悬挂式止水帷幕下基坑定流量抽水的承压水位确定方法

摘要

本发明提供一种悬挂式止水帷幕下基坑定流量抽水的承压水位确定方法，所述方法在获取承压含水层土层信息及抽水信息的基础上，根据达西定律与水量守恒原理，针对基坑内定流量抽水过程，确定止水帷幕未进入含水层时的地下水水位和止水帷幕引起的地下水位的变化值，从而确定悬挂式止水帷幕下基坑内定流量抽水时基坑内外承压水水位。本发明结合达西定律、水量守恒原理与地下水渗流理论，能够直观的反映基坑降水时基坑内外承压水位的分布，从而为分析基坑降水对周边环境的影响提供依据。本方法简单、实用，便于推广，具有很大的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑、水利、交通、环境等地下工程领域中的施工技术，具体地， 涉及一种悬挂式止水帷幕下基坑定流量抽水的承压水位确定方法。

背景技术

基坑工程是高层建筑物建设和地下空间工程的重要组成部分，基坑降水则是基坑开挖 施工的关键步骤，基坑降水的效果对基坑开挖的安全和基坑周边地面的沉降有重大影响。 随着城市规模的扩展、土地成本的上涨和施工技术的进步，我国基坑工程逐渐呈现出深、 大的趋势，部分基坑深度已达40m。深大基坑的开挖，通常需要降低承压水水位。为减小 降水对周边环境的影响，基坑周围常利用止水帷幕隔绝基坑内与基坑外含水层的水力联 系，减弱地下水的渗流活动。然而，因承压含水层厚度大，大多数基坑止水帷幕不能将承 压含水层完全隔断，因而呈现出一种悬挂式的帷幕。当在基坑内抽水时，止水帷幕的存在 使得地下水渗流面积减小、渗流方向改变、渗流路径延长，使基坑内外地下水出现水头差， 从而达到保护环境的目的。受到场地条件和施工等因素的影响，基坑工程中的观测井数量 有限，基坑外观测井数量很少甚至没有，难以判断基坑内外地下水的变化范围，因此确定 止水帷幕作用下基坑内降水时基坑内外承压水位的变化，对指导基坑工程建设、保护基坑 外部环境以及减小地面沉降具有重要意义。

经对现有技术文献检索发现，目前工程界常用数值法模拟计算止水帷幕作用下基坑降 水引起的地下水位变化。刘国峰等于2014年在《工程勘察》上发表的《连续墙埋置深度 对超深基坑降水效果的影响研究》一文中通过三维数值模型详细对比分析了不同地下连续 墙深度下坑内降水时基坑内外地下水渗流场的分布。但建立数值模型较为复杂，现场工程 师难以直接应用。王军辉等于2009年在《水文地质工程地质》上发表的《地下结构对渗 流场阻隔问题的解析—半解析法》一文中提出渗流场在长条形构筑物的影响下达到稳态时 水位变化的确定方法。王军辉等的方法仅局限于研究范围内无源汇项，且构筑物在水平或 垂直方向将含水层完全隔断的情况。此外，该方法仅能确定地下水通过构筑物下部时即渗 流面积减少产生的水位变化，不能确定渗流方向改变对水位的影响，也没有考虑含水层的 各向异性，结果偏小。对于止水帷幕作用下基坑内定流量抽水问题，目前尚没有直接确定 基坑内外承压水位的方法，因此有必要在这一方面做进一步研究。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种悬挂式止水帷幕下基坑定流量抽 水的承压水位确定方法，在获取承压含水层土层信息及抽水信息的基础上，根据达西定律 与水量守恒原理，针对基坑内定流量抽水过程，确定止水帷幕未进入含水层时的地下水水 位和止水帷幕引起的地下水位的变化值，从而确定悬挂式止水帷幕下基坑内定流量抽水时 基坑内外承压水水位。

为实现以上目的，本发明提供一种悬挂式止水帷幕下基坑定流量抽水的承压水位确 定方法，所述方法通过下列步骤实现：

第一步、获取基坑场地的土层划分以及承压含水层渗透系数和厚度，即：

通过钻孔取土方法获取基坑场地的土层划分，利用采集的土样进行室内渗透试验以确 定承压含水层的渗透系数，根据土层划分信息确定承压含水层的厚度b；

第二步、结合基坑设计及降水方案，确定基坑止水帷幕信息和降水井信息；

第三步、确定多口降水井抽水时的影响半径R；

第四步、确定在止水帷幕未进入承压含水层的情况下，多口降水井抽水时各个单井抽 水作用下含水层中任一点的承压水位h_ni(r_i)；

第五步、确定单井抽水时止水帷幕减小承压含水层过水断面引起的承压含水层的水位 变化Δh_1i(r_i)；

第六步、确定单井抽水过程中止水帷幕改变渗流路径引起的承压含水层中任一点的水 位变化Δh_2i(r_i)；

第七步、结合第四步、第五步和第六步，确定悬挂式止水帷幕下基坑内单井抽水时承 压含水层中任一点的承压水位h_i(r_i)；

第八步、结合第七步，确定基坑内多口降水井抽水时承压含水层任一点的承压水位h。

优选地，第一步中：

所述的钻孔取土方法是指：在基坑设计深度的2.5倍范围内，利用厚壁取土器在每个 土层选取3个土样；

所述的室内渗透试验是指：利用Φ200的环刀沿每个土层水平向和垂向各切取3个扁 圆柱体土样，将土样放入渗透仪中，根据确定时间内水位及水量的变化，确定承压含水层 的水平渗透系数k_x和竖向渗透系数k_z的试验方法。

优选地，第二步中，所述的基坑止水帷幕信息是指：基坑止水帷幕进入承压含水层的 深度b_b以及止水帷幕阻隔厚度比ε，其中：

所述b_b根据基坑设计方案与基坑场地的土层划分确定；

所述ε是指：承压含水层中止水帷幕的厚度与承压含水层厚度的比值，ε满足公式： $ϵ=\frac{b_b}{b}.$

优选地，第二步中，所述的降水井信息是指：降水井的位置及数量、过滤器的长度、 承压含水层的初始水位h₀以及降水井的稳定抽水量Q_w，其中：

所述承压含水层的初始水位h₀是指：降水井成井后，将测绳放入到井中，连续3天以 上测量水位，每天测量3次，所得到水位的平均值即为承压含水层的初始水位；

所述过滤器长度是指：降水井在承压含水层中过水断面的长度；

所述降水井的稳定抽水量Q_w是指：降水井单位时间内抽出的水量，Q_w在抽水过程中 保持不变，其由水表测量测得。

更优选地，所述水表测量是指：将水表接入抽水井井口附近的排水管中，启动抽水泵， 待排水管开始出水后记下水表的初始读数，24小时后读出水表的实时读数，两个数的差值 即为该抽水井每天的抽水量。

优选地，第三步中，确定所述的多口降水井抽水时的影响半径R包括如下步骤：

(1)确定多口降水井抽水时单口降水井的水位降深S_wi，S_wi满足以下公式：

S_wi＝h₀-h_wi，

其中：h_wi为多口降水井抽水时第i口降水井的稳定水位；h₀为承压含水层的初始水位；

(2)确定多口降水井抽水时的影响半径R，R满足以下公式：

$R=10S_{max}\sqrt{k_x},$

其中：S_max为各降水井水位降深S_wi的最大值；k_x为承压含水层的水平渗透系数。

更优选地，步骤(1)中，所述的第i口降水井的稳定水位h_wi是指：多口降水井抽水 稳定后，将测绳放入到第i口降水井中，每隔2～3个小时读取该降水井水位，当连续3次 读取的降水井水位误差在1％以内时，取这三次的水位的平均值即为该降水井的最终稳定 水位。

优选地，第四步中，所述的h_ni(r_i)满足如下公式：

$h_{ni}\left(r_i\right)=\frac{Q_{wi}ln(r_i/R)}{2{\mathrm{\pi k}}_{x}b}+h_0,$

其中：Q_wi为第i口降水井的稳定抽水量；r_i为地层中待求水位点到第i口降水井的水 平距离，其由钢尺测得；R为多口降水井抽水时的影响半径；k_x为承压含水层的水平渗透 系数；b为承压含水层的厚度；h₀为承压含水层的初始水位。

优选地，第五步中，确定所述的Δh_1i(r_i)包括如下步骤：

(1)确定单井抽水时渗流面积减小导致的承压含水层中任一点的承压水位h_1i(r_i)，h_1i(r_i) 满足以下公式：

其中：Q_wi为第i口降水井的稳定抽水量；h₀为承压含水层的初始水位；ε为止水帷幕 的阻隔厚度比；θ_i为待求水位点与第i口降水井中心轴线确定的竖直剖面上，第i口降水井 中心轴线到该点一侧基坑止水帷幕内边缘距离r_1i与外边缘距离r_2i之比，θ_i满足公式 r_1i与r_2i由钢尺沿地面量测得出；R为多口降水井抽水时的影响半径；k_x为承压 含水层的水平渗透系数；b为承压含水层的厚度；

(2)确定单井抽水时止水帷幕减小承压含水层过水断面引起的承压含水层的水位变化 Δh_1i(r_i)，Δh_1i(r_i)满足以下公式：

Δh_1i(r_i)＝h_ni(r_i)-h_1i(r_i)。

优选地，第六步中，所述的Δh_2i(r_i)满足以下公式：

Δh_2i(r_i)＝mΔh_1i(r_i)，

式中m满足以下公式：

$m=\left(\begin{array}{cc}1.32b(1-ϵ){\left(\frac{k_x}{k_z}\right)}^{\frac{5}{8}}{\left(\frac{10}{b}\right)}^{0.3668\ln b-0.852}& ϵ<0.25\\ \sqrt{\frac{1}{8}}ln\left(\frac{6{ϵ}^{1.1}}{{(1-ϵ)}^{2.23}}\right)\frac{(1-ϵ)b}{ϵ}{\left(\frac{k_x}{k_z}\right)}^{\frac{5}{8}}{\left(\frac{10}{b}\right)}^{0.3668\ln b-0.852}& ϵ\ge 0.25\end{array}\right)$

其中：b为承压含水层的厚度；ε为止水帷幕的阻隔厚度比；k_x为承压含水层的水平渗 透系数；k_z为承压含水层的竖向渗透系数。

优选地，第七步中，所述的h_i(r_i)满足以下公式：

其中：Q_wi为第i口降水井的稳定抽水量；h₀为承压含水层的初始水位；ε为止水帷幕 的阻隔厚度比；θ_i为待求水位点与第i口降水井中心轴线确定的竖直剖面上，第i口降水井 中心轴线到该点一侧基坑止水帷幕内边缘距离r_1i与外边缘距离r_2i之比，θ_i满足公式 r_1i与r_2i由钢尺沿地面量测得出；R为多口降水井抽水时的影响半径；k_x为承压 含水层的水平渗透系数；b为承压含水层的厚度。

优选地，第八步中，所述的h满足以下公式：

$h=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_i\left(r_i\right)-(n-1)h_0,$

其中：n为降水井数量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明结合达西定律、水量守恒原理与地下水渗流理论，提供了直接计算止水帷幕作 用下基坑内定流量抽水时，基坑内外承压水位的公式，能够直观的反映基坑降水时基坑内 外承压水位的分布，从而为分析基坑降水对周边环境的影响提供依据。本方法简单、实用， 便于推广，具有很大的应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图的描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更加明显。

图1为本发明一实施例的多井抽水示意图；

图2为本发明一实施例的基坑和降水井的位置关系平面图；

图3为本发明一实施例的两口降水井同时降水时的基坑内外承压水位分布图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还是可以做出若干变形和改进。这些都属于本 发明的保护范围。

以下提供具体实施例，实施例中没有详细说明的部分参照发明内容记载进行。

实施例

某圆形基坑位于承压含水层的上部，进行双井抽水，基坑和降水井的位置关系平面如 附图2所示。

如图1-图3所示，本实施例提供一种悬挂式止水帷幕下基坑定流量抽水的承压水位确 定方法，所述方法通过下列步骤实现：

步骤一、获取基坑场地的土层划分以及承压含水层渗透系数和厚度

通过钻孔取土获取土层划分信息如下：

埋深0.00-1.82m范围为杂填土，埋深1.82-14.12m范围为灰色砂质粉土，埋深 14.12-20.12m范围为灰色淤泥质黏土，埋深20.12-24.12m范围为灰色黏土，埋深 24.12-28.00m范围为暗绿-草黄色粉质粘土，埋深28.00-38.00m范围为草黄～灰色粉砂。

通过钻孔取土获得的承压含水层为草黄～灰色粉砂，厚度为10m；通过室内渗透试验 获得的承压含水层的水平渗透系数k_x与竖向渗透系数k_z均为4m/d。

步骤二、结合基坑设计及降水方案，确定基坑围护结构设计信息、降水井信息

本实施例中，基坑采用地下连续墙作为围护结构，基坑半径为18m；地下连续墙作为 止水帷幕，宽度为1m，止水帷幕进入承压含水层的深度b_b为9m，止水帷幕阻隔厚度比ε 为0.9，基坑采用两口降水井抽水，具体位置如图2所示，1号降水井中心轴线与基坑中心 轴线重合，两口降水井过滤器长度均为10m，承压含水层初始水位h₀为-1m，两口降水井 稳定抽水量Q_w均为100m³/d。

步骤三、确定多口降水井抽水时的影响半径R

具体包括：

(1)确定两口降水井抽水时的水位降深S_w1和S_w2，将测绳放入到井中，每隔2～3个小 时读取降水井水位，当1号降水井连续3次读取的降水井水位分别为-5.9m、-5.86m和 -5.82m，水位误差在1％以内，取这三次的水位的平均值为该井的最终稳定水位h_w1，即h_w1为-5.86m，1号降水井水位降深S_w1＝h₀-h_w1，得到S_w1＝4.86m；同样方法测得2号降水井 的水位h_w2为-6.80，2号降水井水位降深S_w2＝h₀-h_w2＝5.80m。

(2)确定两口降水井抽水时的影响半径R：

(S_max为各降水井水位降深S_wi的最大值，即取 5.80m)。

步骤四、确定在止水帷幕未进入承压含水层的情况下，多口降水井抽水时各个单井抽 水作用下含水层中任一点的承压水位h_ni(r_i)

所述h_ni(r_i)满足如下公式：

$h_{ni}\left(r_i\right)=\frac{Q_{wi}ln(r_i/R)}{2{\mathrm{\pi k}}_{x}b}+h_0,$

从而确定1号降水井和2号降水井在任一点处的承压水位h_n1(r₁)和h_n2(r₂)，计算公式 分别为：

步骤五、确定单井抽水时止水帷幕减小承压含水层过水断面引起的承压含水层的水位 变化Δh_1i(r_i)

包括如下步骤：

(1)计算1号降水井和2号降水井抽水时承压含水层中任一点的承压水位h₁₁(r₁)和 h₁₂(r₂)，由公式：

得到本实施例1号井和2号井的Δh₁₁(r₁)和Δh₁₂(r₂)：

(2)确定1号降水井和2号降水井抽水时止水帷幕减小承压含水层过水断面引起的水 位变化Δh₁₁(r₁)和Δh₁₂(r₂)，由公式：

Δh_1i(r_i)＝h_ni(r_i)-h_1i(r_i)

得到本实施例1号降水井和2号降水井的Δh₁₁(r₁)和Δh₁₂(r₂)：

步骤六、确定单井抽水过程中止水帷幕改变渗流路径引起的承压含水层中任一点的水 位变化Δh_2i(r_i)

所述Δh_2i(r_i)满足以下公式：Δh_2i(r_i)＝mΔh_1i(r_i)，

m满足以下公式：

$m=\left(\begin{array}{cc}1.32b(1-ϵ){\left(\frac{k_x}{k_z}\right)}^{\frac{5}{8}}{\left(\frac{10}{b}\right)}^{0.3668\ln b-0.852}& ϵ<0.25\\ \sqrt{\frac{1}{8}}ln\left(\frac{6{ϵ}^{1.1}}{{(1-ϵ)}^{2.23}}\right)\frac{(1-ϵ)b}{ϵ}{\left(\frac{k_x}{k_z}\right)}^{\frac{5}{8}}{\left(\frac{10}{b}\right)}^{0.3668\ln b-0.852}& ϵ\ge 0.25\end{array}\right);$

本实施例中，因阻隔比ε＝0.9>0.25，

$m=\sqrt{\frac{1}{8}}ln\left(\frac{6\times {0.9}^{1.1}}{{(1-0.9)}^{2.23}}\right)\frac{(1-0.9)\times 10}{0.9}{\left(\frac{4}{4}\right)}^{\frac{5}{8}}{\left(\frac{10}{10}\right)}^{0.3668\ln 10-0.852}=2.68$

1号降水井和2号降水井抽水过程中止水帷幕改变渗流路径引起的承压含水层中任一 点的水位变化Δh₂₁(r₁)和Δh₂₂(r₂)分别为：

Δh₂₁(r₁)＝2.68Δh₁₁(r₁)；

Δh₂₂(r₂)＝2.68Δh₁₂(r₂)。

步骤七、确定悬挂式止水帷幕下基坑内单井抽水时承压含水层中任一点的承压水位 h_i(r_i)

所述的h_i(r_i)满足以下公式：

本实施例悬挂式止水帷幕下基坑内1号降水井和2号降水井抽水时承压含水层中任一 点的承压水位h₁(r₁)和h₂(r₂)分别为：

步骤八、确定基坑内多口降水井抽水时承压含水层任一点的承压水位h

所述h满足以下公式：

$h=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_i\left(r_i\right)-(n-1)h_0$

得到基坑内1号降水井和2号降水井抽水时承压含水层任一点的承压水位h：

计算图2中I-I剖面上的各点承压水位并制成水位分布图，结果如图3所示，图3中 横坐标为各点至1号井中心轴线的水平距离。

本发明中的悬挂式止水帷幕下基坑定流量抽水的承压水位确定方法能快速准确地计 算出基坑内多个降水井抽水时地层中的承压水位，对指导实际工程具有重要意义。本方法 简单、实用，便于推广，具有很大的应用价值。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定 实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本 发明的实质内容。