（水工结构工程专业论文）水利基坑降水井群的优化方法和应用研究.pdf

中立摘要 摘要 本文以水利基坑降水井群的优化布置为主要研究内容，对基坑降水井群 优化布置的不同方法迸行分析、研究和评价。采用目标函数法，建立基坑降 水井群优化模型。主要研究内容如下： ( 1 ) 对基坑降水的基本理论和常规方法进行研究、总结。研究了“大 井”法对基坑降水井群的优化布置原理、方法、计算步骤以及适用条件，同 时研究了基坑三维稳定渗流有限元方法对基坑降水井群的优化布置原理、方 法和适用条件，并对上述方法的优缺点进行了综合评价。 ( 2 ) 针对以往目标函数法中基坑降水井群优化模型只考虑基坑控制点 水位降深和单井出水量大于零的约束条件的不足之处，本文以基坑总涌水量 最小为目标函数，以基坑中心控制点水位降深、单个降水井的最大、最小出 水量能力为约束条件，以降水井和基坑周边的渗透坡降临界值、降水井最大 井深和降水井的井半径为控制条件，建立基坑降水井群优化模型。 ( 3 ) 对优化模型中约束条件和控制条件分别进行分析，并给出约束条 件、控制条件的求解方法和模型边界条件的处理方式，且对模型应用情况进 行说明。 ( 4 ) 对优化数学模型求解方法中，采用m a t l a b 优化工具箱中f m i n c o n 优化函数的求解方法进行了研究，并对所建基坑数学模型进行求解，通过算 例和工程实例进行计算验证。 ( 5 ) 应用前述的理论和方法，结合英布鲁水利基坑降水工程，将前面 所建立的数学模型应用于工程实践，并与以往的常规降水井优化方法中的 “大井”法、有限元方法进行计算比较，据此对模型的合理性和有效性进行 了验证。 关键词：基坑降水、目标函数法、“大井”法、有限单元法、优化 英文摘要 a b s t r a c t t h e p a p e r h a s m o s t l y r e s e a r c h e di n t oo p t i m i z a t i o n a n d a r r a n g e m e n t o f h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g f o u n d a t i o nd i t c h p r e c i p i t a t i o n w e l l c l u s t e r , a n d a n a l y s e d ，s t u d i e da n da p p r a i s e dd i v e r s i t ym e t h o d s t h ep a p e rh a sa d o p t e do b j e c t f u n c t i o nm e t h o da n dc r e a t e do p t i m i z a t i o nm o d e lo f f o u n d a t i o nd i t c hp r e c i p i t a t i o n w e l lc l u s t e r t h em a i nc o n t e n sa r ea sf o l l o w s 1f o u n d a t i o nd i t c hp r e c i p i t a t i o nt h e o r i e sa n dc o n v e n t i o n a lm e t h o d sa r e s t u d i e da n dg e n e r a l i z e d ，t h ep a p e rd i s c u s s e dp r i n c i p l e s ，m e t h o d e s ，c a l c u l a t i o ns t e p s a n da p p r o p r i a t ec o n d i t i o n so f l a r g ew e l l m e t h o da n dt h r e e - d i m e n s i o n a ls t e a d y s e e p a g ef i n i t e e l e m e n tt e c h n i q u eo no p t i m i z a t i o na n da r r a n g e m e n tf o u n d a t i o n d i t c hp r e c i p i t a t i o nw e l lc l u s t e r ；a n da p p r a i s e dg e n e r a l l ym e r i t sa n dd r a w b a c k so f t w om e t h o d s 2 t h ep a p e r ，a c c o r d i n gt oi n s u f f i c i e n ts e c t i o nw h i c ho n l yc o n s i d e r a t ew a t e r h e i g h td e s c e n d i n gi nf o u n d a t i o np i t c ha n dh i g h - p o s i t i v ey i e l d i n gw a t e ro fs i n g l e w e l lo fp r e v i o u so b j e c tf u n c t i o nm e t h o do no p t i m i z a t i o nm o d e lo ff o u n d a t i o n d i t c hp r e c i p i t a t i o nw e l lc l u s t e gt a k e dm i n i m u mw a t e ra so b j e c tf i m c t i o n ，r a k e d w a t e r h e i g h td e s c e n d i n gd i f f e r e n c ei nc e n t e r o ff o u n d a t i o np i t c ha n dm a x i m a la n d m i n i m u my i e l d i n gw a t e ro fs i n g l ew e l la sb o u n df o ro b j e c t i v ef u n c t i o n ，t a k e d s e e p a g e g r a d i e n tr a t i oo fw e l la n df o u n d a t i o np i t c h ，a n dm a x i m a ld e e pa n dr a d i u s o fw e l l sa sc o n t r o l l i n gc o n d i t i o n ，e s t a b l i s h e dn e wm o d e lt oo p t i m i z a t p r e c i p i t a t i o n w e l lc l u s t e n 3 c o n s t r a i n tc o n d i t i o na n d c o n t r o l l i n g c o n d i t i o na r e a n a l y s e d a n d s t u d i e d ，t h e b o r d e r l i n eo ft h em o d e li s s t u d i e d ，a n d t h e p a p e r i l l u s t r a t e dt h e a p p l i c a t i o n i np r a c t i c e 4 m u l t i f o r md e r i v a t i o n e so fo p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i cm o d e la r es t u d i e d t h ep a p e rc a l c u l a t e dh y d r a u l i cf o u n d a t i o nd i t c hm a t h e m a t i cm o d e lb yf m i n c o u m a j o r i z e df u n c t i o ni nm a t l a b t o o l b o xa n d p r o o f e d t h em o d e l b y c a s e h i s t o r y , 5t h e p a p e r ，t h r o u g ha p p l y i n ga b o v et h e o r i e sa n dm e t h o d sa n dc o m b i n i n g y i n g b u l uh y d r a u l i c f o u n d a t i o nd i t c h p r e c i p i t a t i o ne n g i n e e r i n g ，a p p l i e d a b o v e m a t h e m a t i cm o d e li n t o e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，c o m p a r e dt o c a l c u l a t i o nr e s u l to f l a r g e w e l l m e t h o da n df i n i t ee l e m e n t t e c h n i q u e ，a n d t e s t e d r a t i o n a l i t y a n d a v a i l a b i l i t yo f t h em o d e l k e y w o r d s ：f o u n d a t i o nd i t c hp r e c i p i t a t i o n ，o b j e c tf u n c t i o n m e t h o d ，l a r g e w e l l m e t h o d ，f i n i t ee l e m e n t t e c h n i q u e ，o p t i m i z a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师的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。与我一同 工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) 洋蔓拯 2 。5 年4 月日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存文件。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) 蒸l 垄勃 2 。5 年4 月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 基坑工程的发展概况 1 1 1 建筑工程基坑的发展概况 改革开发以来，随着我国经济建设、城市建设和建筑工业的迅猛发展，许多 高层、超高层建筑及道路、桥涵、地下管线、地质灾害治理等工程建设项目，如 雨后春笋般的拔地而起。城市建设的发展，带动地下空间的发展，目前各类用途 的地下空间已在世界各大中城市中得到开发利用，诸如地下停车库、地下街道、 地下商城、地下医院、地下仓库、地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等。 同时，地下工程建设项目的数量和规模也在迅速增大，如高层建筑物基坑、大型 管道的深沟槽、越江隧道的暗埋矩形段及地铁工程中的车站深基坑等。 近2 0 年来，我国已建成高层建筑累计超过1 3 亿1 1 2 2 ，到2 0 0 2 年，我国已建成 1 0 0 m 以上的高层建筑约3 2 0 幢，且有几十幢2 0 0 - 3 0 0 m 及以上的超高层建筑正在规 划设计或施工中8 8 。像上海金茂大厦，地上8 8 层，塔楼的开挖深度达1 9 6 5 m ， 裙房的开挖深度为一1 5 1 m ，基础开挖面积约2 万m 2 ，楼层高度达4 2 0 5 m ；深圳地 王大厦高达3 2 5 m ；广州中天大厦高达3 2 2 m ；它们跻身于当今世界2 0 座超级巨厦 之列，令人瞩目 2 5 o 还有为了迎接2 0 0 8 年第2 9 届奥林匹克运动会在首都北京举行， 即将进行的奥林匹克运动场基坑的开挖，也属于深大基坑之列。伴随着更多深大 基坑工程的设计和施工，我国的深基坑工程技术正随着工程实践不断地成熟起 来。 1 1 2 水利工程基坑的发展概况 在中国几千年的历史中，农业一直是社会经济的主要部门，而水利则是农业 的命脉，水利的发展不仅对于中国古代社会经济的发展起着至关重要的作用，同 时对现代我国的经济建设仍然起着十分重要的作用 5 3 。从大禹治水开始，我国治 水的历史已有几千年。几千年来，水利活动绵延不断，水利成就举世无双。古代 劳动人民修建了郑国渠、都江堰、灵渠、大运河等大批水利工程，在历史上对于 经济社会发展起过重要的作用。新中国成立以来，水利建设一直受到党和政府的 高度重视，特别是改革开放2 0 年来，我国水利工程建设事业得到迅猛发展，取得 了举世注目的伟大成就。经过5 0 年来的水利工程建设，初步控制了洪涝灾害，在 防洪、灌溉、供水、发电、航运、水保等方面发挥了巨大的社会效益、环境效益 和经济效益，为促进国民经济和社会发展做出了重大贡献 5 5 。 目前我国许多大型水利设施都在完建和正在建设之中，随着三门峡、丹江口、 葛洲坝、官厅、观音阁等大批水利水电工程的相继建成，特别是三峡、小浪底、 二滩等巨型水利工程的建设，标志着我国水利工程建设迈上了新台阶，跨入了世 河海大学硕士学位论文 界先进水半盼”j 水利工程的建设推动了水利基坑的建设发展，在许多大型水利工程中，由于 工程地质条件和水文条件非常复杂的地区，同时这几年的水利工程规模也越来越 大，如目前世界上最大的水利枢纽三峡水利枢纽，这样必然会带来更深、更 大和更为复杂的水利基坑建设。因此，水利基坑朝着更深、更大、更复杂的方向 在发展着。 1 2 基坑降水技术发展概况 随着近年来水利建设工程的地质、水文条件越来越复杂，大型水利基坑工程 的设计和施工是一个不容忽视的话题。同时由于高层建筑、地铁、隧道、地下工 事等工程的深开挖弘7 0 ( d e e pe x c a v a t i o n ) ，深基础工程和地下空间的开发和利 用已日益成为建筑工程中一个引人注目的技术难点和热点问题。无论是水利基 坑，还是建筑基坑，深基础工程的设计和施工是一个涉及工程、水文、地质、工 程结构、工程施工、工程管理的系统工程，是融岩土工程、结构工程、工程施工、 工程管理的系统工程，是建筑、水利行业科技进步和发展的标志之一。尤其是近 1 0 年来我国基坑工程得到迅猛发展“，大量的工程实践大大丰富和提高了我 国在基坑工程领域内的技术水平。但是，基坑工程是实用性、经验性极强的学科， 是随着工程实践不断提高的学科，进1 0 余年的工程实践既有大量成功的经验，也 有失败的教训，更有一系列有待进一步解决的问题，如基坑开挖过程中，由于土 的含水层被切断，地下水不可避免地会不断渗入到基坑内，由此引来了基坑降水 方面的问题，如何控制好地下水，减小其对基坑开挖和周围环境的负面影响已成 为深基坑开挖与支护工程中一个十分重要的方面，成为现代城市高层建筑和水利 枢纽建设的重要岩土工程问题之一，而且基坑降水的成功与否，将关系到整个工 程的进展，同时也关系到施工人员的性命与安危，对地下水处理的好坏，是决定 基坑工程成败的重要因素，是深基础地下建筑物旌工中一个重要而又较难妥善解 决的施工环节，如果基坑降水失败，轻则可能造成施工进度缓慢、影响工程工期、 增加工程投资，重则造成基坑报废，甚至人员伤亡，因此基坑降水应引起高度重 视。 虽然基坑降水越来越引起人们的高度重视，但因基坑降水失败而发生的工程 事故也屡屡出现，如天津无缝钢管总厂某基坑工程事故，由于没有采取有效的基 坑降水，当基坑开挖完毕，发现设备桩和支护桩均向基坑方向位移、倾斜，而且 不断增大，基坑边坡出现裂缝，支护桩位移8 0 0 1 2 0 0 m m ，主扎机基坑中的工程 桩位移超过4 0 0 m m 的占7 8 5 ，位移超过6 0 0 r n m 的占4 2 8 ，若按国家规范，桩 的允许偏移量为截面边长的5 0 ，则有9 0 桩的位移量超出规范允许值，这种情 况在基坑工程中较为少见 2 7 1 。这样，就促使工程技术人员以新的眼光来审视基坑 工程这一古老课题，使许多新的经验和理论的研究方法得以出现和成熟。 第一章绪论 人工降水技术早在1 8 9 6 年德国建造柏林地下铁道时就开始采用。随后雌界各 国在建水坝、水电站、泵站、隧道、高层建筑的地下室、市政工程、地铁等工程 中分别采用了不同的降水方法。 在我国，井点降水方法是新中国成立后才逐步发展起来的，早在五、六十年 代，在东北重工业基地建设、鞍山钢铁公司、包头钢铁公司、太原钢铁公司等重 大工程项目建设中，采用了轻型井点、喷射井点降水取得良好的降水效果。我国 沿海一带如上海、天津、广州等地先后广泛地应用管井降水并取得成功。 进a 8 0 年代以后，在改革开放政策指引下，建筑与市政工程迅速发展，特别 是高层建筑发展非常快，这些高层建筑都有一至二层地下室，个别的有三层地下 室，这些地下室的基坑开挖都需要进行人工降水，因而促进了基坑降水技术的发 展。 在人工降水技术方法方面，各种方法都得到了广泛应用，目前，上海已经生 产轻型井点降水的成套设备，天津、上海试制射流泵新设备，均获得较好的技术 经济效果【l 。 1 3 基坑降水方法的研究现状 基坑工程必须对地下水进行有效控制，而地下水的控制同时也是深基坑工程 的一个难点。由于土质和地下水位的条件不同，基坑开挖的方法也大不相同。有 时在没有地下水的情况下，基坑可轻易地挖到5 m 深或更深，但在地下水位较高， 而又是砂土或粉土时，即使挖至 3 3 m ，也可能发生塌方【，因此，对基坑进行降 水可以：有效防止基坑坡面和基底的渗水，使基坑在开挖期间保持干燥状态， 从而有利于机械化施工：增加基坑边坡的稳定和基坑底板的稳定性，防止边坡 e 或基底土层颗粒流失；减少土体含水量，有效提高土体物理力学性能指标， 减少支护体系的变形，提高土体固结强度，增加土中有效应力；不影响f 描近的 建筑物和地下管线的正常作用。然而从调查到的多起基坑工程事故分析，大部分 与地下水有关。 1 3 1 基坑降水引起的问题 在基坑开挖期间，一些最坏的情况都是出现在地下水位以下，这样会使施工 作业条件变得恶劣，因此，基坑开挖是一个复杂的地质工程问题，在开挖过程中， 不可避免的会遇到下列问题： ( 1 ) 坑底流砂、隆起或地下水突涌。在软粘土地基中开挖基坑时，由于上部 土体的卸荷，形成基坑内外地基土体的压力差，当这一差值超过基坑底面以下地 基的承载力时p ，地基的平衡状态就破坏，从而发生支护结构背侧的土体塑性流 动，坑底有被承压水顶破而发生涌砂、坑底隆起的危险( 8 4 q 翻。这是因为当基坑 开挖成型后，地下水渗流状态被全面改变的结果( 如图1 1 所示) 。 可海大学硕士学位论文 十1 l j ，每_ 一i 、1 、 一i 一 、一 、 j 二 2 、 基坑 注： 1 一基坑开挖前地下水位；2 一一开挖后地下水位 图卜l基坑开挖地下水渗流 ( 2 ) 基坑周围地面的不均匀沉降、位移和塌陷以及基坑降水带来的环境问题。 如果基坑内布置的降水井点结构不合理，当抽汲地下水时带出大量细颗粒物质， 造成基坑地面塌陷；或者因围护结构的防渗条件较差，引起坑外水土流失，造成 地层的位移和沉降。基坑降水引起地面变形的机理在于：降水引起浮力减少， 自重应力增加；降水过程中，自上而下的动水压力作用；抽水时、细粒土彼 带出，引起潜蚀：粘性土中抽出水体积与压缩量几乎相当。解决因基坑降水而 引起的地面不均匀沉降的办法之一就是设置回灌井，其中关键是确定一个地下水 水位报警值，通过观测孔的水位监测，调整回灌水压力及回灌水量，使地下水在 报警值上下浮动。 ( 3 ) 支护结构破坏及基坑塌陷。作用在围护结构上的土压力和静水压力过大 而引起土体滑动使结构变形，甚至造成结构破坏，导致基坑坍塌。 ( 4 ) 其他破坏作用。如基坑周围环境水压力的季节性改变和北方地区冬季冻 胀等原因产生的对基坑或基础的破坏。 因此，基坑工程中降水问题的研究目的主要包括三个方面：保证基坑开挖 和施工时坑内底板不积水，便于施工：保证不因渗流场和应力场的改变而产生 坑内坑外土体的渗透变形、塌陷和位移以及支护结构的变形和破坏；消除地下 水对建筑物的顶托力f 4 6 “7 i 。 1 3 2 降低基坑地下水位的方法 为了防止出现流砂、基底涌砂隆起，并且确保基坑开挖及地下结构旃工期间 的干燥作业，一般需将地下水位降至基坑底以下0 5 1 5 m p l ，而控制地下水的方 法主要有截水、降水两种形式，这两种形式既可以单独使用，也可以组合使用。 这两种方法各有其利弊，降水方法费用可能低于截水方法。降水后对边坡稳定也 有一定的好处。但降水必须持续很长时间。如果不能降水，则只能采用截水隔渗。 1 3 2 1 堵截地下水 在城市中心区建筑密集的地区开挖基坑，降水时还要考虑对周围环境的影 第一章绪论 呐。当冈降水造成的土体固结下沉，会危及地上建筑物安全与使用时，宜采用截 水的方法来控制地下水。目前，国内外对地下水进行堵截的方法主要有防渗垂直 帷幕法、防渗水平帷幕法、钢板桩、地下连续墙、稀浆槽、夹心墙及冻结法等。 ( 1 ) 垂直防渗帷幕法。防渗垂直帷幕也称“落地式”隔渗1 2 “，是在基坑四周采 用高压喷射注浆、压力注浆或渗透注浆和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，截水帷幕 的底部宜插入不透水层。此法简单，适用广泛，在国内得到了广泛的应用。 ( 2 ) 防渗水平帷幕法。防渗水平帷幕法是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帷幕，用于基坑底的防渗和抗坑底隆起、变形等。一般用 于防渗垂直帷幕不能解决问题的工程中。 ( 3 ) 钢板桩。在开挖前，将钢板桩打入地下，能有效地堵截地下水，且对边坡 起支撑护坡的作用。为能较好的阻水，需将钢板桩打入基坑下部的隔水层中，并 将其连成一体。此法适用于淤泥质砂和粘土质砂等地层。 ( 4 ) 地下连续墙。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、透水性小的土层止水效果较 好。 ( 5 ) 稀浆槽。即在基坑四周挖一槽沟，向槽中灌入膨润液，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 止水的目的。该法虽有止水作用，但不能起到支撑的作用，一般用于具有施工场 地的浅基础施工。 ( 6 ) 夹心墙。是在稀浆槽中再挖一条沟槽，在槽内灌注混凝土，形成防渗挡土 墙。该法造价较高，一般也用于具有施工场地的浅基础施工。 ( 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。可用于淤泥质砂和粘土质砂及砂卵石土，但技术和设备要求较高，使用较 少。 1 3 2 2 降低地下水位法 当地下水位高于基坑底面时，应进行基坑降水。通常采用的方法有集水明排 和井点降水两种【2 锄。 ( 1 ) 集水明排。集水明排属于重力降水，它是在基坑内( 或外) 沿基坑周围开 挖排水沟，并每隔一定距离设置集水井，使基坑内挖土时渗出的水经排水沟流向 集水井( 如图1 - 1 所示) ，然后用抽水设备将集水井中水排至坑外，保持基坑干燥。 排水沟与集水井保持一定高差，集水井比排水沟应低0 5 1 o m ，排水沟底比挖 土面应低o 3 0 5 m ，随基坑开挖逐步加深，沟底和井底均保持这一深度差。集 水并一般设置在基坑角或每3 0 4 0 m 设置一个，其半径一般为o 7 0 8 m ，深1 0 m 。 井壁可用挡土板、水泥管或砖作临时支护，井底铺o 3 m 厚的砾石，以防泥砂堵塞 河海大学硕k 学位论义 一一一 水泵。抽水设备多用潜水泵，此法设备简单、施工方便、费剧低廉，在施工现场 应用得最为普遍。但是这种方法的缺点是，地下水沿边坡面或坡脚或坑底渗出， 使坑底软化或泥泞；当坑底开挖深度较大时，如果土的颗粒较细，在地下水动水 压力的作用下，还可能引起流砂、管涌、坑底隆起和边坡失稳，因此，集水明排 在深基坑工程中单独使用有一定的条件，在高水位地区基坑边坡支护工程中，这 种方法往往作为阻挡法或其他降水方法的辅助降水措施，它主要排出潜水、施工 用水和雨水；在地下水较丰富地区，若仅单独采用这种方法降水，由于基坑边坡 面渗水较多，坡面稳定难于保证，因此，这种降水方法一般不单独应用于高水位 地区基坑边坡支护中，但当基坑不深、涌水量不大、坑壁土体比较稳定、不易产 生流砂、流土、潜蚀、管涌、掏空和坍塌等现象的粘性土、砂土、碎石二e 的地层 时，可以在低水位地区或土层渗透系数很小及允许放坡支护的工程中单独应用。 集水明排应重视环境影响，必须调查基坑周围地表水是否可能对基坑边坡产 生冲刷、潜蚀作用，必须时宜在基坑外采取截水、封堵、导流等措施 2 i 。 图1 - 2集水明排示意图 ( 2 ) 井点降水【_ “”j 。井点降水是应用最广泛的降水方法，是高地下水位地区基 坑工程施工的重要措施之一，它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，在不扰动土的结构的情况下，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，保证基坑开挖能在较干燥的施工环境中进 行。此法降水效果比较好，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，能够降低承压水位，防止坑底隆起与破坏，改善基坑的砂二e 特性， 加速土的固结的优点，是一种行之有效的现代化施工方法。 对于在地下水以下的含水量大、渗透系数也偏大的土层中开挖深基坑、深基 槽，采用般的排水沟集水井方法排水会引起一系列危害。首先是地下涌水量大， 难以排干，无法浇捣混凝土，其次是遇到粉质粘土、粉土、粉细砂时，还会出现 严重的翻浆、冒泥、流砂现象，不仅使基坑无法开挖，而且还会造成大量水土流 第章绪论 失，使维护边坡失稳，或严重渗漏，造成基坑附近地面出现塌陷，影响周围房屋 和道路管线的安全。故当可能出现这种情况时，应采用人工降低地下水位的措施 井点降水法。 水利工程基坑和建筑工程基坑不同的地方是，由于水利工程基坑一般处于远 离居民居住区，且离水源比较近，因此水利工程基坑有其特性： ( 1 ) 对周边地基的不均匀沉降要求不高，所以一般不需考虑回灌井的设计。 ( 2 ) 由于水利工程基坑一般沿原有河道或河道周边不远处建造，基坑周边 上体中地下水位较高，河流补给很丰富，加之地质参数的渗透系数较大，造成基 坑总涌水量较大，难于降低基坑地下水位和排干基坑内积水。相应带来降水井深 度加深问题，随降水井深度增加，水压力所带来的渗透坡降也随之增加，因此， 渗透破坏作用明显。 ( 3 ) 由于水利工程基坑多位于地形较复杂的地区，如河流( 如防渗墙) 及 山体，这样所建关于基坑渗流模型的边界条件就比较复杂。 ( 4 ) 水利工程基坑是一种专业较强的工程，水利工程基坑工程中不仅需要 岩工程和结构工程的知识，对水利方面的知识也需要相当了解，因此，只有具 备多方面的知识，才能设计出合理的、经济的基坑工程。 水利工程基坑不同于建筑基坑，但目前专门对水利基坑降水的研究并非很多 和专业 5 l 】。 10 4 基坑降水井群优化的研究概况 基坑排水是施工中为排除地下水干扰，保证施工安全和工程质量而广泛采用 的必要措施，常用的方法有明沟排水和井点降水两种。而关于基坑降水井群的布 置有多种方法，根据不同的地质条件，地理状况有不同的布置形式，但很显然， 基坑降水井的数量越多，井间距越密集，井底深度越大，抽水量越多，地下水位 则下降得越多，因此基坑底板也就越安全，但是与之同时增加的还有基坑降水所 需的成本，以及井深加大后，井周围渗透坡降是否还能得到保证等问题均会出现。 人们在基坑降水井的布置中总是希望在给定的条件下得到在技术经济上尽量符 合理想的设计方案，因此如何合理地布置降水井群的数目、位置、间距及合理她 确定降水井的井底深度和井半径成了降水工程设计中设计者们不得不着重考虑 的问题。 一个正确的深基坑工程降水设计，既要保证整个基坑地下水位降到要求的地 下水位，又要保证基坑的安全。在安全的前提下设计要合理，又能节约造价、方 便施工、缩短工期。因此，深基坑工程降水的优化设计主要从以下几方面进行： ( 1 ) 技术的可行性、先进性以及施工工艺的可行性： ( 2 ) 经济效益； ( 3 ) 环境影响； 河海大学硕十学位论文 一一 ( 4 ) 工期。 “优化设计是现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术，是根 据最优化原理和方法综合个方面的因素，以人机对话或“自动搜索”的方式，选 出在现有工程条件下的最佳设计方案的一种设计方法。现如今，最优化方法在结 构设计、系统工程设计、机械设计等领域得到了广泛的应用，在实践中发展成为 了一门新兴的学科。实践证明，利用优化设计方法和计算机，可使设计周期大大 缩短，设计效率大大提高。已有资料表明，优化设计方法可比传统设计方法节约 5 1 0 的资金。 优化设计是现代工程分析最佳设计的四种主要方法之一。这四种方法是有限 元分析、最优化分析、动态设计和数值仿真。最优化方法是根据目标要求和条件 限制，建立待最优化问题的数学模型，通过反复迭代数学模型中设计变量的灵敏 度来确定每个变量，然后得到结点的新位置，并在模型中自动修复，直到满足灵 敏度要求。 与最优化方法几乎同时发展形成的另一门新兴学科人工智能，是研究尽可能 地用机器体现或模拟人的智能行为的科学。人工智能的研究方向是：对各种模型 ( 包括专家系统的基于逻辑的心理模型、神经元网络模型、定性物理模型及可视 知识模型等) 的获得、表达及使用的计算方法。人工智能理论中有以下两个分支 可用于问题的优化处理：一种是人工神经网络，是一种结构化模型，它由一定数 量的神经元以一定的权值联系而成，不同的组织结构，构成不同的模型，描述不 同的对象，具有不同的性能，实现不同的目的。它可以用于联想记忆和优化计算 等。另外一种是遗传算法，是在计算机上模拟生命进化机制，它根据适者生存， 优胜劣汰等自然进化规则进行搜索计算和问题求解。对许多数学上难以求解或明 显失效的问题，特别是最优化问题，遗传算法提供了一种新途径。现今，己出现 将人工神经网络、遗传算法、模拟退火及禁忌搜索等算法规划为现代优化计算方 法之理念。 对于基坑降水来说，目前，在国内降水井群方案布置的优化设计已有多人进 行过研究，优化设计的目标函数的选择有多种，大多数是以工程造价最小为目标 函数，即以较低的造价而达到降水的目的，也有以井深、井距的合理配置达到最 佳效果为优化条件。李金轩【9 7 】以总排水量最小为目标函数，在保证基坑安全施工 的前提下，使得每口井以最佳排水量进行抽水，且满足排水井数目最少，进行井 群的优化设计，同时虎维岳【1 4 】也以总疏水量最小为目标函数，以井位和疏干水量 为决策变量，以不同点的疏干降深为控制约束条件，用修正单纯形优化计算的方 法和理论，对矿井疏干井群进行优化设计，而王彩会则以基坑降水出水量最小 作为目标函数，应用e x c e l 的线性规划方法进行井群优化设计，以尽可能小的降 水量将区域地下水降低到预定的水位；滕凯5 ”i 、柳宝田、张永亮【1 0 】以基坑井群 排水的总费用最小建立目标函数，采用非线性规划的方法，对基坑井群降水进行 第一章绪论 优化设计；郭金敏【：j 1 】采日大井法计算出基坑涌水量、单井出水量，确定出井眼数 及井间距，后采用井群豆阻公式来验证设计降深是否满足，来对基坑降水井进行 布置设计；王晓霞、温天胜、万怡、孙敏1 2 1 采用三种不同降水井布置方案进行反 复计算比较，最后得出最优化的方案；苏凤全、尤春峰、张焕智【i 叫根据实际抽水 试验数掘，建立相应的经验方程，进而进行基坑降水井群布置方案的对比分析， 从而取得较理想的效果：刘秀婷、李存法、夏传良【2 0 】把有限单元法用于基坑降水 工程，并给出数学模型、计算方法及程序运用技巧，则可以准确、快速地进行基 坑抽降水超前模拟计算，依此进行基坑降水的优化设计，结果通过工程实践检验， 此法是基坑降水工程优化设计的一种有效的数值计算方法，取得了较好的效果： 还有关锦荷等用排水沟代替排水井列的有限单元法分析渗流场肛。因此，对于基 坑井群降水来说，其方法众多。 1 5 影响基坑降水工程质量的主要因素 1 5 1 降水方案的设计是否合理是影响基坑降水工程质量的首要因素 降水方案设计应用技术可行、经济合理，这是保障降水工程质量的前提。由 于基坑降水工程水文、地质条件的复杂性和特殊性，降水场地内地下水的埋藏条 件、各含水层的水力参数等的不确定性，还有施工方案中施工说明不明确、不详 细，例如成孔方法、井管材料、滤料规格、洗井方式等要求不明确，这些都会影 响基坑降水方案的成功，对于降水方案的成功与否，除了受客观因素影响之外， 也有人为的主观因素，那就是设计人员在不深入了解、分析研究降水参数的前提 下，尽凭借经验对基坑工程进行降水方案设计，这也是导致基坑降水失败的主要 因素之一。 1 5 2 施工质量的好坏是影响基坑降水工程质量的关键因素 许多工程实践证明施工质量问题是影响设计方案实施成败的关键。设计方案 合理但旌工时不按设计要求旌工，随意改变或省去某些施工工序，势必影响基坑 降水工程质量，最终导致降水失败。 因此，希望在进行降水方案设计时，必须全面了解工程情况，包括水文地质 条件、施工条件、工期要求、经济造价等，要有两个以上方案相比较，习厶最后 得出最终的降水方案【2 4 1 。 1 6 本文研究的目的、意义及主要内容 1 6 1 本文研究的目的和意义 近1 0 年的水利工程基坑和建筑基坑工程实践表明，在基坑降水工程中既有大 量成功的经验，也有不少失败的教训，更有一系列有待进一步解决的问题。降水 工程的优劣是影响基坑支护、基础工程施工等其它后续工程能否顺利进行的关 9 河海大学顺士学位论文 一 键。因此，认真分析影响降水工程质量的原因，总结降水工程中的经验教训，探 索提高基坑降水工程质量的措施，对水利事业和城市现代化建设的发展有着重要 的现实意义。 鉴于水利工程基坑不同于建筑基坑以及自身存在的特点，且水利行业还没有 编制基坑工程方面的相关技术标准和规范，同时专门对水利建设基坑的设计和研 究并非很多和专业【5 ”，因此，对水利工程基坑降水的设计和施工做一专门研究非 常必要，也很有实际意义。目前，由于对基坑降水井群优化布置方案的常规方法 中，比较常见的是“大井”法和有限单元法，“大井”法用于降水井群的优化设 计过于简化，考虑因素太简单，且单井出水量是均等的，不符合基坑工程降水井 出水量的实际情况，而采用有限单元法则过于繁琐，而且也有其自身的缺点，采 用有限单元法对基坑降水井群进行优化布置，首先，建渗流计算模型较为复杂， 耗工耗时，再有需要调程序以及计算的前后处理程序等，而且对降水井数也是采 用试试看的态度，需要多种工况计算比较，并加之一定的设计经验，才能得到较 为满意的结果。因此找一种介于两者之间的基坑降水井群的优化方法，既能达到 基坑降水要求，还能减少部分工作量非常必要。目标函数法则可以解决这两方面 的问题，同时对于一些不太复杂的地质结构渗流场有相当好的应用价值。但前人 所采用的目标函数法建立的数学模型中，所考虑的约束条件不够完全，只考虑基 坑内控制点水位降深和降水井单井出水量大于零的条件是不够的，由于对于一定 的地质水文条件，每口降水井均会有一个最大的出水量的问题，即每口降水井的 单井出水量均有一个上限值，因此增加单井最大出水量约束条件是非常必要的； 除此之外，降水井均应存在一个最大井深的问题，尤其是针对完整井，降水井井 深要小于隔水底板高程，同时降水井井深要在水泵允许杨程之内，另外针对施工 降水实际需要和水泵大小，降水井井径不宜过小，还有一般水利工程基坑多数位 于原河道上，或离河道不远处，所以含水层中含水量较为丰富，虽然降水井均会 有过滤器设置，但过大的降水井深度，亦需要对降水井周边的渗透坡降进行有效 控制，以免会有渗透破坏发生的可能性，因此应增加这些控制条件，才能达到比 较满意的设计效果，符合工程实际需要。 1 6 2 本文拟开展的工作 基于以上总结分析可以知道基坑降水是水利工程、交通工程、矿山工程、市 政工程等基础施工中常采用的方法，因此根据基坑降水工程研究现状及存在的问 题，本文主要针对水利工程基坑工程，作了以下几个方面的工作。即本文的主要 内容有： ( 1 ) 给出基坑工程、基坑降水技术和基坑降水方法的发展概况及研究现状， 并总结水利工程基坑的特点和存在的问题。 ( 2 ) 给出基坑井点降水的基本理论以及常规基坑井点降水的设计方案，结 第一章绪论 合基坑降水系统升点布置的过程，给出计算流程图，方便计算。 ( 3 ) 给出“大井”法对基坑降水并群的优化布置原理、方法、计算步骤和 适用条件，以及对该方法的优缺点进行评价。提出三维渗流有限元方法对基坑降 水井群的优化布置原理、方法和适用条件，且对该方法的优缺点进行评价。 ( 4 ) 主要面向水利工程基坑工程，针对以往降水井群优化模型的不足之处， 以基坑总涌水量最小为目标函数，以基坑中心控制点水位降深、单个降水井的出 水量能力为约束条件，以降水井和基坑周边的渗透坡降临界值、降水并最大井深 和降水井的井半径为控制条件，建立基坑降水井优化布置模型。给出所建数学模 型的多种求解方法，采用m a t l a b 优化工具箱中f m i n c o n 优化函数，对已建水利 工程基坑降水井群优化数学模型进行求解，并通过算题和一已有工程实例进行计 算验证。 ( 5 ) 结合英布鲁水利基坑降水工程，将前面所建数学模型应用于工程实践， 并与以往的常规降水井优化方法中的“大井”法、有限元法进行计算比较，得出 所建模型应用于工程实践的优越性。 总之，本文整个研究以工程实例为背景，根据水利工程基坑的特点，系统地 分析了基坑降水的特点、降水基本理论，对以往常规的基坑降水井群的优化方法 中的“大井”法和有限元法给予了详细的分析和评价，并结合这些方法所存在的 缺点以及工程实际中所遇到的问题，建立了适用于水利工程基坑的降水井群优化 的数学模型，并运用有超强优化功能的m a t l a b 优化工具箱对已建模型进行了求 解。本文对解决当前水利工程基坑工程降水井群的优化设计有一定的应用价值。 第二章基坑降水的理论方法 第二章基坑降水的理论方法 2 1 概述 由于地下水运动问题本身的复杂性和生产力发展水平的限制，尽管人类利用 地下水已有几千年的历史，但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。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，爿甫达西 ( h e n r yd a r c y ) 于1 8 5 6 年通过长期实验得出的水在多孔介质中的渗透规律，即 著名的d a r c y 定律嗍。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 ( 1 8 6 3 年) 以d a r c y 定律为基础研究了 一维稳定流动和向水井的二维稳定运动，以后p f o r c h e i m e r 等研究了更为复杂 的渗流问题，从而奠定了地下水稳定流理论的基础。1 9 3 5 年c v t h e i s (