（水工结构工程专业论文）非稳定渗流的数值模拟在基坑降水和回灌中的研究和应用.pdf

浙江大学申 请硕士学位论文摘要 非稳定渗流的 数值模拟在基坑降水 和回灌中研究和应用 摘要 采用轻型井点降水是目 前在粉土和粉砂质土地区进行基坑施工时较为常用 的降 水方法之一， 然而井点系统在降低地下水位的同时也会引起周围地基变形等 副作用， 进而影响周围建筑物的安全与市政设施正常功能的发挥。 在众多降低由 于降水而带来不良 影响的措施中扩 回灌法具有其不可取代的优点。 但目 前对回灌 法研究较少， 且多基于稳定流理论， 未能较真实地反映地下水浸润面随时间变化 的特征， 造成设计施工均缺少足够的 理论指导， 大大限制了回灌法的推广使用。 本文针对粉土与粉砂质土地基渗透性好、 含水层厚的 特点， 从等效完整井二 维非稳定渗流理论出发， 应用里兹法 ( r i t z ) ，自 主编制了基于 f o r t r a n语言 的 有限 元计算程序一 s e e p 2 ， 对潜水降 水非稳定阶段进行数值模拟。 为使数值模 拟更 为 精 确， 本文对 影响 半径的 确定、 厚含水 层非 完整井 特性、 多 层土的 等效渗 透系数等亦进行了 较为深入的 探讨。 通过实例验证， 该有限元程序成功的实现了 对多层非均质潜水含水层的抽一注井群非稳定渗流场的模拟，精度达到实用要 求，可为基坑回灌工程的设计、施工和管理提供参考意见。 通过实例分析， 本文针对现阶段回灌法采用的抽一注井点同时启动的施工方 法， 提出了“ 先抽后灌” 的优化理念， 给出了 具体的优化设计步骤。 并通过数值 模拟， 验证了 此种优化措施的可行性与经济性， 为基坑工程中回灌法的进一步优 化提供了科学依据。 本文在基坑回灌法施工监测上进行了 深入细致的分析， 指出以往施工监侧中 对回灌井点影响程度的 认识不足， 从而导致监测井点的布置不合理， 提出监测井 点布置应遵循先模拟后选址的步骤， 具有一定的 理论意义和实用价值。 关键词: 基坑、降水、回灌、非稳定渗流、井群、浸润面、有限元、优化 浙江大学申 请硕士学位论文 摘要 a p p l i a n c e a n d me c h a n i s m o f n u m e r i c s i m u l a t i o n o f u n s t e a d y s e e p a g e i n p r e c i p i t a t i o n - r e c i r c u l a t i o n f o u n d a t i o n p i t p r o j e c t ab s t r a c t a t p r e s e n t , it i s o ft e n u s e d i n e x c a v a ti o n i n s i l t - s a n d s o i l l a y e r t h a t d r a i n i n g g r o u n d w a t e r b y l i g h t p u m p i n g w e l l . h o w e v e r , t h e s y s t e m o f l i g h t p u m p i n g w e l l s w i l l c a u s e h a r m f u l l a n d s u b s i d e n c e a n d i n fl u e n c e t h e b u i l d i n g a n d m u n ic i p a l f a c i l i t ie s a l o n g w i t h t h e g r o u n d w a t e r b e i n g l o w e r e d . a l t h o u g h , r e c i r c u l a ti o n , o n e o f t h e m e t h o d s t o re d u c e t h i s k i n d o f in fl u e n c e , h as i t s o w n a d v a n t a g e w h i c h c a n n o t b e r e p l a c e d b y o t h e r s , i t s t h e o ry d e v e l o p s v e ry s l o w s . e v e n t h o u g h , t h e r e a r e s o me a c h i e v e m e n t s a b o u t r e c i r c u l a t i o n , w h i c h a r e b a s e d o n s t e a d y s e e p a g e , n o n e o f t h e m c a n r e a l l y f in d o u t t h e t r u e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o a k a g e f a c e a n d t i m e . a s a r e s u lt , t h e p o p u l a r i z a t i o n o f r e c i r c u l a t i o n i n f o u n d a ti o n p it f a c e s e n c u m b r a n c e . i n t h i s p a p e r , a c c o r d i n g t o t h e g o o d p e r m e a b i l i ty o f t h i s s o i l l a y e r a n d t h e t h i c k n e s s o f a q u i f e r , a f in i t e e l e m e n t s o ft w a r e -s e e p 2 , b as e d o n t w o - d i m e n s i o n a l u n s t e a d y e q u i v a l e n t f u l l p e n e t r a t in g w e l l fl o w t h e o ry , i s p re s e n t e d b y a p p l y i n g r i t z m e t h o d , a n d n u m e r i c s im u l a ti o n o f d e w a t e r i n g i n u n c o n fi n e d a q u i f e r d u r i n g i t s u n s t e a d y p r o c e s s i s m a d e . v a l i d a t e d b y s o m e c e r ta i n p r o j e c t , t h i s fi n i t e e l e m e n t p r o g r a m c a n fu l l y s i m u l a t e t h e d y n a m i c p r o c e s s o f t h e c h a n g e o f s o a k a g e f a c e i n a n y ti m e o f u n s t e a d y s t a g e , a n d h as s u c h p r e c i s i o n t h a t i t c a n b e u s e d t o p r o v i d e t h e o ry e v i d e n c e t o d e s i g n , c o n s t r u c t i o n a n d m a n a g e m e n t o f p it p r o j e c t . m o r e o v e r , i n t h i s p a p e r , a c c o r d i n g t o t h e t r a d i t i o n a l c o n s t r u c t i o n m e t h o d s o f r e c ir c u l a t i o n p i t p r o j e c t , f a l l - w a t e r w e l l s a n d re c h a r g e w e l l s s t a r t i n g w o r k i n g t o g e t h e r , a n e w o p t i m i z e d m e t h o d t h a t f a l l - w a t e r w e l l s s t a rt w o r k i n g f i r s t i s p r o v i d e d . i n a d d i ti o n , t h e f e as i b i l i ty a n d b e n e f i t a r e e v a l u a t e d b y n u m e r i c s im u l a t i o n , a l l o f t h a t w o u l d b e b e n e fi t t o t h e d e v e l o p m e n t p r o j e c t s . o f o p t i m i z a ti o n o f r e c i r c u l a t i o n f o u n d a ti o n p i t f i n a l l y , b ase d o n t h e a n a ly s i s o f t h e f o u n d a t i o np i t p r o j e c t m i s l e a d i n g a b o u t t h e i n fl u e n c e o f r e c h a r g e w e ll s a n d i n s u ff i c i s u p e r v i s e d w e l l s a r e p o i n t e d o u t . i t i s r e a s o n a b l e t h a t t h e l o c a ti o n i n s h a n g h a i , s o m e e n c i e s i n l o c a t i o n o f o f s u p e r v i s e d w e l l s s h o u l d b e d e t e r mi n e d a ft e r s i mu l a ti o n . k e y w o r d s : f o u n d a t i o n p i t , p re c i p i t a ti o n , r e c ir c u l a ti o n , g r o u p , s o a k a g e f a c e , u n s t e a d y s e e p a g e , we l l s f i n i t e e l e m e n t , 吻ti m i z a ti o n 浙江大学申请硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 第一节 绪论 引言 随着国民经济的发展， 城市数量与规模的不断增长和扩大， 特别是市政工程 和高 层建筑的 大量兴 建， 高 层建筑地下室 工 程、 地下管网 工程、 污水 排 放工程 等 越 来 越 多 ， 基 坑的 面 积 和 深 度 在向 大 而 深 的 方向 发 展， 已 经 达 到3 5 m 深 度 p l ， 因 此， 遇到地下水问 题也越来越多。 如何控制好地下水是确保基坑安全施工的关键， 目 前最有效而又经济的办法是 采用井点降水方法控制地下水位。 井点降水在避免 流砂、 管涌和底鼓， 保持干燥的施工环境， 提供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措 施。 但人们对于其内在规律还缺乏深入的了 解，目 前只有少数的几种情况可以在 理论上进行求解。 由 于井点降水而导致基坑周围 地下水位下降， 从而导致地面沉降， 影响基坑 周围建筑物的安全稳定。 地面沉降计算实质上包含了两个过程: 确定含水层水位 与 抽取 ( 或回 灌) 量之间的关系， 即 所谓水流模型; 计算由 于水位变化引 起含水 层 本 身 的 变形 规 律， 即 所 谓 土 力学 模 型。 两 者 祸 合 成 为 地面 沉降 的 数 学 模型 (2 1 水流模型是土力学模型的 前提， 精确的水位变化过程描述是进行准确沉降预报的 第一步。 如果水流 模型过于简单和偏理想化， 那么后续的 土层变形即使采用考虑 相当全面、 精准的模型来计算， 也将失去意义。 地下水对建筑物的安全和正常工 作有着密切的关系， 因此在设计方案中必须慎重考虑。 正确处理地下水问 题的前 提就是要对基坑渗流场进行合理的分析，发现其中的规律，用来指导工程设计， 通过合理、 经济的降水、 注水方案的设计保证建筑物在施工及正常使用期间的安 全。 本文重点是建立降 水和回 灌技术的 水流模型， 并通过数值计算方法提供抽一 注井群共同作用下的地下水位每个时刻的水头值， 为降水回灌系统的设计提供必 要的数值模拟作为参考，必将更好地指导工程实践。 舒. 1 . 1基坑工程中降水的必要性 在工程施工中， 尤其是深基坑工程中地下水的危害， 主要表现为流砂、 管涌 和基坑的 底鼓，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 (3 ,4 1 。 如上 海地区的某 些 地方， 粉质粘土 和薄 层粉砂 夹层或 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 工程危害已 引起普遍重视。 此外， 地下水对坑壁和坑底土的潜 浙江大学申请硕士学位论文 第一童 绪论 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。 一、流砂 流砂是指土的 松散颗粒被地下水饱和后， 由 于水头差的 存在， 动水压力即会 使这些松散颗粒产生悬浮流动。 它主要发生在颗粒级配均匀而细的粉、 细砂等砂 性土中， 有时 在粉土中 亦会发生。 其表现形式是所有的 颗粒同时从一近似管状通 道中 被动水流冲走， 发展的结果是使基础发生 滑移、 不均匀下沉， 基坑坍塌， 基 础悬浮等。 流砂的发生一般是突发性的， 对工程的 危害极大。 二、管涌 地基土在具有一定渗流速度 ( 或梯度)的 水流作用下， 其细小颗粒被冲走， 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， 从而掏空地 基或坝体，使之变形、失稳， 此现象即为管涌。 管涌多发生在非粘性土中， 其特征是: 颗粒大小差别较大， 往往缺少某种粒 径， 孔隙直径大而且相互连通。 颗粒多由比 重较小的矿物组成， 易随水流动， 有 较大和良 好的渗流出路。 三、基坑底的突涌 当 基坑下有承压水存在， 开挖基坑减小了 含水层上覆不透水层的厚度， 当它 减 少 到 一 定 程 度 时 ， 承 压 水 的 水 头 压 力 能 顶 裂 或 冲 毁 基 坑 底 板 ， 造 成 突 涌 。 突涌的表现形式为: ( 1 ) 基底顶裂，出 现网 状或树状裂缝， 地下水从裂缝中 涌出，并带出下部的 土颗粒。 ( z ) 基坑底发生流砂现象，从而造成边坡失 稳和整个地基悬浮流动。 (3 ) 基 地 发 生 类 似 于“ 沸 腾 ” 的 喷 水 现 象 ， 使 基 坑 积 水 ， 地 基 土 扰 动 。 所以 在基坑工程施工过程中， 为防止基坑渗透破坏， 降 低地下水位减少坑内 外水头差是有效的措施之一， 可以达到提高土体强度、 减小坑底水压力、 防止流 砂涌砂、 稳定边坡等目 的。 尤其是在河网 发育或沿海地区的浅土层中， 由于富藏 地下水， 地下水位高 ( 如杭州、 上海等地地下水位通常都在地面下不足2 米处) ， 在这些地区进行基坑开挖时若不采取有效的地下降水措施， 容易导致因坑底水压 力过高而使得地下水涌入基坑或地下水通过基坑边壁大量渗入坑内的现象， 当渗 透力大到足以 破坏土构架并引 起土颗粒涌动时 就会发生诸如管涌、 流砂等， 严重 时 会导致基坑塌方、 邻近地层掏空下陷 等事故。 根据近年来对杭州地区基坑工程 事故的调查可以 发现， 真正由 于基坑维护结构破坏引 发的工程事故比 例甚小， 而 由 于未 处 理 好 地下 降 水 措 施导 致的 工 程事 故 却 是 屡 见不 鲜15 ,6 1 。 此外， 坑外 地下 水位降 低后可 减轻作用在围 护结构上的压力， 使基坑开挖后坑底保持一个干燥的 施工作业面。 可以 说基坑工程能否成功， 降水设计非常关键。 因此目 前在开挖基 浙江大学申请硕士学位论文 第一章 绪论 坑，尤其是深基坑时通常都要预降地下水，以确保后期基础工程的顺利进行。 肚. 1 .2基坑工程降水措施 在基坑开挖施工中，为了避免产生流砂、管涌， 防止坑壁土体的坍塌， 保证 施工安全和工程质量， 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， 。 一、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、防渗垂直韩幕、 防渗水平炜幕及冻结法等。 ( 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。 c a ) 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 ) 防渗垂直韩幕。 于基坑四 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。 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 允许降水和防渗垂直炜幕也不能解决问 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。 浙江大学申 请硕士学位论文第一童 绪论 二、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 s 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 土方千燥， 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。 降水是通过对地下水施加作用力来促使地下水的排出， 从而达到降 低地下水 位的目 的。 根据施加作用力的 方式以 及抽水设备的不同， 井点降水有轻型井点、 喷射井点、 电渗井点和管井( 深井) 井点等。 各种井点的适用范围可参见表1 - 1 - 1 . 表1 - 1 - 1降 水方法及适用范围 汽 适用地层渗透系数 c m / s ) 降水深度 ( m) 集水明排 含薄层粉砂的粉质粘土， 粘质粉土， 砂质粉土，粉细砂 1 x 1 0 - 2 x 1 0 - 5 轻型井点及多级 轻型井点 同上 1 x 1 0 - 2 x 1 0 - 1 0 砂 ( 砾) 渗井 含薄层粉砂的 粉质粘土， 粉质粉土， 砂质粉土，粉土，粉细砂 5 x 1 0 - 根据下伏导 水层的性质 及埋深确定 浙江大学申请硕士学位论文第一章 绪论 粼. 1 .3基坑工 程降 水的 负 面 效 应 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 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6 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8 l 。 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粘粒， 致使影院发生 严 重 沉降， 累 计 沉降 量达“ 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，损失巨大。 肛. 1 . 4防范降 水不良 影响的 措施 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。 井点排水管置 浙江大学申请硕士学位论文第一章 绪论 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。 ( z ) 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。 . 5 - 1 . 0 m ， 但在没有密封挡土墙的 情况下， 井点降水不仅使坑内 水位下降， 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。 这需要通过设置水位观测井来观察水位变化情况， 控制流量和真空 度。 ( 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间， 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。 其中，措施1 -3 采用的方法费时耗资且效果未必显著。措施4 经济实用， 但是技术不成熟， 并且缺乏理论指导， 实施起来遇到许多困 难。 因而从理论上完 善基坑降水无疑对今后基坑设计、施工和管理将具有较好的实际意义。 选用降水技术方案前能否合理地对降水可能造成周围环境的不良 影响进行 预测分析9 , 1 0 ， 并采取有效措施加以 防范是减少基坑降水工程危害的前提。 因 此， 探讨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。 第二节 回灌技术 肚. 2 . 1 回灌技术原理 回灌技术的工作原理是这样的:在抽水井和被保护建筑物之间设一排注水 浙江大学申请硕士学位论文第一章 绪论 井，并在抽水的同时通过注水井 向地下注水， 这样在原有建筑物 附近，一方面由于抽取地下水会 使其水位下降:另一方面，通过 回灌技术又会使其地下水位上 升，二者共同作用的效果，使基 坑周围被保护地域保持实际地下 水位不变或变化在允许范围内 ( 如图1 -2 -1 ) 。这种方法可使 / 冷 肠 夕 今 忆 行 开挖土体始终保持干燥，防止流砂的发生， 加强重力，增加了土体颗粒间的压力， 同时由于地下水向 下渗流， 动水压力 图 1 - 2 - 1 使基坑底部更加密实。 该方法在沿海地区填海区深基坑降水工程中， 应用前景。 回灌法示意图 具有广阔的 1 .2 .2 回 灌形式 一般采用的回灌形式有砂沟回灌和并点回灌 ( 如图 1 - 2 - 2 ) ， 在施工中采 用较多的是井点回灌，回灌技术原理决定了该方法只能用于渗透性较好的土层 中。 回灌系统的设计内 容主要包括: 回灌井点的深度布置、 平面布置、 回灌水量 以及回灌水箱水位设计等。 本文着重讨论回灌水量及采用回灌系统的情况下抽水 量的变化及确定。 沟一一 砂曰一 艘份护 .月栩 抽水井回浦井 抽水井 塞坑底 二 、 了 -. . 墓坑底 i l * m 班 - - -xptg 一 _一认产 / 下 今 )丁 万 不 不 叹 生 罗 州夕/ 心/ / 了 厂 丫 刃万万 了 一 图 1 - 2 - 2 ( a ) 图1 - 2 - 2 ( h ) 1 .2 .3 回灌技术优点 回灌技术有如下优点: ( 1 ) 造价 低， 止水帷幕不设或设 置 较短， 一 般可节约 采用普通方法 造价的6 0 浙江大学申 请硕士学位论文 第一章 绪论 %- v9 0 %; ( 2 ) 工期短，止水帷幕的不设或设置较短， 可大大缩短工期: ( 3 ) 设备简单，不需要新的 设备， 只需要普通的 井点设备即可; ( 4 ) 环境污染轻， 采用清水回灌， 保护环境且噪声 低等; ( 5 ) 符合可持续发展策略。 第三节回灌技术存在的问题 目 前 建筑基坑支 护技术 规程 ill j g j 1 2 0 - 9 9 对此只 给出了 定性说明， 现 将 条文列下: ( 1 )回溜可采用井点、砂井、砂沟等。 ( 2 )回灌井与降水井的距离不宜小于6 m . ( 3 )回灌井的间距应根据降水井的间距和被保护物的平面位置确定。 ( 4 )回灌井宜进入稳定水面下 l m ，且位于渗透性较好的土层中， 过滤器的 长度应大于降水井过滤器的长度。 ( 5 )回灌水量可通过水位观测孔中水位变化进行控制和调节， 不宜超过原水 位标高。回灌水箱高度可根据灌入水量配置。 ( 6 )回灌砂井的灌砂量应取井孔体积的9 5 % ,填料宜采用含泥量不大于3 % , 不均匀系数在3 -5 之间的纯净中粗砂。 ( 7 )回灌井与降水井应协调控制， 一般要求回灌与降水在正常施工中， 必须 同时启动，同时停止。回灌水宜采用清水。 从上面可以 看出回灌技术符合时代发展的需要， 符合可持续发展策略， 但规 范对此只给出了定性的分析并未给出包括回灌井点位置、 回灌量大小、 回灌时间 等一系列具体的设计、 施工方法， 缺少可操作性。 尽管一些工程应用回灌技术取 得显著效果14 1 ， 但都建立在以 往工程经验上， 由 于没有理论指导， 设计偏于保守， 施工中 监测量大大加大， 增加了 一定 施工量。 很多生产单位对回灌技术尚 难以 掌 握而不敢使用， 有些单位使用回灌技术后效果并不理想。 同时也发现有些工程中 使用回灌技术后，地面仍有沉降。 这些问题都非常值得进一步的深入的 研究。 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13 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 14 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 注水井群祸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 进一步的 理论依据。 这些理论的 提出为回灌 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 浙江大学申 请硕士学位论文第一章 绪论 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间， 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间的实时控制，使降 水工程安全可靠、 经济合理。 第四节本文主要研究工作 从以 上内 容可以 看到， 随着工程规模的逐渐增大， 对地下水的实时控制， 以 及对基坑工程施工的优化愈来愈成为工程设计、 施工中重要的角色。 由于目 前一 些降 水与回灌的理论公式本身仍存在很大的局限性， 非稳定渗流在基坑降水与回 灌中的研究是必要的。 本文的研究工作主要针对在长江三角洲地区具有代表性的粉土和粉砂土地 层中， 降水和回灌共同 作用下， 从降水起始时刻起至水位稳定时刻的非稳定渗流 过程中， 地下水位面 ( 即 浸润面) 随 着抽降 过程不断变化， 平面上各点的 水头值 随时间不断改变的过程。 研究工作分为以下四个阶段: ( i ) 地下 水位的非 稳定 变化计 算理 论研究 及 其数 值模 拟方 法的 确定， 对 几 种 目 前常用的渗流计算方法进行比 较， 选择其中较为优异实用的方法作为本文实例 计算的工具: ( 2 ) 从非稳定 流微分方程出 发， 根据选定的 数值方法， 应用 f o rt r a n语言 编 制反映非稳定降 水与回 灌过程的有限 元计算程序， 模拟在降水与回灌过程中 任意 时刻地下水浸润面的空间位置; ( 3 ) 模型计算结果与实际工程中实际测得的 数据进行比 较， 验证数值模型和 程序的正确性和有效性; ( 4 ) 应用上面验证准确的 数值模型对抽一 注水系统的非稳态作计算模拟预 测， 从而进一步揭示非稳态抽一 注水系统浸润面变化规律， 为实际工程的 设计施 工提供理论依据与指导. 浙江大学申请硕士学位论文第二章 地下水渗流理论 第二章地下水渗流理论 第一节 地下水运动理论的发展 人们对地下水在土层中的运动特征及其规律的研究起始时间较早， 至今已有 了比 较成熟的设 计计算 理论。1 8 5 7年， 法国 水力学者裘 布依 ( j .d u p i t ) 把 渗流 定律应用到天然含水层中，得出了著名的裘布依微分方程。1 9 0 4年布西涅斯克 又提出了 潜水的非稳定流微分方程。 在这些基础上， 十九世纪末和二十世纪初各 国 学者相继发展了 地下水水流运动理论， 提出了 许多具体的计算公式1 5 , 1 6 1 。 例如， 德国福尔海默提出了 地下水向 干扰完整井运动的理论及计算非完整井的经验公 式; 苏联卡明 斯基提出了 非均质含水层中 地下水的稳定运动理论， 建立了 潜水稳 定运动的有限差分方程;1 9 3 5年美国学者泰斯 ( c .v t h e i s ) 利用热传导方程第 一次 提出了 实 用的 非 稳 定 井 流 理论， 即 著 名的 泰斯 公 式 1 7 ,18 1 。 这些 理 论的 相 继 提 出 ， 使得 地下水运动理 论逐 渐发展 成熟。 7 0年 代后期， 针对于潜水含水层非 稳 定流的 研究 有了进一步的 进展， 如博尔顿法1 9 1 ( s .n .b o u lt o n ) 及纽曼法2 0 1 ( n e u m a n ) ， 相对于情况较为简单的承压含水层渗流， 有了长足的进步。 基坑工程的降水过程， 是地下水运动由 非稳定状态发展到稳定状态的过程。 其引起的降落曲线方程， 可通过解析法或数值解法加以分析。 解析法主要根据降 水要求、 场地水文地质条件、 井类型等来选择适当的渗流解析公式， 并据此进行 降 水工 程的 设计计 算。 解析解2 1 1 可以 将描述地下 水运动的 各种物理量， 例如水 头 ( 或降深) 、水量及各种参数反映在一 个表达式中， 这样就可以 利用数学分析 的 方法来研究各个量相互联系与相互制约的内 在规律。因 此， 在可能的 情况下， 应尽量去求模型的 解析解。 显然， 对于简单情况才有可能得到解析解。 当 基坑所 处 渗 流区 边 界为 不 规则、 含 水 层复 杂 或 存 在 垂向 补 给、 排泄 时， 基 坑 渗 流 场 变 成 复 杂 的 三维 渗 流 场。 因 此， 只能 采 用数 值 方 法 2 2 ,2 3 ,2 4 1 ， 对 深 基坑 进行 地 下水 流 数 值模 拟 2 5 ,2 6 ,2 9 ,3 0 1 ， 可以 正 确地反映 基 坑范围内 的 非均匀体、 隔渗 体、外 界补给等 的 作 用， 逼真 地刻画实际 渗流场， 为降 水 水位 预测 提供可 靠的 依据。 所以 ， 具 体 的降水计算方法应视工程的实际条件而加以 选择。 浙江大学申请硕士学位论文 第二章 地下水渗流理论 第二节 渗流的理论基础 朴. 2 . 1渗流的连续性方程 、渗流连续性方程 渗流的连续性方程， 是从质量守恒原理出发来建立方程的。 在渗流场中取出 -月.卜 x 一单元体， 见图2 - 2 - 1 . 设各 边边长为a x , a y , a z ， 并与坐标轴平行; 设沿坐标轴方向 的 分 速度 分别为v x , v y , v z , 液体 密度为p ， 则单位时间内通过垂直 与坐标轴方向的单位面积的水流 质 量 分 别 为 p v x ， p v y p v 。 则 单 位时间内由a b e d面流出单元体的 质量为:p v , 勿a z a t ，通过 甲 图2 - 2 - 1 渗流区中的单元 体 a l p v x 十= p v , ax ) ay az at 心 丈( ，因此沿 x a b c d 面流出单元体的质量为: 轴方向流入和流出单元体的质量差为: a p v x c .i yl 3l z t - r 一k p v 十弋一 a工 p v , d x ) 勿a 7 a t = dx 勿 a z a t 。 同 理， 可以 写出 沿y 轴方向 和: 轴 方向 流出 和 流入单 元体的 液体质量差 分别 二a* * 二， _ a 刀 一 可” 帐 以 钾 山 。 和 一 丽 p v a, x a y o z a ta y p v , x l xy l i z a t fi u - 09 z 单元体总的质量差为: 因此，在 r 时间内，流入与流出 ， aa a - l - p v x 十- p v v +- p v , j ax a y az at ( l x c y口 z 根据质量守恒原理， 它应该等于单元体内 液体质量随时间的变化量。 单元体 内 液体所占 的体积为n a x 勿a z ，其中 n为孔隙度。相应单元内 液体质量为 所以在 r 时间内，单元体内液体质量变化量为 a， 二 ， _ _ 二 l p n a x a y a z j at or 浙江大学申请硕士学位论文第二章 地下水渗流理论 在连续条件下，上述两式相等， 所以 ， a a a， “a, - l - p v r +- p v ， 十- p v , j l x x t x y l % z =- l p n l % x c x y c x z 1 a x a ya z a ( 2 - 2 - 1 ) ( 2 - 2 - 1 ) 称为 渗流的 连续性方程， 也 称为 可 压密介质中 的 质量守 恒方 程。 ( 2 - 2 - 1 ) 式中的 右端项计算比 较困 难， 具体应用时为了简化计算往往做了一些 假设， 如: 压缩过程中 只有垂直可压缩的 情形; 在多孔介质的压缩过程中， 认为 固 体 颗 粒体 积的 压 缩可以 忽略 不 计 等。 ( 2 - 2 - 1 ) 转 变为 2 7 ,2 8 ( j . b e a r , 1 9 5 0 ) : a v - 一+ 汰 式中: a v v . l9 v ,._ 、 a 刀 一 万 -十下资 =p g ( n 十。 p ) - a y口艺of ( 2 - 2 - 2 ) 。 多孔介质压缩系数 q 水的压缩系数 h 一 一 水头值( m ) 那. 2 .2渗流的 基本方程 据达西定律在各向同 性的 介质中由 。a x， a x， a x v ,= -a -; v . . = -a -: v - = 一人 o xa ya z 代入( 2 - 2 - 2 ) 式， 得: 影 k x 器 ， + 影 、 誓 )十 影 二 肇一 p g (n + a /3)譬 ( 2 - 2 - 3 ) 设a , =p g ( n + c a /3 ) ，则上式有: a ， _ ， ( 人_ d x a x, .a， 。a x, . a ， ， a x, a x a x l 十 a y y a y ， 十 (!i i - ka , o z ) 一 w, at ( 2 - 2 - 4 ) ， 9 s 为 贮 水 率 虑 或 称 单 位 贮 存 量 ， 其 量 纲 为 【 l -i 。 其 值 表 示 单 位体 积 多 孔 介 当水头降低一个单位时，由多孔介质压缩及水的膨胀所释放出来的水量。 对于各向 异性介质来说， 如果把坐标轴的 方向 取与各向 异性介质的主方向 一 则有: a， ， a x .a， 。 a 厅、 a ， ，a 万、a x a x (k _ - ) +) + 言 (k n ,常+ 盒 (k .+ - (k . 韧一 a s 箭(2 -2 -5 ) 中， 其质致 在二维 情况下， 含 水层具 有一定 厚 度m , 此时 渗 流基本方程( 2 - 2 - 4 ) 又可改 写 浙江大学申请硕士学位论文第二章 地下水渗流理论 成下面形式 非 均 质 o x (t oh )+ 影 t 誓 )_ a ( 2 - 2 - 6 ) 均质 a 2 h a 2 h - 兮 . 节 -十 一 ，号 尸 a x a y 二a 了 o h at ( 2 - 2 - 7 ) 式中 :k - 贮水 系数， 且i t = f t, x m， 其 物 理 意 义 是