深基坑降水優(yōu)化方法及應用研究

1、碩士研究生學位論文摘 要i摘要隨著經(jīng)濟的發(fā)展，深基坑工程越來越多，作為深基坑工程的一個重要組成部分，深基坑降水正受到越來越多的重視。深基坑降水能保證基坑開挖的順利進行及整個基坑的安全，而且，科學合理的降水方案能夠節(jié)約工程投資。然而，關于優(yōu)化深基坑工程降水設計計算方面的研究還很不成熟，而且不便于工程應用。因此，需要在這個方面進行更多的探索和研究。首先，本文綜述了深基坑工程的發(fā)展概況，闡述了降水的重要性、各種降水方法及其適用條件，介紹了滲流理論及涌水量的計算方法，指出了目前深基坑降水方面存在的問題。針對深基坑降水問題，利用實測數(shù)據(jù)，在經(jīng)典滲流理論假設的前提下，分析了均質(zhì)含水層穩(wěn)定流潛水非完整井基坑

2、涌水量隨地下水位的變化趨勢及降水形成的無水區(qū)體積隨地下水位的變化趨勢，引入涌水量比例系數(shù)和體積比例系數(shù)的概念，利用回歸分析的方法對試驗結果進行擬合，在保證滿足工程要求精度的基礎上給出了涌水量及降水形成的無水區(qū)體積與地下水位之間關系的較為科學合理的表示方法。然后，根據(jù)基坑進出水量差與無水區(qū)孔隙體積變化相等，給出了控制基坑地下水水位的公式，在公式中充分體現(xiàn)了涌水量、地下水水位、井群排水量與時間的動態(tài)可調(diào)關系?？梢愿鶕?jù)工程實際情況，采取適當措施，科學降水。最后，結合工程實例，根據(jù)降水過程的觀測結果，合理選擇計算參數(shù)對水位上升速度進行預測和控制，節(jié)約了工程投資，驗證了本文中分析方法和計算方法的正確性。

3、通過本課題的研究，得出了強滲透性深基坑涌水量與水位變化規(guī)律，提出了控制地下水位的分析方法和計算方法，對深基坑工程實踐具有參考價值和實用價值。關鍵詞：深基坑，回歸分析，降水，水位控制，優(yōu)化設計iiabstract碩士研究生學位論文abstractalong with the development of economy, more and more deep foundation pit projectsappear. as an important constituent of the deep foundation pit projects, drainage deserves morere

4、searches. the foundation pit drainage can guarantee the excavation of foundation be carried onsmoothly and the security of whole foundation pit. moreover, a scientific and reasonabledrainage plan can save the investment. however, the researches on optimization design andcalculation of the deep found

5、ation pit are not mature and not easy for application. therefore,more explorations and the research in this aspect need to be carried on.firstly, this article summarized the deep foundation pit development survey, elaborated theimportance of foundation pit drainage, dewatering methods and their suit

6、able condition, andpointed out the question of deep foundation pit drainage.secondly, in view of the questions of deep foundation pit drainage, under the classicaltransfusion theory supposition premise, the changing tendency of water inflow and the volume ofcone of depression along with the groundwa

7、ter table of the deep foundation pit with non-complete steady flow well in isotropic water-bearing stratum is analyzed. in order to simply theanalysis, the concepts of water inflow ratio and volume ratio is introduced. and the regressionanalysis method is used in fitting test results. a scientific a

8、nd reasonable expression method ofwater inflow and the volume of cone of depression along with the groundwater table of the deepfoundation pit is given while required accuracy is satisfied.then, according to that the difference of groundwater recharge and discharge is equal to thehole difference of

9、cone of depression, water table control formula is given. finally, afteranalyzing the observation results of foundation pit drainage carefully, the computation parameterwas cho sen reasonably and was used to forecast and the control to the ascending velocity ofwater table, and much investment was sa

10、ved. it has proved the accuracy the analysis method andthe computational method.through this research, the rule of water inflow along with the ground water level changingof strong permeable deep foundation pit is obtained, the analysis and the computational methodof controlling subsoil water table i

11、s given., the analysis and the computational method is usefuland worth referring to in practice。keywords: deep foundation pit, regression analysis, drainage, control of groundwater table,optimized design聲明本人聲明所呈交的學位論文是在導師的指導下完成的。論文中取得的研究成果除加以標注和致謝的地方外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包括本人為獲得其它學位而使用過的材料。與我一同工作過

12、的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學位論文作者簽名：日期：學位論文版權使用授權書本學位論文作者和指導教師完全了解沈陽建筑大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定：即學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權沈陽建筑大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索、交流。學位論文作者簽名：導師簽名：日期：日期：碩士研究生學位論文第一章 緒論1第一章 緒論1.1 基坑工程概述基坑工程是一個古老而又具有時代特點的巖土工程課題，可以追溯到遠古時代的放坡開挖和簡易的木樁圍護。直到本世紀，隨著大量高層、超高層建筑以及地下工程的不

13、斷增多，對基坑工程的要求越來越高，出現(xiàn)的各種問題也越來越多，促使相關的工程技術人員不斷地去探索和研究這一古老的課題，使得許多新的經(jīng)驗和理論研究方法不斷出現(xiàn)和成熟。1.1.1 基坑工程發(fā)展背景本世紀 30 年代，太沙基(terzaghi,1943)等人就已經(jīng)開始研究基坑工程中的巖土工程問題。40 年代，提出了沿用至今的預估挖方穩(wěn)定和支撐荷載大小的總應力法。50 年代，bjerrum和 eide 提出了分析基坑底板隆起的方法。60 年代，在奧斯陸等地的基坑開挖中開始進行施工監(jiān)測。從 70 年代起世界上許多國家先后出臺了相關的法規(guī)12。而在我國，有關于深基坑工程方面的廣泛而深入的研究是從 80 年代

14、開始的。隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，我國各地高層建筑、超高層建筑大量出現(xiàn)總數(shù)已超過 6000 棟，基礎埋深也在不斷增加；北京、上海等地基坑開挖深度達到了 8m3。90 年代，我國的高層、超高層建筑如雨后春筍般拔地而起，其建造數(shù)量由 80 年代的 1000 多棟猛增到 9000 多棟4。另外，由于城市地上空間日益擁擠，許多城市興建了許多大型地下市政設施、地下商場地鐵等?；娱_挖深度也更深，很多都超過了 10m，甚至更深,如上海經(jīng)貿(mào)大廈主樓基坑深達 32m5，基坑的開挖面積也越來越大，許多基坑的開挖面積超過了 10000 ，而上海的港匯廣場大廈基坑開挖面積達到了 50000 6；隨著城市的發(fā)展城市人口

15、越來越密集，可用場地狹小，地價上漲，地上可用面積越來越小導致人們不斷開發(fā)地下空間。為提高地下空間的利用率，地下停車場、地下商城及機房、倉庫等服務設施不斷增多，人防設施的要求，城市地鐵，尤其是多層地鐵站的興建、地下豎井或工作井的興建、地下儲槽及污水處理廠的興建都要涉及到基坑開挖。1.1.2 深基坑的破壞形式在深基坑工程中，事故較多，其中包括設計的原因和由施工方面的原因?；悠茐臅砗車乐氐暮蠊?，如影響附近道路交通，地下管線的斷裂或正常使用，周圍建筑物的傾2第一章 緒論碩士研究生學位論文斜或出現(xiàn)裂縫等。整體失穩(wěn)會導致結構地下部分不能正常施工。所以，無論施工和設計都必須充分注意可能出現(xiàn)的隱患，特別

16、是施工時一定要加強監(jiān)測，實施信息化施工，加強監(jiān)測和動態(tài)管理，以確保施工的順利進行3。支護結構破壞形式可分為：（1）穩(wěn)定性破壞a. 失穩(wěn)包括由于圍護結構入土深度太小或撐錨系統(tǒng)失效造成基坑邊坡整體滑動以及由于墻體截面太小引起的整體移動。對內(nèi)撐式和拉錨式支護結構插入深度小或坑底土質(zhì)差，被動土壓力小造成支護結構踢腳失穩(wěn)破壞。b. 坑內(nèi)隆起在軟土地基中，開挖后應力釋放會引起坑底隆起，可通過加深墻體入土深度和加固基坑土來防止。c. 管涌和流土當基坑滲流引起流土，是被動土壓力減小或喪失，造成支護體系破壞，稱為流土破壞。地基中存在承壓水，當基坑底土層不能承受承壓水的頂托力時基坑底產(chǎn)生突涌導致破壞?？赏ㄟ^降低地

17、下水位、加深墻體深度以增加滲徑或改善墻體及地基土的抗?jié)B性能來避免。（1）強度破壞a. 支撐系統(tǒng)破壞包括圍護樁墻和支撐桿件的破壞。破壞原因有：圍護樁墻縱向尺寸太小或跨度太大，支撐桿件截面不夠或計算長度太大。b. 圍護墻體破壞包括圍護墻體強度不夠、截面太小或配筋不當?shù)?。?）變形破壞支護結構變形較大，引起周圍地面沉降和水平位移較大。這種變形對支護本身除變形太大外沒有帶來更大的危害，但對臨近構筑物或地下管線造成不良影響。例如：引起臨近建筑物開裂或傾斜，路面開裂或下陷，管道裂縫漏水等。1.2 基坑工程中的降水隨著近年來水利建設工程的地質(zhì)、水文條件越來越復雜，大型水利基坑工程的設計和施工是一個不容忽視的

18、話題。同時由于高層建筑、地鐵、隧道、地下工事等工程的深開挖，碩士研究生學位論文第一章 緒論3深基礎工程和地下空間的開發(fā)和利用已日益成為建筑工程中一個引人注目的技術難點和熱點問題。無論是水利基坑，還是建筑基坑，深基礎工程的設計和施工是一個涉及工程、水文、地質(zhì)、工程結構、工程施工、工程管理的系統(tǒng)工程，是融巖土工程、結構工程、工程施工、工程管理的系統(tǒng)工程，是建筑、水利行業(yè)科技步和發(fā)展的標志之一。尤其是近十年來我國基坑工程得到迅猛發(fā)展6，大量的工程實踐大大豐富和提高了我國在基坑工程領域內(nèi)的技術水平。但是，基坑工程是實用性、經(jīng)驗性極強的學科，是隨著工程實踐不斷提高的學科，近 10 余年的工程實踐既有大量

19、成功的經(jīng)驗，也有失敗的教訓，更有一系列有待進一步解決的問題7、8，如基坑開挖過程中，由于土的含水層被切斷，地下水不可避免地會不斷滲入到基坑內(nèi)，由此引來了基坑降水方面的問題，如何控制好地下水，減小其對基坑開挖和周圍環(huán)境的負面影響己成為深基坑開挖與支護工程中一個十分重要的方面，成為現(xiàn)代城市高層建筑和水利樞紐建設的重要巖土工程問題之一，而且基坑降水的成功與否，將關系到整個工程的進展，同時也關系到施工人員的性命與安危，對地下水處理的好壞，是決定基坑工程成敗的重要因素，是深基礎地下建筑物施工中一個重要而又較難妥善解決的施工環(huán)節(jié)，如果基坑降水失敗，輕則可能造成施工進度緩慢、影響工程工期、增加工程投資，重則

20、造成基坑報廢，甚至人員傷亡，因此基坑降水應引起高度重視。1.2.1 降水的重要性基坑開挖施工時，無論是采用支護體系的垂直施工還是放坡開挖，如果施工地區(qū)的地下水位較高，為了保證土方開挖和地下室施工處于“干”狀態(tài)，常需要通過降低地下水位或配以設置止水帷幕使地下水位在基坑底面 0.5m1.0m 以下，降低地下水位不僅有利于施工，而且有利于基坑圍護結構的穩(wěn)定性，防止流土、管涌、坑底隆起引起破壞。當開挖面低于地下水位時，土體的含水層被切斷，地下水便會從坑外或坑底滲入基坑內(nèi)，另外在基坑開挖期間由于下雨或其他原因，可能會在基坑內(nèi)積水，這樣會使坑底地基土強度降低，壓縮性增大。這樣，從基坑開挖安全的角度出發(fā)，對

21、于采用支護體系的垂直開挖坑內(nèi)被動區(qū)土體由于含水量增加導致強度、剛度降低，對控制支護體系的穩(wěn)定性、強度都是很不利的；對于放坡開挖來講，也增加了產(chǎn)生流砂和邊坡失穩(wěn)的可能性3?？觾?nèi)的大量積水還會嚴重影響施工的順利進行，因此必須進行降水。如果對地下水治理不當，將會造成工程事故。這類工程事故往往具有如下特征：（1）具有突發(fā)性；（2）多數(shù)事故會造成支護結構及地基的變形，危害性很大。與地下水治理不當相關的工程事故多發(fā)生在以下三個部位：擋土結構、基坑底面和基坑周邊。4第一章 緒論碩士研究生學位論文對于發(fā)生在擋土結構上的事故，可能是擋土結構未做止水帷幕或雖設置止水帷幕，但擋土結構或止水帷幕存在缺損，在地下水作用

22、下，水攜帶土顆粒從擋土結構的背部流入基坑，如果情況嚴重將會造成坑壁坍塌。另外，在擋土結構設計時，期望通過基坑底部的排水工法來降低擋土結構背部的側向水壓力，而實際施工中，由于不透水夾層或豎向透水性小的土層的存在，如果不能很好地降水，使得實際水位比設計水位高很多，就會造成擋土結構產(chǎn)生較大變形。在軟土地區(qū)，當坑內(nèi)工程樁或擋土樁均采用打入式或壓入式樁時，如果基坑降水措施不力，形成的超靜水壓力短期內(nèi)不會消散，基坑開挖時將改變坑內(nèi)土體應力平衡，將促使淤泥質(zhì)土流動并引起樁產(chǎn)生水平位移。在無粘性土中開挖基坑后，當?shù)叵滤南蛏蠞B流力（動水壓力）大于土的浮重力密度時，在擋土墻結構近端的基坑底面處就會出現(xiàn)“管涌”，

23、而其結果將會使坑的出現(xiàn)“流砂”狀態(tài)。造成此類事故的原因可能是由于擋土結構插入深度不夠造成地下水流路長不足或是降水時水位降低不夠。深基坑降水時常會帶出很多土顆粒，同時使軟弱土層產(chǎn)生固結沉降，加之基坑挖土將引起基坑周圍一定范圍和不同程度的工程環(huán)境變化。若處理不當，嚴重者將使基坑附近的建筑產(chǎn)生位移、沉降甚至破壞，其中最普遍的是地面建筑和地下建筑（地下室、地下儲水池和地下停車場等）的沉降變形、水平位移和傾斜，道路及各種地下管溝開裂或錯位，以及邊坡失穩(wěn)等。1.2.2 降水方案的適用條件及降水的作用由于降水使地下水位降低，在水位下降的范圍內(nèi)土體的重度會從浮重度增加到接近于飽和重度，土體內(nèi)部應力增大，這樣將

24、導致水位影響范圍內(nèi)地面及周邊一定范圍內(nèi)建(構)物產(chǎn)生附加沉降。鑒于降水帶來的不利影響，在采取降水方案之前，必須認真分析，慎重考慮。降水方案一般適用于以下情況和條件：（1）（2）（3）（4）（5）地下水位較淺的砂石類土和粉土類土層。對于透水性差的粘性土層一般施工時無需降水；周圍地面允許一定沉降；止水帷幕密閉，坑內(nèi)降水時坑外水位下降不大；基坑開挖深度與抽水時間均不大，或施工期較短；可以采取有效措施保證鄰近地面沉降控制在容許值內(nèi)；碩士研究生學位論文第一章 緒論5（6）具有地區(qū)性的成熟經(jīng)驗，可以保證對周圍環(huán)境不產(chǎn)生大的不良影響。在基坑開挖過程中采取降低地下水位措施的作用是：1基坑坡面和坑底滲水，保持坑

25、底“干燥”，確保施工順利進行。2增加邊坡和坡底的穩(wěn)定性，防止邊坡上或基底的土層顆粒流失。這是因為基坑開挖至地下水位以下時周圍水會向坑內(nèi)滲流，從而產(chǎn)生滲流壓力，對邊坡和基地穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，此時采用井點降水的方法可以把基坑周圍的地下水面降到開挖面以下，不僅保持坑底干燥便于施工，而且消除了滲流力的影響，防止流砂產(chǎn)生，增加了邊坡和基地的穩(wěn)定性。3減少土體含水量，有效提高土體物理力學性能指標，對于放坡開挖而言可提高邊坡穩(wěn)定性；對于支護開挖可增加被動區(qū)土抗力，減小主動區(qū)土體側壓力，從而提高支護體系的穩(wěn)定和強度保證，減小支護體系的變形。4提高土體固結程度，增加地基抗剪強度。降低地下水位，減少土體含水量從而

26、提高土體固結度，減少土中孔隙水壓力，增加土中有效應力，相應的土體抗剪強度也可得到增長，因而降低地下水位也是一種有效的地基加固方法?？茖W的降水方案不僅能為工程帶來上述好處還能降低工程造價。1.2.3 降水引起的問題基坑開挖是一個復雜問題，地下水位以下出現(xiàn)的很多問題無疑給施工帶來很多不便。由降水帶來的主要問題有如下幾方面。(1) 坑底流砂、隆起或地下水突涌。在軟粘土地基中開挖基坑時，由于上部土體的卸荷，形成基坑內(nèi)外地基土體的壓力差，當這一差值超過基坑底面以下地基的承載力時，地基的平衡狀態(tài)就破壞，從而發(fā)生支護結構背側的土體塑性流動，坑底有被承壓水頂破而發(fā)生涌砂、坑底隆起的危險。這是因為當基坑開挖成型

27、后，地下水滲流狀態(tài)被全面改變的結果。(2) 基坑周圍地面的不均勻沉降、位移和塌陷以及基坑降水帶來的環(huán)境問題。如果基坑內(nèi)布置的降水井點結構不合理，當抽汲地下水時帶出大量細顆粒物質(zhì)，造成基坑地面塌陷:或者因圍護結構的防滲條件較差，引起坑外水土流失，造成地層的位移和沉降。基坑降水引起地面變形的機理在于降水引起浮力減少，自重應力增加；降水過程中，自上而下的動水壓力作用；抽水時細粒土被帶出，引起潛蝕；粘性土中抽出水體積與壓縮量幾乎相當。解決因基坑降水而引起的地面不均勻沉降的辦法之一就是設置回灌井，其中關鍵是確定一6第一章 緒論碩士研究生學位論文個地下水水位報警值，通過觀測孔的水位監(jiān)測，調(diào)整回灌水壓力及回

28、灌水量，使地下水在報警值上下浮動。(3)支護結構破壞及基坑塌陷。作用在圍護結構上的土壓力和靜水壓力過大而引起土體滑動使結構變形，甚至造成結構破壞，導致基坑坍塌。因此，基坑工程中降水問題的研究目的主要包括三個方面：保證基坑開挖和施工時坑內(nèi)底板不積水，便于施工；保證不因滲流場和應力場的改變而產(chǎn)生坑內(nèi)坑外土體的滲透變形、塌陷和位移以及支護結構的變形和破壞；消除地下水對建筑物的頂托力。1.2.4 降水方法在基坑工程中通過降、排水使地下水位在基坑底 0.5m1.0m 以下。若有承壓水應使深部承壓水不致引起坑底突涌破壞。在降、排水過程中應不影響周圍道路、建筑物及地下管線的正常使用，必要時應進行回灌。目前，

29、降水方法可分為集水井降水和井點降水。集水井降水屬于重力降水，是在基坑開挖時沿基坑的周圍開挖排水溝，每隔一定距離設集水井，使基坑內(nèi)挖土時滲出的水經(jīng)排水溝流向集水井，然后由水泵抽排到坑外。排水溝與集水井保持一定高差，集水井比排水溝應低 0.5m1.0m，排水溝底比挖土面應低 0.3m0.5 m，隨基坑開挖逐步加深，溝底和井底均保持這一深度差。集水井一般設置在基坑角或每 30m40m 設置一個，其半徑一般為 0.7m0.8m，深 1.0m。井壁可用擋土板、水泥管或磚作臨時支護，井底鋪 0.3 m 厚的礫石，以防泥砂堵塞水泵。抽水設備多用潛水泵，此法設備簡單、施工方便、費用低廉，在施工現(xiàn)場應用得最為普

30、遍。但是這種方法的缺點是，地下水沿邊坡面或坡腳或坑底滲出，使坑底軟化或泥濘;當坑底開挖深度較大時，如果土的顆粒較細，在地下水動水壓力的作用下，還可能引起流砂、管涌、坑底隆起和邊坡失穩(wěn)，因此，集水明排在深基坑工程中單獨使用有一定的條件，在高水位地區(qū)基坑邊坡支護工程中，這種方法往往作為阻擋法或其他降水方法的輔助降水措施，它主要排出潛水、施工用水和雨水，在地下水較豐富地區(qū)，若僅單獨采用這種方法降水，由于基坑邊坡面滲水較多，坡面穩(wěn)定難于保證。因此，這種降水方法一般不單獨應用于高水位地區(qū)基坑邊坡支護中，但當基坑不深、涌水量不大、坑壁土體比較穩(wěn)定、不易產(chǎn)生流砂、流土、潛蝕、管涌、掏空和坍塌等現(xiàn)象的粘性土、

31、砂土、碎石土的地層時，可以在低水位地區(qū)或土層滲透系數(shù)很小及允許放坡支護的工程中單獨應用。當基坑開挖深度較大，地下水的動水壓力有可能造成流砂、管涌、基底隆起或邊坡失碩士研究生學位論文第一章 緒論7穩(wěn)時宜采用井點降水。井點降水是地下水位較高地區(qū)基礎工程施工的重要措施，屬強制式降水。我國于 1952年由上海市工務局技術處開始將井點系統(tǒng)用于實際工程。它能有效克服流砂現(xiàn)象穩(wěn)定基坑邊坡，降低地下水位，防止坑底隆起并加速土體固結，使天然地下水位以下的開挖施工能夠順利進行。井點降水是在基坑周圍利用排水井，把地下水位降低到基坑底面的降水方法。當?shù)叵滤惠^高而基坑深度較大，尤其是坑壁底層為松散的粉細砂、粉土或透水

32、性較強的砂礫或卵石等地層，地下水補給來源較充足，采用明溝排水易發(fā)生坍塌和流砂等現(xiàn)象，影響施工，可采用井點降水。對于深基坑降水，多采用井點降水方法。井點降水包括輕型井點（單級、多級輕型井點）、噴射井點、電滲井點、管井井點和深井井點等。(1)(2)(3)(4)輕型井點：輕型井點系統(tǒng)由井點管、連接管、集水總管及抽水設備等組成。輕型井點的降水系統(tǒng)施工簡單、安全、經(jīng)濟，特別適用于基坑面積不大，降低水位不深的場合。當要求水位降低較大時，可采用多級輕型井點降水系統(tǒng)，形成階梯式接力迭加降深。噴射井點：根據(jù)工作流體的不同，噴射井點可分為噴水井點和噴氣井點兩種。兩者的工作原理是相同的。噴射井點系統(tǒng)主要是由噴射井點

33、、高壓水泵（或空氣壓縮機）和管路系統(tǒng)組成。在較粗的砂粒中，由于出水量較大，循環(huán)水流就顯得不經(jīng)濟，這時宜采用深井泵。噴射井點的抽水系統(tǒng)和噴射井管較復雜，運行故障率較高，能量消耗大，運行費用較高。電滲井點：電滲井點一般與輕型井點或噴射井點結合使用，利用輕型井點或噴射井點管本身作為陰極，以金屬棒作為陽極，埋設在井點管內(nèi)側。通入直流電后，帶有負電荷的土顆粒向陽極移動，而帶有正電荷的水則向陰極方向移動集中，產(chǎn)生電滲現(xiàn)象。通過電滲與井點管內(nèi)的真空雙重作用，強制粘土中水由井點管快速排出，井點管連續(xù)抽水，從而地下水位逐漸降低。用一般井點不可能降低地下水位的粉質(zhì)粘土、粘土的含水層中，尤其適用于飽和的淤泥質(zhì)粘土中

34、。這時，單純利用井點系統(tǒng)的真空產(chǎn)生的抽吸作用可能較難降水從土體中抽走，利用粘土的電滲現(xiàn)象和電泳作用特性，一方面加速土體固結，增加土體強度；另一方面也可以達到較好的降水效果。管井井點：管井井點就是沿基坑每隔一定距離設置一個管井，或在坑內(nèi)降水時在一定范圍設置一個管井，利用管井進行重力集水，在地面上用一臺離心8第一章 緒論碩士研究生學位論文泵或在井內(nèi)用小型潛水泵不斷抽取管井內(nèi)的水來降低地下水位。管井井點具有排水量大、排水效果好、設備簡單、易于維護等特點，可代替多組輕型井點作用。這種方法一般多用于潛水層降水。（5）深井井點：深井井點降水的工作原理是利用深井進行重力集水，在井內(nèi)用長軸深井泵或井用潛水泵進

35、行排水以達到降水或降低承壓水壓力的目的。它適用于滲透系數(shù)較大（k10-3cm/s）、涌水量大、降水較深（可達 50）的砂土、砂質(zhì)粉土，及用其它井點降水不易解決的深層降水，可采用深井井點系統(tǒng)。深井井點的降水深度不受吸程限制，由水泵揚程決定，在要求水位降低 5以上，或要求降低承壓水壓力時，排水效果好。井距大，對施工平面布置干擾小。各種井點的適用范圍不同，在實際工程中應用時可根據(jù)土層的滲透系數(shù)，要求降水深度等實際情況，經(jīng)過技術經(jīng)濟比較后確定。表 1 給出了各類型井點及其適用范圍。表 1各類型井點及其適用范圍1.3 基坑滲流與降水的研究現(xiàn)狀1.3.1 基坑滲流研究現(xiàn)狀關于土中水的滲流的理論研究要追溯到

36、 19 世紀22，1856 年，法國工程師達西通過長期試驗得出水流通過均質(zhì)砂的滲流規(guī)律，即 darcy 定律。該定律是對地下水運動規(guī)律定量化研究的開始，成為以后有關地下水運動研究的理論基礎。dupuit 根據(jù)達西定律研究了地下水一維穩(wěn)定流動和水井的二維穩(wěn)定運動規(guī)律。p.forchheimer 等又研究了更為復雜的地下水滲流問題，從而奠定了地下水穩(wěn)定滲流理論的基礎。穩(wěn)定滲流不包括時間變量，只能用于描述一定條件下地下水所能達到的一種暫時的、相對的平衡狀態(tài)，不能反映不斷發(fā)展變化的地下水的實際運動狀態(tài)。在這個階段，一些學者利用一般的有關連續(xù)介質(zhì)力學的概念井點類型土層滲透系數(shù)cm/s降低水位深度m單（多

37、）層輕型井點-4 -21.010 5.01036(612)噴射井點-4 -21.010 5.010820電滲井點-41101035深井井點-331015碩士研究生學位論文第一章 緒論9建立了以研究水井滲流問題為特征的古典水動力學滲流理論。1904 年，j布新奈斯克(jboussinesq)提出了地下水非穩(wěn)定流的偏微分方程式，它與一般的熱傳導方程式相似；o.e.meinzer 研究了地下水的不穩(wěn)定性及承壓水層的貯水性質(zhì)；c.v.theis 在此基礎上提出了地下水承壓水井的非穩(wěn)定流公式，并將熱傳導方程式的求解技術應用到地下水運動規(guī)律的研究領域，開創(chuàng)了現(xiàn)代地下水運動理論的新紀元。? 斯特里熱夫（19

38、46）對液體在可壓縮地層中滲流理論的物理基礎作了定性論述。描述了地應力作用下地下水流動的基本特征和巖土介質(zhì)孔隙度和滲透率的降低、巖土骨架局部不可逆變形的基本性質(zhì)。在此基礎上，前蘇聯(lián)學者建立起了完整的彈性方式滲流理論和彈性塑性方式滲流理論。蓋爾謝瓦諾夫和 ? 帕里申（1948），福勞林（1953）在研究巖土介質(zhì)固結理論的過程中，將其滲透率看作土的孔隙度的函數(shù)，且孔隙度本身隨著外加荷載作用而變化。哈萬斯基（1953）則認為巖土介質(zhì)的孔隙度是壓力的等勢函數(shù)。boulton n.s.（1954），hantush m.s.（1955），neuman s.p.(1969)等進行了各種條件下地下水非穩(wěn)定滲流

39、運動的解析公式，這些基于求解非穩(wěn)定流的解析法不僅推廣了 theis 公式，而且建立了地下水躍流理論和潛水含水層的非穩(wěn)定流理論?？傊谶@個階段出現(xiàn)了各種嚴格定量的水動力學方法38、39，從宏觀研究入手，用連續(xù)介質(zhì)力學方法對均質(zhì)液體的各種滲流問題進行了大量理論研究。其中包括：分離變量法、積分變換法、保角映射法、格林（ green）函數(shù)法、鏡像法等各種解析方法得到廣泛的應用。二十世紀 50 年代到 60 年代前期以電腦網(wǎng)絡模擬為代表的模擬技術逐漸成為研究地下水滲流問題的主要手段，60 年代后期以計算機為基礎的數(shù)值模擬技術又使人們在分析地下水問題上取得突破性進展。1.3.2 基坑降水研究現(xiàn)狀降水工程

40、設計應進行多方案對比分析后選擇最優(yōu)降水方案，降水工程設計應重視工程環(huán)境問題，防止產(chǎn)生不良工程環(huán)境影響。由此最優(yōu)化方法廣泛運用于基坑降水工程的設計中16、18、33。最優(yōu)化設計是在現(xiàn)代化計算機廣泛應用的基礎上發(fā)展起來的一項新技術，是根據(jù)最優(yōu)化原理和方法綜合各方面的因素，以人機配合的方式或用自動搜索的方式，在計算機上進行的半自動或自動設計，以選出在現(xiàn)有工程條件下的最好設計方案的一種現(xiàn)代設計方法。目前，在國內(nèi)降水井群方案布置的優(yōu)化設計方面己有多人進行過研究920，滕凱、柳10第一章 緒論碩士研究生學位論文寶田16等以基坑降水的總費用最小建立目標函數(shù)，從而對基坑井群降水進行優(yōu)化；虎維躍18以總疏水量最

41、小為目標函數(shù)，以井位和疏干水量為決策變量對礦井疏干井群進行優(yōu)化設計；秦四清5在基坑降水中給出不同井距和井深及相同井深不同井距的 n 個降水設計方案，通過計算機模擬實現(xiàn)設計方案的優(yōu)化，從中選出最優(yōu)方案?？梢娍紤]的出發(fā)點不同，往往所建立的目標函數(shù)也不相同，從而得到的降水方案也有所區(qū)別。目前還沒有形成一個考慮比較全面的方案來確定目標函數(shù)2430。1.4 本文主要研究內(nèi)容根據(jù)基坑降水研究現(xiàn)狀，本文結合工程實際對降水方案優(yōu)化問題進行了研究，具體研究內(nèi)容如下：1在經(jīng)典滲流理論和水井理論的假設前提下，分析水位變化對影響半徑和涌水量的影響，利用水量平衡分析了排水量、水位值與時間的關系，給出用于控制水位的優(yōu)化降

42、水公式；2通過抽水試驗分析不同水位時的涌水量與設計深度時涌水量的比例關系及不同水位時降水漏斗的體積與設計深度時降水漏斗體積的比例關系，運用回歸分析方法對試驗成果進行擬合分析，找出其中的規(guī)律；3結合工程實例，運用本文中的分析方法及給出的公式解決實際問題，驗證本文中得出公式的正確性和有效性。碩士研究生學位論文第二章 滲流理論及水井滲流計算11第二章 滲流理論及水井滲流計算2.1 土的滲透性及達西定律水在土體中的流動現(xiàn)象很復雜，人們根本無法針對個別流體質(zhì)點進行研究，而且這樣的研究也沒有實用價值。因此，人們研究土體中的滲流問題時主要是研究水的平均運動，把握平均滲透規(guī)律。實質(zhì)上就是用和真實水流屬于同一流

43、體的、充滿整個含水層的假想水流來代替僅僅在孔隙中運動的真實水流，通過研究假想水流的平均滲透規(guī)律來了解真實水流的滲流情況。而假定假想水流具有如下性質(zhì)：（1）通過任意斷面的流量與真實水流通過同一斷面的流量相等；（2）在某斷面上的水壓力應等于真實水流的壓力；（3）在任意土體或巖體體積內(nèi)所受阻力應等于真實水流所受到的阻力。具有這樣性質(zhì)的水流被稱為滲流。土的滲透性一般是指水流通過土中孔隙難易程度的性質(zhì)，或者稱為透水性。地下水的補給與排泄條件，以及在土中的滲透速度與土的滲透性有關。地下水的運動一般可分為層流和紊流兩種形式。地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續(xù)滲透屬于層流運動；而在巖石裂隙或空洞中流

44、動時速度較大，會發(fā)生紊流。法國工程師達西43（darcy）于 1856 年通過試驗提出了著名的達西滲透定律。 v = ki基準面 （2-1）圖 2-1水的滲流式中， v 水在土中的滲透速度，cm/s，它不是地下水的實際流速，而是在單位時間內(nèi)流過單位土截面的水量；12第二章 滲流理論及水井滲流計算碩士研究生學位論文i 水力梯度，i =h1 h 2l，即土中 a1 和 a2 兩點的水頭差于兩點的流線長度之比，如圖 2-1 所示；k 土的滲透系數(shù)，cm/s，它的值的大小反映土體滲透性的強弱。實驗證明：在砂土中水的流動符合達西定律（如圖 2-2 所示）；而在粘性土中只有當水力梯度超過所謂起始梯度后才開

45、始發(fā)生滲流（如圖 2-2 所示）。砂土粘性土圖 2-2 滲透速度 v 與水力梯度 i 的關系土的滲透系數(shù)可以通過室內(nèi)滲透試驗或現(xiàn)場抽水試驗來測定。表 2-1 給出了各種土的滲透系數(shù)變化范圍。表 2-2各種土滲透系數(shù)參考值土的名稱致密粘土粉質(zhì)粘土粉土、裂隙粘土滲透系數(shù)/cms-110-710-6 10-710-4 10-6土的名稱粉砂、細砂中砂粗砂、礫石滲透系數(shù)/cms-110-2 10-410-1 10-2102 10-12.2 滲流的基本理論2.2.1 滲流連續(xù)性方程滲流連續(xù)性方程的得出是假設水在介質(zhì)中流動的過程中質(zhì)量既不增加也不減少。如圖2-3，取出一個微小六面體進行研究。六面體的各邊長度

46、分別為 x 、 y 、 z ，且與相應坐標軸平行。沿坐標軸方向的滲透速度分量和液體的密度分別為 v x 、v y 、v z 和 表示。則在 t 時間段內(nèi)通過 abcd 面流入六面體的液體的質(zhì)量可表示為：qx t = v x yzt（2-2）碩士研究生學位論文第二章 滲流理論及水井滲流計算13式中， qx 沿 x 軸方向進入六面體的流量。圖 2-3滲流單元體從六面體的 面流出的液體的質(zhì)量為：(qx )x(v x )xxyzt（2-3）則在沿 x 軸方向流入和流出六面體的液體質(zhì)量差為：(v x )x(v x )xxyzt（2-4）同理，沿 y 軸和 z 軸方向流入與流出六面體的液體質(zhì)量差可分別表示為： (v y )xyzty z所以，在 t 時間段內(nèi)，流入與流出六面體的液體總質(zhì)量差為：（2-5） +(v y )y+(v z )z xyzt（2-6）用 n 表示六面體土塊的孔隙率，則六面體內(nèi)液體的質(zhì)量為 nxyz ，在時間段 t 內(nèi)液體的質(zhì)量變化為：tnxyzt（2