基坑潛水與承壓含水層一井分層聯合降水的方法
2023-10-04 08:55:04 1
專利名稱：基坑潛水與承壓含水層一井分層聯合降水的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種地下工程施工技術領域的施工方法，具體是一種基坑潛水與承壓含水層一井分層聯合降水的方法。
背景技術：
高地下水位的軟土地基中的地下施工如基坑挖，施工中最大的問題是由於地下水的存在會引起基坑坑底湧水等的問題。因此，採用井點或大口徑管井人工降低地下水位是基坑開挖施工中的常用而且有效的方法。基坑開挖的方法一般採用乾式開挖，即先將需要開挖部分的土體中的水抽乾(保持地下水位在開挖面以下1m)，然後再挖土的方法。另外，當基坑的開挖深度較大，開挖後潛水層與承壓含水層之間的隔水層變得很薄，基底的殘餘隔水層的自重不能平衡承壓水的壓力而發生流砂或管湧破壞。這時需採用降低承壓含水層水頭的方法，以減小基坑風險。對於這種需同時抽取潛水與承壓水的基坑降水問題，有如下兩種降水方法降低地下水位第一種方法是雙井降水法；第二種方法是一井降水法。所謂雙井降水法是先設置一井群至潛水層(或難透水層)用於疏幹淺層潛水，該井被稱為疏乾井；當開挖面接近承壓水層時，另外再設置一組大口徑管井用於降低承壓含水層的地下水壓力水頭，該井被稱為降壓井。所謂一井降水法是直接設置一組大口徑管井群同時用於疏幹淺層潛水與降低承壓含水層的地下水壓力水頭。但當基坑維護止水結構不能穿越全部承壓含水層(即承壓含水層在基坑內外連通)時，基坑內的降水會使周圍的承壓含水層的地下水頭的下降會傳至較遠的地方。由於固結作用，周圍地基會發生固結沉降；降水時間越長，沉降越大，這將會引起環境問題。相對而言上述第一種方法抽取承壓含水層的時間短些，對環境的影響較第二種方法小；但由於多增加了一組井而使施工費用成倍增加，不太經濟。一項好的施工技術不僅應將對環境的影響減小到最低限度，而且應該滿足經濟性的要求。
經對現有的技術文獻檢索發現，申請號為200610086139.8，專利申請的名稱為「大面積軟地基處理分層分遍電滲降水聯合真空降水方法」，該技術採用分層分遍電滲降水聯合真空降水方法，應用於大面積軟地基的加固處理。該方法在深層布置電滲井點管電滲降水，淺層布置真空井點管抽真空降水，深層電滲井點管與淺層真空井點管間隔布置，分兩遍進行降水施工前一遍採用深層電滲井點管降水，後一遍在電滲降水施工區域採用淺層真空井點管降水。該降水方法井數量多、處理深度較小，工程造價高，只局限於軟土地基的降水加固處理，不適用於基坑降水。
發明內容
本發明針對現有技術的不足和缺陷，提出一種基坑潛水與承壓含水層一井分層聯合降水的方法，使其針對由潛水層-隔水層-承壓含水層構成的基坑降水工程，實現使用一口井解決潛水的疏幹和承壓水的降壓問題。並可以儘量避免降水對周圍環境影響。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟(1)降水井採用一井，深度達到承壓含水層，降水井的濾水管分上下兩段設計，上濾水管位於潛水含水層，疏幹潛水，下濾水管位於承壓含水層，降低承壓含水壓力；隔水層採用井管連接上下濾水管。
在井管內的隔水層安裝可控止水閥，用於在一井中隔離潛水和承壓水。
所述的可控止水閥，在疏幹潛水時關閉可控止水閥保持承壓水中的壓力；當需要降承壓水時，打開可控止水閥。
(2)疏幹潛水時關閉可控止水閥，以保持承壓水層中的水壓。這樣保持基坑及其周圍承壓水層中的水位，承壓水層中無不穩定的滲流發生，基坑外地面不會在疏幹潛水時下沉。
(3)在擬建場地內打數口穿過潛水層的完整井，進行野外抽水試驗，確定潛水井疏幹時的抽水量及影響範圍通過三維地下水滲流分析有限元軟體確定，並以確定的潛水抽水量及影響半徑。
(4)當開挖深入到隔水層，隔水層從開挖面到承壓水頂板的厚度不足以抵抗承壓含水層水頭而存在突湧危險時，打開可控止水閥，將真空泵下放入下段降水井中，抽取承壓含水層中的水以降低水壓。
(5)根據基坑的平面尺寸、開挖深度、地下牆的埋深，含水層構造條件；應用基於三維地下水滲流與地面沉降確定的有限元計算的方法確定降承壓水時的開挖深度、抽水量、井的口徑、數量、水力坡降的影響半徑以及周圍的地面沉降。
計算中應考慮地下連續牆等擋土構造物的阻水作用，並將確定的上述相關參數作為確定承壓水降水施工方案的依據。
所述的三維地下水滲流與地面沉降確定的有限元計算，步驟如下1)有限元的建模範圍水平方向長度大於(L1+2R)米，寬度大於(Lw+2R)米，垂直方向應大於(Hcp+Hcd1+Hcf+Hcd2)米，其中為L1基坑長度，Lw為基坑寬度，R為影響半徑，Hcp為潛水含水層的厚度，Hcd1為第一隔水層的厚度，Hcf為承壓含水層的厚度，Hcd2為第二隔水層的厚度。
2)初始條件設定潛水含水層的地下水位面設定為初始水頭，各承壓含水層的壓力水頭為各承壓含水層的初始水頭；隔水層中的初始水頭與位於其上的承壓含水層的水頭相同。
3)計算中邊界條件設定計算領域的周邊與底部採用不變水頭。
4)網格劃分平面上網格劃分應在基坑周圍20米範圍內以較為細小的網格，向外逐漸放大。
所述的網格，豎向劃分應均勻。
5)計算的取水點計算中地下水採取的量分別按網格單元節點的分配；所述的按網格單元節點的分配，在疏幹潛水時，承壓含水層的節點上無水量分配；承壓水降壓時，關閉潛水層中的水量節點。
6)以上述模型計算地下水抽取過程中的周圍地層的水位下降範圍及沉降變形的範圍，確定降承壓水時的開挖深度、抽水量、井的口徑及管井數量等降水施工方案。
本發明對於下有承壓含水層的基坑開挖中的降水問題採用一井分層聯合降水方案。在抽水過程中對周圍的環境因素進行了考慮，可以在降水過程中能最大限度地減小對周圍環境的影響。同時，應用基於三維地下水滲流理論的地基變形分析有限元模型確定降承壓水時的開挖深度、抽水量、井的口徑與數量等降水施工方案。與現有的施工方法相比，採用該方法，可減少1/3～1/2的布井數量，節省30～50％的降水施工費用，開挖施工效率也有不同程度地提高，經濟效益十分顯著。本發明適用於含有潛水層-隔水層-承壓含水層的基坑並需降壓水水頭的降水工程。
圖1基坑建模範圍的平面2基坑建模深度的斷面3基坑三維有限元網格具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
實施例以上海某地鐵車站的基坑降水工程為例。
上海某地鐵車站為地下兩層，主體為三層二跨(局部三層三跨、二層二跨)現澆鋼筋混凝土結構。車站主體結構長為313.5米，寬為22.8米。該車站基坑分兩個區域開挖，開挖深度為南端頭井22.39米，北端頭井23.01米，標準段21.06～22.26米。採用地下連續牆圍護，地下連續牆深度36.50米。工程場地分布有潛水和承壓水。潛水含水層主要由粉性土構成，水位埋深1.2米；承壓含水層頂面埋深19.59～23.03米，厚度10.5～41.80米，土質以灰色砂質粉土為主，承壓水頭為4.5米左右；潛水含水層與承壓含水層之間分布有厚9.0～12.0米的粘性土隔水層。該工程施工時需疏幹潛水含水層中的地下水，並降低承壓含水層水位至基坑開挖底面以下0.5～1.5米。由於該車站的基坑工程位於上海鬧市區，周邊環境複雜，地下管線與地面建築物較多，因此應儘可能減小降水對周圍環境的影響。基坑降水採用一井分層的潛水疏幹與承壓水降壓的聯合降水方案。具體實施方案如下。
如圖1所示，降水井採用一井，根據計算確定其井管直徑為250m，壁厚3mm，長為9.0～12.0米。濾水管的直徑與井管相同；上段濾水管置於潛水層中，其長度與潛水層厚度相當，為8～11米；下段濾水管置於承壓含水層中，長度為8米。管井的深度為28.3～29.3米。在井管內(隔水層)，深度約19.0米處安裝板式可控止水閥門。
三維有限元建模在降水方案設計階段，應用6eoGlow3D三維多孔介質滲流模型模擬分析此基坑開挖中的降水過程。根據野外抽水試驗，降潛水的影響半徑約為60米，降承壓水時的影響範圍達300米；為消除邊界影響，取整個基坑及基坑外邊界400米距離為有限元建模範圍。實際上，當抽水量大於地下水補給量的情況下，由於地下水處於不穩定狀態，影響範圍會隨著時間的延續而不斷擴大到補給區邊界。但是在抽水量小於補給量的情況下，地下水會逐漸穩定，影響半徑小於距補給區的邊界。分析深度為90米，劃分為12個工程地質層。
建模範圍的平面如附圖2所示，基坑三維有限元網格如附圖3所示井在潛水與承壓含水層處分為兩段，可控止水閥安裝與隔水層。潛水含水層地下水位埋深為1.2米，承壓含水層的水頭為4.35米和7.5米。在邊界，地下水的水頭保持在初始水位。
關閉可控止水閥，下入QDX3-35-2.2型潛水泵疏幹潛水。經應用上述有限元模型計算，約需15天時間可以疏幹基坑內潛水，單井湧水量為潛水21m3/day。這時由於地下連續牆的擋水作用，基坑外無沉降發生。
應用上述有限元模型計算確定，抽承壓水時單井的出水量為80m3/day，基坑的湧水量為3000m3/day。這樣基坑內需設置約36口分層可控聯合降水井。通過有限元模型計算還可以確定，當基坑開挖至10米時，有可能發生管湧，需進行承壓水降壓。這時先取出原來的潛水泵，打開可控止水閥，下入QJ式潛水深井泵，抽取承壓地下水。
當可控止水閥打開後，進行承壓水的降壓、降水工作，根據計算確定的抽水量，通過停泵和開泵控制地下水位，使承壓水的水頭保持在基坑開挖面下的1米深度處。第72天開挖至基坑底面，第89天底板結構施工完成並達到強度要求，開始封井，降水任務完成。觀測表明承壓含水層在基坑周圍的水頭下降範圍為200～300米，但坑外靠近坑內處的水頭下降僅為-10.2米，比坑內水位下降(-24米)要小得多。這說明雖然地下連續牆沒有打穿承壓含水層，但其擋水作用還是很明顯的。
應用上述有限元模型分析，在承壓水抽水的75天中，基坑周圍的地表沉降基本控制在離牆10～20米的範圍內，牆外最大沉降約為30mm，而基坑外20米處沉降較小，90天時僅為5mm。而傳統的同時降潛水與承壓地下水的降水方法案，會使基坑外的承壓地下水位的下降達400米，抽水90天基坑外的地面沉降範圍達25～30米，坑邊最大沉降達60～80mm。
由本實施例的結果可知，對於下有承壓含水層的基坑開挖中的降水問題的降水方案，比傳統的基坑降水方案可以節省30～50％的費用；降水過程對周圍環境的影響也比傳統的基坑降水方案小，使基坑降水方案更為合理、經濟。
權利要求
1.一種基坑潛水與承壓含水層一井分層聯合降水的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)降水井採用一井，深度達到承壓含水層，降水井的濾水管分上下兩段設計，上濾水管位於潛水含水層，疏幹潛水，下濾水管位於承壓含水層，降低承壓含水壓力，隔水層採用井管連接上下濾水管；(2)疏幹潛水時關閉可控止水閥，以保持承壓水層中的水壓；(3)在擬建場地內打數口穿過潛水層的完整井，進行野外抽水試驗，確定潛水井疏幹時的抽水量及影響範圍，通過三維地下水滲流分析有限元確定，並以確定的潛水抽水量及影響半徑；(4)當開挖深入到隔水層，隔水層從開挖面到承壓水頂板的厚度不足以抵抗承壓含水層水頭而存在突湧危險時，打開可控止水閥，將真空泵下放入下段降水井中，抽取承壓含水層中的水以降低水壓；(5)根據基坑的平面尺寸、開挖深度、地下牆的埋深，含水層構造條件；應用基於三維地下水滲流與地面沉降確定的有限元計算的方法確定降承壓水時的開挖深度、抽水量、井的口徑、數量、水力坡降的影響半徑以及周圍的地面沉降。
2.根據權利要求1所述的基坑潛水與承壓含水層一井分層聯合降水的方法，其特徵是，在井管內的隔水層安裝可控止水閥，用於在一井中隔離潛水和承壓水。
3.根據權利要求1所述的基坑潛水與承壓含水層一井分層聯合降水的方法，其特徵是，所述的可控止水閥，在疏幹潛水時關閉可控止水閥保持承壓水中的壓力；當需要降承壓水時，打開可控止水閥。
4.根據權利要求1所述的基坑潛水與承壓含水層一井分層聯合降水的方法，其特徵是，所述的三維地下水滲流與地面沉降確定的有限元計算，步驟如下1)有限元的建模水平方向長度大於(Ll+2R)米，寬度大於(Lw+2R)米，垂直方向應大於(Hcp+Hcd1+Hcf+Hcd2)米，其中為L1基坑長度，Lw為基坑寬度，R為影響半徑，Hcp為潛水含水層的厚度，Hcd1為第一隔水層的厚度，Hcf為承壓含水層的厚度，Hcd2為第二隔水層的厚度；2)初始條件設定潛水含水層的地下水位面設定為初始水頭，各承壓含水層的壓力水頭為各承壓含水層的初始水頭；隔水層中的初始水頭與位於其上的承壓含水層的水頭相同；3)計算中邊界條件設定計算領域的周邊與底部採用不變水頭；4)網格劃分平面上網格劃分應在基坑周圍20米範圍內的網格，向外逐漸放大；5)計算的取水點計算中地下水採取的量分別按網格單元節點的分配；6)以上述模型計算地下水抽取過程中的周圍地層的水位下降範圍及沉降變形的範圍，確定降承壓水時的開挖深度、抽水量、井的口徑及管井數量降水施工方案。
5.根據權利要求4所述的基坑潛水與承壓含水層一井分層聯合降水的方法，其特徵是，所述的按網格單元節點的分配，在疏幹潛水時，承壓含水層的節點上無水量分配；承壓水降壓時，關閉潛水層中的水量節點。
6.根據權利要求4所述的基坑潛水與承壓含水層一井分層聯合降水的方法，其特徵是，所述的網格，豎向劃分應均勻。
全文摘要
本發明是一種地下工程施工技術領域的基坑潛水與承壓含水層一井分層聯合降水的方法。包括以下步驟降水井採用一井結構；疏幹潛水時關閉可控止水閥；通過三維地下水滲流分析有限元確定，並以確定的潛水抽水量及影響半徑；當開挖深入到隔水層，抽取承壓含水層中的水以降低水壓；根據基坑的平面尺寸、開挖深度、地下牆的埋深，含水層構造條件；應用基於三維地下水滲流與地面沉降確定的有限元計算的方法確定降承壓水時的開挖深度、抽水量、井的口徑、數量、水力坡降的影響半徑以及周圍的地面沉降。本發明比現有方法可減少1/3～1/2的布井數量，節省30～50％的降水施工費用，適用於含有潛水層—隔水層—承壓含水層的基坑並需降壓水水頭的降水工程。
文檔編號E02D19/00GK101092818SQ20071004172
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月7日 優先權日2007年6月7日
發明者瀋水龍, 許燁霜, 張金輝, 高世軒, 馬忠政, 蔡寬餘, 周俊峰, 許鋒, 朱繼文 申請人:上海交通大學