l l sa n dt h ef i e l do f t h e i ra p p l i c a t i o n 粘土、淤泥质粘土、 粘质粉涂、粉土粉 细砂、中砂、细砂粗砂、砾石、卵石 粉质粘土砂、细砂 电渗井点降水 3 - - - 6当层轻型井点管井降水 ( 配轻型井点) 双层轻型双层轻型井点或管 6 1 2 电渗井点降 井点降水井降水 ( 配喷射井点或多层管井降水 轻型井点) 喷射井点或管径降水 8 2 0 或多层井点降水 大于l o管井降水管井降水 周围建筑物与地下管线基础情况；基坑支护结构类型；基坑工程施工季节内的气象资 料及基坑维持时间等。降水井的类型应根据基坑规模、槽深、环境条件、各土层渗透 性和降低水位的深度进行合理选择，常用井点类型和适用范围见表i - i 。 5 西安理工大学硕士学位论文 1 5 水平井降水技术的现状 在建筑与市政工程基坑降水中，垂直井点降水技术，如轻型井点、管井等是目前 广泛采用的一类降水技术【9 】。水平井技术，又称辐射井技术，早在本世纪三十年代就 已用于地下水开发中，七十年代在我国西北黄土高原的地下水开发中推广该技术【1 5 l 。 中国水利水电科学研究院自7 0 年代末开始对这一技术进行深化研究，在施工机械和施 工技术上都作过大量的改进，并于8 0 年代末成功引入到基坑降水工程中。期间，国内 少数几家单位也曾相继在基坑降水中推广过该技术。目前，该技术中的专利已有数项， 水平井降水技术也已列入我国行业标准中。 水平井降水，是在降水场地设置集水竖井，于竖井中的不同深度和方向打上水平 井点，使地下水通过水平井点流入集水竖井中，再用水泵将水抽出，以达到降低地下 水的目的。工程实践表明，水平降水有较高的效率。水平井降水技术因可顺含水层布 置，可布设在含水层与隔水层分界面处，多管阶梯状布设可有效地切断基坑内外地下 水的水力联系，彻底消除“疏不干 ( 即低渗透) 问题。水平降水技术能最大限度减 少占地面积( 仅需竖井占地) ，而且竖井设置的灵活性高。水平降水的降落漏斗呈平缓 蝶状，降落曲线坡度远小于垂直井点降水，从这个角度说，水平井降水过程中所引起 的差异地面沉降要较垂直降水的小，对地面的影响相对弱些。此外，水平滤水管的疏 导能力强，可以与土方开挖同步，所以可以大大缩短工期。 水平井降水适用于各类地层，其井深和降深不受限制，对于城建工程中虽有场地条 件但用常规的降水方法无法疏干的工程( 疏不干问题) 亦能较好地解决【1 6 】【1 们。现有施 工工艺打出的水平井管的长度最大可达7 0 m 9 ，而用于石油开采的水平井长度可达数百 米。由于水平集水管( 水平井) 呈辐射状，故也称为辐射井，其作用是使地下水沿水平 集水管( 水平井) 汇集至竖井中用水泵抽走。 1 6 设计计算 在垂直井点降水技术中，井点的布设有科学理论依据，丰富的工程实践经验又使 其井点的布设( 井距、井深、井径、滤水管设计或选用等等) 较为完善【7 】【引。但是，在 水平井降水技术中，目前尚无合适的设计计算理论依据。供水水文地质学中有一些稳 定流条件下单层水平孔辐射井总出水量计算的近似公式【l l ，但极少能计算单根辐射管 的出水量，而且这些近似公式大多复杂或是经验的。1 9 9 9 年我国颁布的 建筑与市政 降水工程技术规范( j g j t 1 1 1 9 8 ) 中关于水平井技术的设计基本上源于地下水开发 的经验。然而，用于供水目的取水与用于疏干目的的基坑降水虽同是抽排地下水，但 事实上两者设计要求是有差异的。前者的设计要求抽排地下水的能力不大于含水层的 给水能力，而后者则完全相反；前者抽水时问很长，后者因工期紧而时间要求很短。 正由于这些明显的差异，使德现有的用于供水设计的近似计算式应用于基坑降水设计 存在缺憾。 6 i 1绪论 在基坑水平井降水设计中，水平辐射管的布设是一个关键。要合理地布设水平辐 射管，无疑需要确定单个水平辐射管的出水量。显然，单个水平辐射管的出水量计算 是比较关键的一个环节。理想的设计计算依据是要有不同水文地质条件、不同水平辐 射管布置情况下的单个水平辐射管出水量的理论计算式，然而目前的几个特殊条件下 的近似式远远满足不了设计需要。事实上，基坑降水属于一种地下井孔的渗水面积等 与其出水量的定量关系，含水层给水量与单管出水量、滤水管上小孔的渗水面积等之 间的关系。 水平井降水的竖井和水平井井点的设置，应根据场地水文地质条件，降水深度和 降水面积等综合考虑确定。 集水井一般设置在基坑的角点2 - - - 3 m ，竖井直径一般在3 - - 5 m ，深度超过基坑底 3 - - - 5 m 。水平井点在竖井内施工，其平面位置一般沿基坑四周布设，形成封闭状。当 降水深度为5 m 左右时，可采用单层水平井点；当降水深度大于5 m 时，可采用多层水 平井点，每层间距一般为3 - - - 5 m 。 射f 地圈 弋土噬订曲r i 一 夏酏 2 6 - _ _ o 一 卜啼兰：竺= 兰：9 - 鲰 m 疆甜并麓相示 h l 阳一删m c 衍 成了水平井技术在设计上仍停滞不前， 1 7 水平井的施工工艺 水平井井孔的直径一般为7 0 r a m - 1 5 0 m ，孔内放入直径3 0 m m - - - 1 0 0 r a m 的 钢滤水管或波纹塑料滤水管或硬塑料 滤水管；孔径、管径和管材应根据地层 土质、井点深度、涌水量等确定，目前 一般使用的滤水管是波纹塑料滤水管， 但在砂卵石中一般应用钢塑料管。 水平井降水技术应用基坑工程中 的历史很短，人们对它的认识不足，而 且致力于该技术开发的技术人员也很 少，应用的工程也屈指可数，这些均造 发展十分缓慢。 水平降水井是由一口大尺寸竖井( 并内径不小于2 5 米) 和井内任意高度上单一 方向或多方向延伸长度不一的水平滤水管组成( 如下图1 - 1 所示) 。 辐射井施工主要分竖井和水平井施工，根据场地和地层情况采用不同的施工方法。 大尺寸竖井的施工一般采用沉井法，用人力掘进，预制钢筋砼井筒或大尺寸钢管 井筒，边掘进，边沉入预制井筒，一直施工到设计深度，将井底用钢筋砼灌注，封闭 成井。或采用大口径钻孔机( 孔径可达3 米多) ，泥浆护壁成孔，待钻至设计深度后， 将有底的井筒吊入，并装入一定量的水，随后逐节吊入并与前节联接牢固，并加水， 直到井筒铺设完毕。将井筒与地面固定，抽掉井筒中的水。 大尺寸竖井也可利用管线施工竖并，从而节省降水成本，加快施工进度。但是， 西安理工大学硕士学位论文 管线施工竖井并不能完全满足降水竖井的尺寸要求。这时，往往从整个工程角度考虑 进行协调，以尽量使两者都能满足。 水平滤水管的设置要求首先钻水平孔。目前水平孔成孔工艺主要有如下三种： ( 1 ) 套管钻进护孔、螺旋钻具掏心排渣法。此法钻具简单、操作方便、钻进较快， 终孔后套管内无存渣，能解决钻进过程中孔口大量涌水涌砂等技术难题，也利于井下 钻进、安放滤水管和起拔套管。在砂层中钻进时，套管超前钻进，随后用螺旋钻具在 套管内掏心排渣。在粘性土层中钻进时，螺旋钻具与套管同步钻进或稍滞后钻进。在 砂卵石层中钻进时，通常是螺旋钻具超前。 ( 2 ) 套管跟进护孔、水力冲削辅助钻进法。此法不仅钻具简单、操作方便，而且 所需推力小，钻进更快速，在粘性土中钻进速率达3 0 m h 多，在砂土中则更快。此法 是水力冲削钻进在前，套管紧随其后。在砂土中钻进时，两者基本上同步。因为有水 参与钻进，所以对钻机的扭矩要求也较螺旋掏心排渣法低。后来开发了钻( 杆) 套( 管) 合一的钻具，使该工艺进一步简化，施工进度也得到了进一步的提高。 ( 3 ) 套管顶进、水力冲刷排渣法。这是在供水水平孔施工中常用的方法。该法设 备简单，成本低，要求竖井尺寸较小。因供水目的而施工的水平孔往往在水下粗粒砂 的砂层中，施工环境保护要求不强，所以施工速度也较快。有的使用强度高的钢滤水 管，因而取消套管，直接将滤水管顶进，同时边用高压水冲刷管内砂土。 目前，工程上应用较多的是第二种，这主要是因为它要求配套钻机的动力相对较 小，且施工速度快。然而，这种施工工艺技术也常易给工程造成一些后遗症或工程隐 、 患，其根源之一是水平成孔过程中未能很好控制孔中泥砂的排泄，造成局部空洞。 1 8 水平井降水技术优势、施工问题及原因阻1 垂直井点降水虽然已日趋成熟，且是目前基坑降水中的主要手段或方法。但是， 垂直井点降水无法解决“疏不干一问题【l 们，而“疏不干一问题的存在，又不同程度影j j - 响到基坑工程施工的顺利、经济成本、工期等。水平井降水技术因可顺含水层布置， 可布设在含水层与隔水层分界面处，多管阶梯状布布设可有效地切断基坑内外地下水 的水力联系，彻底消除“疏不干一问题。水平降水技术能最大限度减少占地面积( 仅需 竖井占地) ，而且竖井设置的灵活性高。水平降水的降落漏斗呈平缓蝶状，降落曲线坡 度远小于垂直井点降水，从这个角度说，水平井降水过程中所引起的差异地面沉降要 较垂直降水的小，对地面的影响相对弱些。此外，水平滤水管的疏导能力强，可以与 土方开挖同步，所以可以大大缩短工期。 尽管水平降水技术有诸如上述许多独特的优势，但是由于引入到基坑降水工程仅 1 0 余年，目前有的水平降水场地仍出现地面裂缝、基底土体扰动等问题。事实上，这 些问题产生的根本原因是 ( 1 ) 水平井孔成孔工艺与水文工程地质条件匹配性差； ( 2 ) 滤水管的选择与水文工程地质条件匹配不佳： 2 一 | l 1 绪论 ( 3 ) 水平孔的布置未合理考虑潜在“疏不干”问题的影响； ( 4 ) 部分水平孔布置在基坑底下的地基土中，不同程度地破坏或扰动了地基土。 1 9 水平井的研究现状及其成果 由于工程的需要，目前对水平井的研究主要还分布在用等效大口井求得抽水量和 有效作用半径方面，而对于在有水平井分布情况下的有效水位降深和相互影响作用研 究甚少。陈崇希在考虑到水平管中水的流态和沿程损失的基础上，对于单水平井计算 提出了相对简单可行的边界条件，建立了数学模型： 旦8 x 卜警卜专卜詈卜丢卜警卜占- 瓯鲁 h ( x ，y ，z ，r ) i r - o h o ( x ，y ，z ) ，( x ，y ，z ) e d 1 t ( x ，y ，z ，r ) i 焉。h i ( x ，y ，z ，r ) ，0 ，s 乙 ( 1 7 ) i 8 h ( w ，z ，r ) i 如- 1 ，( w ，圳) ，o ，s h ( x ，y ，z ，) 1 w “- h w o w t ( ，) ，0 r 墨乙 q ( x ，y ，z ，) k 删瓯伽，( ，) ，0 ，墨f | f 尺，含水层孔隙介质d a r c y 流的渗透系数； k 一 局，水平井管层流( 线性流) 的等效渗透系数； i 疋，水平井管紊流( 非线性流) 的等效渗透系数。 式中：k 。是连同水平井管在内的“含水介质一的“等效渗透系数一；s 是单位储 水系数；h 是水头；是源汇项：h o 是初始水头；h 。为第一类边界水头；v 是第二类边 界单位面积单位时间入渗的水量；n 为二类边外法线方向；d 为研究区；t 为研究时段 1 2 0 ) o 接下来西安理工大学的陈昌禄沿着这条路确定了边界条件，并编写了三维程序， 基本上解决了单水平井的流量计算和井的竖直面上的水位降深，通过验证，该模型基 本上反映了地下水的实际情况。 1 10 本文主要研究内容 在前人研究的基础上，本文主要从以下几方面的着手： 一、进一步从理论上研究用有限元法计算水平降水的基本理论和方法， 建立多水平管降水的有限元数学模型； 二、在陈崇希提出的单水平井边界条件和陈昌禄程序的基础上，开发和编制三维有限 元水平降水的计算程序； 三、搜集有水平降水实测资料的工程实例，验证数学模型和三维有限元程序； 四、通过程序计算多水平管降水条件下地层的水位和涌水量变化规律； 9 西安理工大学硕士学位论文 五、对西安市黑河输水工程、少陵塬黄土隧洞的水平降水方案进行有限元计算，确定最