Loading [MathJax]/jax/output/SVG/jax.js
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • 美国工程索引(EI)收录期刊
  • Scopus数据库收录期刊

武汉古河道承压水井流理论及在基坑降水中应用

吕斌泉, 冯晓腊, 熊宗海

吕斌泉, 冯晓腊, 熊宗海. 武汉古河道承压水井流理论及在基坑降水中应用[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(3): 533-541. DOI: 10.11779/CJGE202003015
引用本文: 吕斌泉, 冯晓腊, 熊宗海. 武汉古河道承压水井流理论及在基坑降水中应用[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(3): 533-541. DOI: 10.11779/CJGE202003015
LÜ Bin-quan, FENG Xiao-la, XIONG Zong-hai. Theory of artesian well flow in ancient river in Wuhan and its application in foundation pit dewatering[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(3): 533-541. DOI: 10.11779/CJGE202003015
Citation: LÜ Bin-quan, FENG Xiao-la, XIONG Zong-hai. Theory of artesian well flow in ancient river in Wuhan and its application in foundation pit dewatering[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(3): 533-541. DOI: 10.11779/CJGE202003015

武汉古河道承压水井流理论及在基坑降水中应用  English Version

基金项目: 

国家自然科学基金项目 41702336

武汉市政建设集团科技计划项目 wszky201820

详细信息
    作者简介:

    吕斌泉(1994— ),男,硕士,主要从事岩土体稳定性、地下水渗流等方面研究。E-mail:cuglvbinquan@163.com

    通讯作者:

    冯晓腊, E-mail:fengdafxl@126.com

  • 中图分类号: TU46.3

Theory of artesian well flow in ancient river in Wuhan and its application in foundation pit dewatering

  • 摘要: 在分析武汉市古河道特殊水文地质条件的基础上,建立古河道水文地质模型,将古河道承压水井流问题概化为带状承压含水层中地下水向抽水井的运动问题;然后结合镜像法原理,引入吉林斯基势函数,推导出古河道承压、承压-无压完整井稳定流解析表达式。基于此,将其应用于基坑降水工程中,提出适用于古河道承压含水层中基坑涌水量计算方法;最后以武汉梨园广场地下停车场深基坑工程为例进行计算分析,并将结果与传统方法计算结果和实际监测数据分别进行对比,结果显示所述计算方法所得结果与基坑实际涌水量相对误差仅为7.4%,而采用传统大井法相对误差达到54.5%,验证了所提出计算方法的合理性。研究结果对于认识古河道承压含水层地下水井流规律以及指导基坑降水设计具有重要意义。
    Abstract: Based on the analysis of the special hydrogeological conditions of an ancient river in Wuhan, a hydrogeological model for the ancient river is established. The problem of artesian well flow in the ancient river is generalized to that of groundwater movement to pumping wells in belt-like artesian aquifers. Then, based on the principle of mirror method and the potential function, the formulas of steady flow for artesian and artesian-unartesian completely penetrating wells in the ancient river are derived. On this basis, it is applied to the foundation pit dewatering project, and a method for calculating the water inflow of the foundation pit of artesian aquifers in the ancient river is put forward. Finally, taking the deep foundation pit of the underground parking lot of Liyuan Plaza in Wuhan as an example, the calculated results are compared with those of the traditional methods and the actual monitoring data. The results show that the relative error between the calculated results and the actual water inflow of the foundation pit is only 7.4%, while the relative error of the traditional method is 54.5%, which verifies the rationality of the proposed method. The research results are of great significance for understanding the theory of artesian well flow in ancient rivers and for guiding the design of foundation pit dewatering projects.
  • 武汉地处长江和汉江交汇地带,在大规模城市地下空间开发的背景下,其丰富的地下水资源成了地下工程建设中不可忽视的致灾元凶。现阶段武汉市对于地下水渗流规律及处理方法的研究主要集中于长江一级阶地细砂层孔隙承压含水层[1-4],而对于在三级阶地分布较广的古河道承压含水层的研究较少。大量勘察资料表明,武汉市古河道沉积层(砂土、砂卵石层)中赋存有较高水头的承压水,水量丰富,对地下工程尤其是对深基坑开挖有较大影响,如若处理不当极易引发基坑侧壁流水、流土,坑底突涌以及周边地面大幅沉降变形等工程险情。武汉市古河道承压水的研究难点在于:一方面受限于勘察资料,对其空间分布、地层结构以及径流补给条件等地质特性难以全面掌握;另一方面由于古河道边界条件较为复杂,在考虑复杂边界条件下地下水的井流规律研究中,国内外学者们多采用数值模拟的手段[5-8]。而中国工程设计多是基于解析计算进行的,这导致在实际涉及古河道承压水的基坑工程中仍然按照规范[9]中推荐的仅适用于无限含水层的计算方法进行降水设计,因此,有必要对古河道基坑降水的解析计算方法进行研究。Sedghi等[10]推导了裂隙楔形含水层地下水井流的三维半解析解;Wang等[11]应用边界元理论和格林函数法,得到了任意边界条件下有限非均质承压含水层抽水试验半解析解;Zarei-Doudeji等[12]推导了半岛型半无限承压含水层和非承压含水层群井系统的俘获带方程;Chuang等[13]建立了具有河口边界条件的滨海含水层二维分析模型,通过汉克尔变换和有限正弦变换,得到了地下水流动解析解。然而现有研究成果鲜有对两侧为隔水边界的带状半无限承压含水层的井流规律进行深入研究。

    本文通过调研大量工程勘察资料,对武汉市古河道水文地质条件进行全面分析,并据此建立古河道水文地质模型,将古河道承压水井流问题概化为带状承压含水层中地下水向抽水井的运动问题,然后基于镜像法原理,并引入吉林斯基势函数,推导出古河道承压、承压-无压完整井稳定流解析表达式。在此研究基础上,提出了适用于古河道承压含水层基坑涌水量计算方法,最后以武汉梨园广场地下停车场深基坑工程为例进行计算分析,并将计算结果与传统方法计算结果和实际监测数据分别进行对比,验证所提出计算方法的合理性。

    早更新世一中更新世时期,武汉市古河道在断裂多次切割和上游来水侵蚀冲刷的共同作用下逐渐形成、贯通;之后在中更新世新构造运动以及古气候变化的综合影响下,长江、汉江河道发生迁徙改道,废弃的河道被后来的地面物质沉积覆盖,进而形成了典型的埋藏古河道[14]

    武汉市古河道在平面上成宽带状展布,形状近似英文字母“L”,基本发育在第四纪中—晚更新世时期堆积的长江Ⅲ级阶地上,其河床深槽部分切入基岩,贯穿古近系、白垩系、二叠系、石炭系及志留系地层。在现今长江河道鹦鹉洲附近,古河道被截断成两部分,将武汉市古河道划分成汉阳段和武昌段(见图1)。

    图  1  武汉市古河道平面分布示意图
    Figure  1.  Plane distribution map of an ancient river in Wuhan

    汉阳段古河道总体长度约11 km,宽度约400~800 m,平均宽度约为600 m;武昌段古河道总长度约14 km,宽度约500~1500 m,平均宽度约为1000 m。武汉市古河道整体上为从汉阳流向武昌,流向由北西西向在武昌丁字桥附近折向北北东向。古河道流经的范围为:汉江古田桥—锅顶山东麓永安堂—王家湾—十里铺—七里庙—五里墩—汉阳动物园—马鹦路—鹦鹉洲—长江—张之洞路—丁字桥梅苑小区—中南路—湖北饭店—青鱼嘴—梨园—沙湖港。

    古河道范围内从上到下分布的地层可概化为6个单元层:①为人工填土(Qml)和淤泥层(Ql);②为一般黏性土层(Q4al);③为老黏土、粉质黏土和粉质黏土夹碎石层(Q3al+pl);④为中粗砂、粉细砂和黏质砂土层(Q2-3al+pl);⑤为砂夹砾卵石和砾卵石层(Q1-2al+pl);⑥为页岩、灰岩、泥岩、砂岩等岩层。可见古河道地层典型特征为上部覆盖黏土层,中部为砂土、砂卵石层,底部为基岩,沉积物粒度由上到下颗粒逐渐变粗,或者若干层粗细交替,呈现二元结构地层的典型特征[15]。如图2所示,古河道河床过水断面为“U”字形,沉积物在河床区厚度最大,从古河道中心向两侧古河漫滩逐渐变薄,颗粒也逐渐变细。

    图  2  汉阳段古河道地层剖面图
    Figure  2.  Stratigraphic profile of ancient river in Hanyang

    古河道承压含水层(砂土、砂卵石层)层顶埋深一般为13.5~35.5 m,埋深最大处在汉阳十里铺为35.5 m。整体上古河道承压含水层顺流向埋深逐渐减小,平均埋深为21 m。

    古河道含水层河床区纵向厚度变化如图3所示,以地铁楚河汉街站为界,从楚河汉街到沙湖港厚度较小,一般为10~25 m;从汉阳古田桥到中南路厚度较大,一般为40~83 m,最厚处在地铁4号线玉龙站附近可达83 m。整体上古河道含水层顺流向厚度逐渐变小,平均厚度为22.5 m。

    图  3  武汉古河道纵向厚度变化示意图
    Figure  3.  Schematic of change of longitudinal thickness of the ancient river in Wuhan

    古河道含水层纵向承压水位变化特点如图4所示。丰水期承压水位标高在15~23 m,水力坡度较小,约1.1‰~2.8‰;枯水期时水位比丰水期低2~3 m。整体上,古河道承压水水力坡度较为平缓,反映出在天然条件下古河道含水层地下水径流缓慢。古河道承压含水层在长江鹦鹉洲、汉江古田桥、武昌沙湖港附近尖灭在一级阶地中,与长江建立水力联系(见图1)。丰水期古河道承压水接受江水的补给,枯水期向长江排泄。古河道承压水与上覆土层中的潜水、地表湖泊等水体基本不存在直接水力联系,另外其接受基岩裂隙水的顶托补给、排泄量有限。图4中地铁楚河汉街站附近承压水位较低,水位最低处标高仅2.1 m,分析可知该处位于古河道边界附近,含水层厚度较小,富水性较差,造成该处承压水水位较低。这进一步说明了古河道边界对其承压水的渗流、补给有较大影响。

    图  4  古河道承压含水层水位变化示意图
    Figure  4.  Schematic chart of change of water level of artesian aquifer in the ancient river

    为研究古河道承压水井流理论,根据前文对武汉市古河道含水层水文地质特性的描述,建立古河道承压含水层水文地质模型。以隔水边界及抽水实井方位为基准建立平面直角坐标系,为一般化起见,设该抽水实井位于含水层任意位置,其与隔水边界的距离为a,古河道含水层宽度为l,图5所示。值得注意的是,虽然古河道含水层两侧隔水边界是倾斜的,但是由于在尺寸上古河道水平宽度远远大于其深度,并且为了简化计算,故可以将古河道含水层左右倾斜的隔水边界简化成竖直的。

    图  5  古河道承压含水层水文地质模型
    Figure  5.  Hydrogeological model for artesian aquifer in ancient river

    模型的假定条件如下:①含水层为均质、各向同性、等厚且水平分布的含水介质,含水层为弹性体;②渗流满足Darcy定律;③抽水井为完整井,假定地下水沿井壁均匀进水;④古河道含水层概化为侧向为平直隔水边界的带状含水层;⑤无垂向补给、排泄量。

    古河道承压水井流问题本质上是承压水向隔水边界附近井的运动问题。利用镜像法原理,可将有界井流问题转化为无界井流问题,即通过镜像投影,将古河道有界含水层转化为无限含水层,得到无限个关于隔水边界对称的同步工作的抽水虚井[16]。这样带状含水层中一口抽水实井就变成了无限含水层中一组无限井排,如图6所示。

    图  6  古河道承压含水层抽水井的镜像投影
    Figure  6.  Mirror projection of pumping well of artesian aquifer in the ancient river

    根据降深叠加原理[16],古河道含水层中抽水井降水漏斗受隔水边界影响等价于无限井排降落漏斗对其影响的叠加(如图7所示)。古河道中任一点p(x,y)的降深等于无限井排在p(x,y)点产生降深之和,即p(x,y)点降深方程为

    sp=n=i=1spi=n=i=1Q2πTlnRirpi, (1)
    图  7  古河道含水层抽水井降水漏斗
    Figure  7.  Precipitation funnel of pumping well of artesian aquifer in the ancient river

    式中,Q为单井定流量,由于虚井是抽水实井的镜像,则虚井流量与实井流量均为Q,Ri为第i口井的影响半径,rpi为第i口井到p点的距离。

    对于无限井排运用式(1)求解p(x,y)点降深困难较大。并且在现实中,在承压含水层疏干排水或抽水过程中,由于水头降深较大经常使抽水井水位降低到承压含水层顶板以下,而形成承压—无压井流。本文建立的古河道承压含水层水文地质模型同样面临承压—无压井流问题,为克服这一难题,本文引入吉林斯基势函数对古河道承压水稳定井流公式进行推导。吉林斯基势函数最初定义为水平层状介质的势。在该水文地质模型中,对于承压含水层区段,吉林斯基势函数可以写成

    φ=KM(HM/2) (2)

    对于无压含水层段,吉林斯基势函数可以写成

    φ=Kh2/2 (3)

    式中 φ为吉林斯基势函数;K为渗透系数;MH分别为承压含水层的厚度和地下水头高度;h为无压含水层的饱和厚度。

    对于轴对称等厚承压含水层单井径向抽水来说,其流量可用吉林斯基势函数表示

    Q=2πrKMdHdr=2πrdφdr (4)

    对于无压含水层来说,流量可写为

    Q=2πrKhdhdr=2πrdφdr (5)

    可见利用吉利斯基势函数可以使承压区和无压区具有统一表示形式[17]。上式积分得

    φ=Q2πlnr+c (6)

    式中 Q为抽水井单井流量;r为距抽水井距离;c为积分常数,可由边界条件确定。

    由势的叠加原理可知,对于含水层上任一点px,y)的势等于所有抽水虚实井各自势的叠加:

    ϕ=ϕ1+ϕ2+...+ϕn=n=1ϕn (7)

    图6所示,为方便计算,根据对称性,将无限井排分成两组分别进行计算,最后将两组的叠加势求和,即得点px,y)的势。一组为“右井排”,各井到p点的距离为r,r±1,r±2.....r±n,其叠加势为ϕ;另一组为“左井排”,各井到p点的距离为r,r±1,r±2.....r±n,其叠加势为ϕ。将两组的叠加势求和即得点px,y)的势:

    ϕ=ϕ+ϕ (8)

    接下来以右井排为例,对势函数ϕ进行推导。

    对于右井排的叠加势函数:

    ϕ=ϕ+ϕ1+ϕ1...+ϕn+ϕn=ϕ+n=1(ϕn+ϕn) (9)

    将式(6)代入式(9),可得

    φ=Q2πlnr+n=1Q2πlnrnrn+C=Q4πln(r2n=1rn2rn2)+C, (10)

    式中,ri为右井排中第i口井距任一点px,y)的距离。

    图6所示,其直角坐标关系式如下:

    r=(xa)2+y2rn=(xa2nl)2+y2rn=(xa+2nl)2+y2

    则将式(10)代入直角坐标关系式换算得

    φ=Q4πln{[(xa)2+y2]n=1[(xa2nl)2+y2][(xa+2nl)2+y2]}+C (11)

    对式(11)引入虚数将平方和写成积的形式:

    φ=Q4πln{[(xa)2+y2]n=1[(xa2nl)2+y2][(xa+2nl)2+y2]}+C=Q4πln{(2lπ)2(xa+yi)π2ln=1[1(xa+yi)2(2nl)2]×(xayi)π2ln=1[1(xayi)2(2nl)2]}+C (12)

    x为任意值时有

    sinx=xn=1(1x2n2π2) (13)

    将式(13)代入式(12),可得

    φ=Q4πln[(2lπ)2sin(xa+yi)π2lsin(xayi)π2l]+C=Q4πln{(2lπ)212[cosyiπlcos(xa)πl]}+C (14)

    根据欧拉公式,可得到cos(ix)=coshx。可将上式中虚数消除。式中cosh为双曲余弦函数,也可用ch表示,chx=ex+ex2

    则可推导出右井排对古河道含水层中任一点p的叠加势函数为

    φ=Q4πln{2lπ22[chyπlcos(xa)πl]}+C (15)

    同理可推导出,左井排对古河道含水层中任一点p的叠加势函数为

    φ=Q4πln{2lπ22[chyπlcos(x+a)πl]}+C (16)

    将式(15),(16)代入式(8)中,得到点p(x,y)处势函数表达式:

    φ=Q4πln{4lπ44[chyπlcos(xa)πl][chyπlcos(x+a)πl]}+C   (17)

    式(17)即为在古河道含水层中任一点的势函数表达式。

    根据边界条件:

    ①当px,y)点位于x轴,且位于抽水井壁,即x=arω,y=0时:

    φω=Q4πln{4lπ44[1cosrωπl][1cos(2arω)πl]}+C, (18)

    式中,φω为抽水井井壁处势函数,rω为抽水井井径。

    ②设px,y)点与抽水井横坐标一致,且水位H=H0,恰好稳定在初始水头,即x=a,y=R

    φR=Q4πln{4lπ44[chRπl1][chRπlcos2aπl]}+C, (19)

    式中,ϕR为抽水井影响半径以外势函数,R为影响半径。

    由式(17)式与式(18)相减,可得

    φφω=Q4πln(chyπlcos(xa)πl)(chyπlcos(x+a)πl)(1cosrωπl)(1cos(2arω)πl) (20)

    对于承压段含水层完整井稳定流:

    φφω=KM(HHω) (21)

    由式(20)和式(21)联立可得

    HHω=sωs=Q4πKMln(chyπlcos(xa)πl)(chyπlcos(x+a)πl)(1cosrωπl)(1cos(2arω)πl) (22)

    进而推导出

    s=sω+Q4πKMln(1cosrωπl)(1cos(2arω)πl)(chyπlcos(xa)πl)(chyπlcos(x+a)πl) (23)

    式中 sp点水位降深;sω为抽水井水位降深;a为抽水井距古河道边界距离;l为古河道宽度。

    式(23)即为古河道承压水完整井稳定流解析表达式。

    另外根据边界条件①、②,将式(18)和式(19)式联立,可得

    φRφω=Q4πln(chRπl1)(chRπlcos2aπl)(1cosrωπl)(1cos(2arω)πl)  (24)

    进而推导出

    sω=Q4πKMln(chRπl1)(chRπlcos2aπl)(1cosrωπl)(1cos(2arω)πl) (25)

    式中参数如前文所述。

    该式即为考虑含水层影响半径时,古河道承压水完整井稳定流解析表达式。

    对于无压段含水层完整井稳定流:

    φRφω=12K[(2H0M)Mh2] (26)

    将上式代入式(24)可导出

    (2H0M)Mh2=Q2πKln(chRπl1)(chRπlcos2aπl)(1cosrωπl)(1cos(2arω)πl)  (27)

    上式即为古河道承压—无压完整井稳定流解析表达式。

    基坑降水设计计算的核心是基坑涌水量的估算,最终需要得到的设计方案是降水井的数量和布置[18]。而对古河道承压含水层中基坑涌水量的计算难点在两方面,一方面是对水文地质参数(含水层渗透系数和影响半径)的确定;另一方面,工程中广泛采用的传统大井法理论推导的计算公式并不适用于古河道承压含水层。如对于承压-无压完整井基坑涌水量的计算,其公式[9]如下:

    Q=πK[(2H0M)Mh2]lnr0+Rr0  (28)

    式中 Q为基坑涌水量;H0为基坑初始水位至含水层底板的深度;h为基坑动水位至含水层底板的深度;r0为基坑等效半径,r0=A/π 

    对于古河道承压含水层中水文地质参数的计算,根据前文对古河道承压水井流理论的研究,利用古河道承压水稳定井流公式(23),可进一步推导出:在古河道承压完整井多孔抽水试验中,仅有一个观测孔(井)的试验资料时,含水层渗透系数的计算公式如下式:

    K=Q4πM(sωs)ln(chyπlcos(xa)πl)(chyπlcos(x+a)πl)(1cosrωπl)(1cos(2arω)πl) (29)

    运用该式进行渗透系数计算时,需按照图6所示建立直角坐标系,确定观测孔(井)的横纵坐标x,y;根据勘察资料确定抽水井距古河道边界的距离a、古河道宽度l、含水层厚度M;式中其他参数取值按抽水试验实测数据为准。

    对于古河道承压含水层影响半径的计算,建议采用经验公式——吉尔哈特式求取:

    R=10swK。(30)

    以大井法理论为基础,即将基坑概化为一口大井,结合前文推导的式(25),(27)可进一步导出古河道承压含水层基坑涌水量计算公式。

    (1)承压水完整井基坑涌水量计算式

    Q=4πKMSln(chRπl1)(chRπlcos2aπl)(1cosr0πl)(1cos(2ar0)πl)  (31)

    (2)承压-无压完整井基坑涌水量计算式

    Q=2πK[(2H0M)Mh2]ln(chRπl1)(chRπlcos2aπl)(1cosr0πl)(1cos(2ar0)πl), (32)

    式中,S为基坑地下水位的设计降深。

    下文将以武昌梨园广场公共停车场基坑工程为例,验证前文所提出计算方法的合理性。拟建工程位于武汉市北环路、南环路、东湖路及环湖路之间。项目主体南北向长约125 m,东西向长约165 m,占地面积约20531 m2,地面标高在23.0~25.3 m,基坑开挖深度为10.4~14.65 m。

    研究区地貌单元属于长江冲洪积三级阶地,地势较为平坦。区内表层为人工填土层,其下地层呈现典型古河道地层结构特点,从上到下依次为第四系全新统一般黏性土层、上更新统冲洪积老黏土层及上更新统圆砾层,下伏志留系泥岩。区内基岩面起伏较大,使得(12-2)圆砾层厚度分布不均,在2.8~35.4 m。场地地层分布详见图8

    图  8  梨园广场停车场地层剖面图
    Figure  8.  Stratigraphic profile of underground parking lot of Liyuan Plaza

    场地内地下水主要为上层滞水、孔隙承压水及基岩裂隙水。影响基坑开挖的主要是赋存于圆砾层中的孔隙承压水,据前文对武汉市古河道水文地质概况研究可知,场地内承压水通过长江一级阶地与长江发生水力联系。测得场地内枯水期承压水位标高为16~16.40 m,年度变幅5~6 m,对拟建工程影响较大。基坑开挖后坑底标高为10.65 m,位于(12-2)层圆砾层中。

    因场地(12-2)圆砾层厚度分布由西到东厚度逐渐变大,故在基坑东侧含水层厚度较大处进行抽水试验。试验井设计实管长度均为17 m,滤管长度为14~23 m,均为完整井。本次试验共施工5口试验井,井位布置顺古河道流向,井位布置如图9所示。共进行1组1个落程的抽水试验,其中J24号井作为抽水井,J23、J08、J25、J26 共4口降水井作为观测井。抽水试验期间同步观测4口观测井的水位变化,试验井水位及降深见表1。单井涌水量较为稳定,约45 m3/h(见图10)。从试验井降深随时间变化曲线(见图11)可知,其降深值在较短时间内便稳定,形成稳定流。

    图  9  井位布置图
    Figure  9.  Layout of wells
    表  1  单井抽水试验数据表
    Table  1.  Data table of single-well pumping test  (m)
    类别井编号静水位标高水位降深稳定水位标高
    抽水井J2417.6011.985.62
    观测井J2317.554.4013.15
    J0817.554.8212.71
    J2517.604.2613.34
    J2617.602.1215.48
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格
    图  10  单井抽水试验s-t
    Figure  10.  s-t diagram of single-well pumping tests
    图  11  单井抽水试验Q-t
    Figure  11.  Q-t diagram of single-well pumping test

    (1)水文地质参数求取

    根据现场抽水试验数据,采用式(29)求取含水层综合渗透系数。计算参数取值:单井流量取Q=1080 m3/d;含水层厚度取最不利钻孔M=35.4 m;观测井到抽水井距离r据实测确定;基坑东侧临近古河道边界,根据勘察资料,确定基坑距古河道边界距离a=100 m,古河道宽度l=1000 m;以古河道东侧边界为y轴,过抽水井J24确定x轴,建立直角坐标系,以确定各试验井横纵坐标。其他参数取值及计算结果如表2所示,算得古河道承压含水层综合渗透系数为K=3.48 m/d。用经验公式(30)计算含水层影响半径R=223 m。

    表  2  渗透系数计算表
    Table  2.  Calculation of permeability coefficient
    井号Q/(m3·d-1)r/ms/ma/ml/mM/mxyK/(m·d-1)
    J2410800.12511.98100100035.41050
    J2321.2274.4112213.41
    J0819.3574.82101163.11
    J2525.6214.26111263.51
    J2648.9412.12112494.90
    均值3.48
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    (2)基坑涌水量计算

    考虑到基坑基底坐落于(12-2)圆砾层中,基坑降水拟采用疏干减压法,以保证降深达到安全水位(基底以下1 m)。需要说明的是,由于含水层的厚度分布不均,不可避免实际布井中少部分降水井为非完整井,但是考虑降水井大多数为完整井以及含水层计算厚度取最大值,所以该基坑降水井群可视为完整井井群。则基坑涌水量的计算采用前文所推导的古河道含水层承压-无压完整井基坑涌水量计算公式(32)进行计算。同时采用传统大井法计算公式(28)进行对比计算。计算参数取值:基坑设计降深S=12.75 m;按最不利钻孔数据基岩面标高-21.4 m,静水位取丰水期最高水标高位22.4 m,以计算H0,h。其他参数取值及两种方法基坑涌水量计算结果如表3所示。

    表  3  基坑涌水量计算表
    Table  3.  Calculation of water inflow of foundation pit
    方法K/(m·d-1)M/mH0/mh/mR/mr0/mA/ml/mQ/(m3·d-1)
    本文计算方法3.4835.443.831.052238110010004898.2
    传统大井法3.3135.443.831.052188110010007044.7
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    表3可知,按本文提出适用于古河道承压含水层的基坑涌水量计算方法,得到Q=4898.2 m3/d与按照传统大井法计算所得Q=7044.7 m3/d,相对误差达到在43.8%,可见两种方法计算结果相差较大。而根据实际监测数据,当基坑动水位达到设计降深时(基底以下约1 m),最多开启19口降水井同时抽水,其单井抽水量为240 m3/d,简单计算可知基坑实际涌水量约为4560 m3/d。

    运用本文所述计算方法所得结果与基坑实际涌水量相对误差仅为7.4%,而用传统大井法方法计算所得相对误差达到54.5%。可见本文所述计算方法更适用于古河道承压含水层中基坑涌水量计算,据此进行的基坑降水设计更为准确合理。对基坑涌水量的合理估算,既可以避免因对其预估过大,增加不必要的施工成本,又能防止基坑降水过程中承压水超降而引起周边地面沉降过大。

    (1)从古河道承压含水层平面分布、地层结构特点、层顶埋深、厚度变化及其径流补给排泄条件等方面介绍了武汉市古河道水文地质概况,并据此建立了古河道承压含水层水文地质模型,将古河道承压水井流问题概化为带状承压含水层中地下水向抽水井的运动问题,然后结合镜像法原理,引入吉林斯基势函数,推导出古河道承压、承压—无压完整井稳定流解析表达式。

    (2)基于大井法理论,应用古河道承压含水层完整井稳定流解析表达式,优化古河道基坑工程降水设计方法,提出一整套适用于古河道承压含水层的渗透系数计算公式和基坑涌水量计算公式,并结合工程实例进行验证,将计算结果与传统方法计算结果和实际基坑涌水量分别进行对比。结果表明采用传统计算方法对基坑涌水量预估过大,这不但导致降水设计过于保守,增加不必要的浪费,而且存在对基坑承压水超降而引起周边地面沉降过大的风险;而采用优化后古河道基坑工程降水设计方法,基坑涌水量计算误差更小,降水设计更为准确合理,兼具经济性和安全性。

    (3)当古河道承压含水层厚度较大时,采用非完整井降低承压水头更为实际可行。本文对于古河道承压含水层非完整井流公式的研究尚有欠缺。

  • 图  1   武汉市古河道平面分布示意图

    Figure  1.   Plane distribution map of an ancient river in Wuhan

    图  2   汉阳段古河道地层剖面图

    Figure  2.   Stratigraphic profile of ancient river in Hanyang

    图  3   武汉古河道纵向厚度变化示意图

    Figure  3.   Schematic of change of longitudinal thickness of the ancient river in Wuhan

    图  4   古河道承压含水层水位变化示意图

    Figure  4.   Schematic chart of change of water level of artesian aquifer in the ancient river

    图  5   古河道承压含水层水文地质模型

    Figure  5.   Hydrogeological model for artesian aquifer in ancient river

    图  6   古河道承压含水层抽水井的镜像投影

    Figure  6.   Mirror projection of pumping well of artesian aquifer in the ancient river

    图  7   古河道含水层抽水井降水漏斗

    Figure  7.   Precipitation funnel of pumping well of artesian aquifer in the ancient river

    图  8   梨园广场停车场地层剖面图

    Figure  8.   Stratigraphic profile of underground parking lot of Liyuan Plaza

    图  9   井位布置图

    Figure  9.   Layout of wells

    图  10   单井抽水试验s-t

    Figure  10.   s-t diagram of single-well pumping tests

    图  11   单井抽水试验Q-t

    Figure  11.   Q-t diagram of single-well pumping test

    表  1   单井抽水试验数据表

    Table  1   Data table of single-well pumping test  (m)

    类别井编号静水位标高水位降深稳定水位标高
    抽水井J2417.6011.985.62
    观测井J2317.554.4013.15
    J0817.554.8212.71
    J2517.604.2613.34
    J2617.602.1215.48
    下载: 导出CSV

    表  2   渗透系数计算表

    Table  2   Calculation of permeability coefficient

    井号Q/(m3·d-1)r/ms/ma/ml/mM/mxyK/(m·d-1)
    J2410800.12511.98100100035.41050
    J2321.2274.4112213.41
    J0819.3574.82101163.11
    J2525.6214.26111263.51
    J2648.9412.12112494.90
    均值3.48
    下载: 导出CSV

    表  3   基坑涌水量计算表

    Table  3   Calculation of water inflow of foundation pit

    方法K/(m·d-1)M/mH0/mh/mR/mr0/mA/ml/mQ/(m3·d-1)
    本文计算方法3.4835.443.831.052238110010004898.2
    传统大井法3.3135.443.831.052188110010007044.7
    下载: 导出CSV
  • [1] 范士凯, 杨育文. 长江一级阶地基坑地下水控制方法和实践[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(增刊1): 63-68. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC2010S1013.htm

    FAN Shi-kai, YANG Yu-wen. Groundwater control and practice of deep foundation pits in terrace along Yangtze River[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(S1): 63-68. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC2010S1013.htm

    [2] 徐杨青, 朱小敏. 长江中下游一级阶地地层结构特征及深基坑变形破坏模式分析[J]. 岩土工程学报, 2006, 28(增刊1): 1794-1798. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC2006S1109.htm

    XU Yang-qing, ZHU Xiao-min. Structural characteristics of the first terrace strata in the middle and lower reaches of the Yangtze River and analysis of deformation and failure modes of deep foundation pits[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(S1): 1794-1798. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC2006S1109.htm

    [3] 蔡娇娇, 冯晓腊, 李滕龙, 等. 武汉一级阶地基坑降水引起土层水位变化及压缩变形研究[J]. 水文地质工程地质, 2018, 45(2): 90-95. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SWDG201802014.htm

    CAI Jiao-jiao, FENG Xiao-la, LI Teng-long, et al. Study on the variation of soil water level and compression deformation caused by dewatering of first-order foundation pits in Wuhan[J]. Hydrogeology, Engineering Geology, 2018, 45(2): 90-95. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SWDG201802014.htm

    [4] 马郧, 徐光黎, 刘佑祥. 长江I级阶地某深基坑地下水控制分析[J]. 安全与环境工程, 2012, 19(5): 144-149. doi: 10.3969/j.issn.1671-1556.2012.05.036

    MA Yun, XU Guang-li, LIU You-xiang. Groundwater control analysis of a deep foundation pit in Grade I terrace of the Yangtze River[J]. Safety and Environmental Engineering, 2012, 19(5): 144-149. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-1556.2012.05.036

    [5] 童立元, 郑灿政, 张明飞, 等. 地铁车站止水帷幕对南京秦淮河古河道地下水流场的影响分析[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2016, 46(增刊1): 190-196. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DNDX2016S1034.htm

    TONG Li-yuan, ZHENG Can-zheng, ZHANG Ming-fei, et al. Analysis of the influence of water stop curtain on the groundwater flow field of the ancient Qinhuai River in Nanjing[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2016, 43(S1): 190-196. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DNDX2016S1034.htm

    [6] 徐耀德, 童利红. 利用Modflow预测某基坑降水引起的地面沉降[J]. 水文地质工程地质, 2004(6): 96-98. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SWDG200406022.htm

    XU Yao-de, TONG Li-hong. Prediction of land subsidence caused by dewatering of a foundation pit by Modflow[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2004(6): 96-98. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SWDG200406022.htm

    [7]

    TAN C C, TUNG C P, TSAI T C. Applying zonation methods and tabu search to improve the ground-water modeling[J]. Journal of the American Water Resources Association, 2008, 44(1): 107-120.

    [8] 尹盛斌, 丁红岩. 软土基坑开挖引起的坑外地表沉降预测数值分析[J]. 岩土力学, 2012(4): 1210-1216. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201204038.htm

    YIN Sheng-bin, DING Hong-yan. Numerical analysis of estimation of ground surface settlement outside pit induced by soft-soil excavation[J]. Geotechnical Mechanics, 2012(4): 1210-1216. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201204038.htm

    [9] 建筑基坑支护技术规程:JGJ120—2012[M]. 2012.

    Technical Regulations for Foundation Pit Support of Buildings: JGJ120—2012[M]. 2012. (in Chinese)

    [10]

    SEDGHI M M, SAMANI N. Three-dimensional semi- analytical solutions of groundwater flow to a well in fractured wedge-shaped aquifers[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2010, 15(12): 974-984.

    [11]

    WANG L, DAI C, XUE L. A semianalytical model for pumping tests in finite heterogeneous confined aquifers with arbitrarily shaped boundary[J]. Water Resources Research, 2018, 54(4): 3207-3216.

    [12]

    ZAREI D S, SAMANI N. Capture zone of a multi-well system in bounded peninsula-shaped aquifers[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2014, 164: 114-124.

    [13]

    CHUANG M H, YEH H D. An analytical solution of groundwater flow in wedge-shaped aquifers with estuarine boundary conditions[J]. Water Resources Management, 2018, 32(15): 5027-5039.

    [14] 邓健如, 伍维周. 长江武汉河段的形成和贯通时间[J]. 湖北大学学报(自科版), 1992(4): 414-418. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HDZK199204023.htm

    DENG Jian-ru, WU Wei-zhou. Formation and running-through time of Wuhan Reach of Yangtze River[J]. Journal of Hubei University (Self-Science Edition), 1992(4): 414-418. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HDZK199204023.htm

    [15] 李英, 何忠泽, 严桂华, 等. 武汉二元结构地层基坑降水及其地面沉降研究[J]. 岩土工程学报, 2012, 34(增刊1): 767-772. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC2012S1149.htm

    LI Ying, HE Zhong-ze, YAN Gui-hua, et al. Study on dewatering and land subsidence of foundation pit in dualistic structure stratum[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(S1): 767-772. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC2012S1149.htm

    [16] 陈崇希, 林敏. 地下水动力学[M]. 5版.北京: 地质出版社, 2011.

    CHEN Chong-xi, LIN Min. Groundwater Dynamics[M]. 5th ed. Beijing: Geological Press, 2011. (in Chinese)

    [17]

    CHEN C, HU L, WANG X. Analysis of steady ground water flow toward wells in a confined‐unconfined aquifer[J]. Groundwater, 2010, 44(4): 609-612.

    [18] 刘国彬, 王卫东. 基坑工程手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009.

    LIU Guo-bin, WANG Wei-dong. Manual of Foundation Pit[M]. Beijing: China Architecture Building Press, 2009. (in Chinese)

  • 期刊类型引用(11)

    1. 李冲,王科学,高嵛飞,郑斌,周喻. 刚波夫主矿体水文地质条件及矿坑涌水量研究. 矿业研究与开发. 2025(04): 164-171 . 百度学术
    2. 黄帅. 基于数值模拟的超深基坑降水技术及变形研究. 地下水. 2024(02): 47-49 . 百度学术
    3. 陈政. 复杂地质条件下水利工程高水位深基坑降排水施工方法研究. 甘肃科学学报. 2024(03): 100-106 . 百度学术
    4. 刘树佳. 上海地区特深圆形竖井开挖承压水控制技术及效果. 水资源与水工程学报. 2023(01): 127-134 . 百度学术
    5. 热西提·米吉提. 阿图什环球铁选矿厂取退水影响分析. 水利科学与寒区工程. 2023(06): 81-83 . 百度学术
    6. 曾超峰,张祖浩,高文华,蔡钢,朱龙,陈宏波,薛秀丽,贺建清. 坑外群桩阻隔效应对基坑内抽水引发变形影响机制. 岩土工程学报. 2023(11): 2378-2386 . 本站查看
    7. 刘动 ,李韵迪 ,方润林 ,林国浮 . 岩溶地区深基坑地下水控制研究. 工程勘察. 2022(10): 48-53 . 百度学术
    8. 冯庆高,蔡兵华,冯晓腊,袁祥. 侧向有限越流承压含水层中非完整井非稳定流模型及解析解. 岩土力学. 2021(01): 168-176 . 百度学术
    9. 邓忠,廖培涛,秦平亮,唐勇臣,康志强. 大藤峡水库对广西盘龙铅锌矿矿坑涌水量影响预测. 中国岩溶. 2021(02): 198-204 . 百度学术
    10. 范丹丹,陈群,亓立成,王琛. 由抽水试验计算砂卵石含水层渗透系数的方法对比. 水利水运工程学报. 2021(04): 54-60 . 百度学术
    11. 冯晓腊,崔德山,熊宗海,莫云. 武汉软土地层特点及深基坑降水研究新进展. 四川建筑科学研究. 2020(S1): 9-17 . 百度学术

    其他类型引用(12)

图(11)  /  表(3)
计量
  • 文章访问数:  296
  • HTML全文浏览量:  17
  • PDF下载量:  243
  • 被引次数: 23
出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-04
  • 网络出版日期:  2022-12-07
  • 刊出日期:  2020-02-29

目录

/

返回文章
返回