CN114658018A - 水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法，属水利工程技术领域，考虑基坑四周的隔水边界条件，建立水流补给函数，在基坑外周边虚拟布置多个轻型井点，建立水流流失函数；水流补给函数和水流流失函数组合成为坑内外水流联系的完整计算函数；通过完整计算函数计算需要布置的轻型井点的数量；通过渗水流场函数计算基坑最深水位深度和基坑抽吸井点的埋设深度；基于总涌水量，计算基坑抽吸井点的数量；按照轻型井点的数量、抽吸井点的数量以及抽吸井点的埋设深度进行降排水系统施工，使水利工程的降排水施工方案满足优化目标的要求。

Description

水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法

技术领域

本发明涉及一种水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法，属水利工程技术领域。

背景技术

在基坑施工中，地下水问题长期困扰着广大学者和施工人员，己成为工程施工中的一大障碍。在某些地下水位较高的区域，土方开挖导致含水层断裂，由于压力差的作用，基坑中必然会流入大量地下水。若不及时进行降排水工作，基坑的持续渗水将造成现场施工条件变差以及地基承载力下降，甚至还会引起管涌、流砂和边坡失稳等险情。在暗挖段较多且降水不到位的基础工程中，侧壁滞留水很可能直接影响到暗挖施工的进度和安全；而对于支护结构与主体结构之间没有肥槽和有效防水材料的明挖段，降水效果的要求同样较严格。深基坑施工和其他开挖工程有所不同，一方面，基础工程大多在地下水位以下，点多、面广且工期长；另一方面，绝大部分基础施工位于繁华地带，务必要考虑周边高楼林立、地下管线密集的影响;施工中必须处理好和用地、交通的关系，密切关注周围建(构)筑物和道路沉降量，同时保证地下各类管线的安全。另外，对于降水面积较大、时间较长的工程，还要系统分析其对地下水资源和周围环境的影响，制定有效的防治预案。因此，深基坑工程降水是一个与工程质量、进度、安全密切相关的系统工程，降水效果好坏对基坑施工安全关系重大，需认真对待并采取有效的降排水措施。

轻型井点降水技术对降水工程来说既简单有效又至关重要。在高层建筑、市政工程、港口水利工程或特种工程的建设中，都会经常遇到小面积、低水位的基坑，而轻型井点技术的应用己是屡见不鲜。随着现代城市化发展，遍地的高层建筑造成施工场地更为狭窄，基坑的降水工作显得尤为关键。而轻型井点降水法易操作、小空间的特点恰好顺应发展趋势，高效率、低成本降水的同时保证了工程质量、进度和安全，是众多基坑降水方法中最受欢迎的降水技术之一。

轻型井点降水法分为一级轻型井点、二级轻型井点以及多级轻型井点，是目前国内最受欢迎的降水方法之一。轻型井点降水技术以真空原理为基础，把土体中的地下水与空气混合成液体，利用真空泵将混合液体经管路抽进水气分离器中，然后通过离心泵再把混合液体分离，使地下水和空气分别排出管路系统，最终达到降低地下水位的目的。轻型井点降水法的井点间距较小，凭借其真空压力能改变地下水的流向，有效阻止地下水流入基坑；同时还可以最大限度减少地下残留滞水，保证边坡和桩间土的稳定性。

例如专利文献CN 201811601545.2，提出了一种水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法，包括基坑地质数据采集，对获取的各项数据进行分类汇总，并绘制数据统计列表和基坑施工位置地质剖面图；设计校核管井布局方案，据已确定的布井位置，按水位降落漏斗区的降水曲线顶面必须低于基底高程1.0m来反求井底水面线，从而可得出井底水面线高程；管井出水量校核及管井施工作业，在完成轻型井点施工后接通总管和抽水系统，进行试抽，检查抽水效果。但是该技术方案虽然简化了排水施工作业的施工量，但是基坑施工作业的效率和质量仍有待提高。

例如专利文献CN201310068635.0，提出了一种基坑施工管井降水方法，为沿基坑周围距基坑外缘1.5m布置，在基坑左右侧各布置一排管井，每侧布置3口井，管井布置数量根据降水的效果增加或减少。井中心距离建筑物边线为1.5m，井间距为7m，井口直径为600mm，井管分节安装，随基坑开挖逐节拆除至开挖面以上30cm，结构施工期间井内常水位高程控制在48.0m以下，以保证土体地下水位低于基坑底面0.5m。施工程序为：井位放样→做井口、安护筒→钻机就位、钻孔→回填井底砂垫层→吊放井管→回填管壁与孔壁间的过滤层→安装抽水控制电路→试抽→降水井正常工作，其目的在于采用在地下水位较高地区进行基础施工，降低地下水位，为基础结构施工提供一个干燥的作业环境。但是该技术方案随着基坑的开挖越来越深、面积越来越大，基坑围护结构的设计和施工越来越复杂，施工单位没有足够的技术力量来解决复杂的基坑稳定、变形和环境保护问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法，包括：

考虑基坑四周的隔水边界条件，建立水流补给函数；

在基坑外周边虚拟布置多个轻型井点，建立水流流失函数；

所述水流补给函数和水流流失函数组合成为坑内外水流联系的完整计算函数；

通过所述完整计算函数计算需要布置的所述轻型井点的数量；

通过渗水流场函数计算基坑最深水位深度和基坑抽吸井点的埋设深度；

基于总涌水量，计算基坑抽吸井点的数量；

按照所述轻型井点的数量、抽吸井点的数量以及抽吸井点的埋设深度进行降排水系统施工。

进一步地，所述水流补给函数为：

；

所述水流流失函数为：

；

式中，h为t时刻坐标为(x,y)的节点的水位；q(t)为t时刻坑内单位面积所接受的 平均水流补给量；B为坐标(x,y)处含水层底板标高；N为轻型井点的数量，W为抽吸井点的数 量，k_x、k_y为x、y方向的渗透系数；x_w、y_w为抽吸井点的坐标；Q_w为抽吸井点流量，

为奇异函数；q_N为单个轻型井点的抽水量，x_N、y_N为轻型井点坐标。

进一步地，降水开始时，q(t)等于零，求解水流补给函数，得第一时段末坑内各节点水位,同时坑外各节点初始水位已知；

对坑内各节点水位进行平均，得平均水位hm；计算坑外节点水位的平均值，得平均水位Hm；

计算坑外对坑内单位面积上的平均水流补给量q：

q=b（Hm–hm）/(d₁+2d₂) ；

b为d₁、d₂范围内土体竖向渗透系数的加权平均值；

根据平均水流补给量q求解水流补给函数，得下一时段末坑内各节点的水位值；

令q′= qA；其中，A为基坑侧面积，q′为基坑外周边轻型井点抽水量的总和，令水流流失函数中的q_N = q′/N ，其中N为坑外轻型井点的数量；求解水流流失函数得下一时段末坑外各节点水位；

重复上面计算过程，直至计算时段结束。

进一步地，所述通过渗水流场函数计算基坑最深水位深度和基坑抽吸井点的埋设深度包括：

z为距离抽吸井点轴x处的流场高度，计算渗水断面平均流速v=k×dz/dx，k为渗透 系数，基坑侧面积为A，

；

渗水断面的出水量：

，

分离变量,两边进行积分：

；

；

取边界条件x=R,z=H求得：

；

代入C得渗水流场函数：

；

根据水位深度z，取最深水位深度z_m，

则埋设深度H≥z_m。

进一步地，根据总涌水量Q,设利用系数为1.1，计算抽吸井点的数量W=1.1Q/p；p为单个抽吸井点的管井抽吸量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基坑管井结合轻型井点模型的俯视结构示意图。

图2为本发明的基坑管井结合轻型井点模型的剖面示意图。

图3为本发明的水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法流程图。

图4为本发明另一实施例的基坑管井结合轻型井点模型的俯视结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在满足基坑管井施工要求的前提下，考虑基坑管井的四周条件及基坑内外的水流联系，对于坑外、坑内所接受的水流补给量，虚拟地在基坑外周边布置一系列降水井点，做出优化设计，使水利工程的降排水施工方案满足优化目标的要求。

如图１所示为本发明基坑管井系统的俯视结构示意图，基坑管井系统分为坑内、坑外两个部分，坑内、坑外通过基坑防护结构分开，基坑防护结构的外围虚拟的设置有多个轻型井点，基坑防护结构的内圈设置有多个抽吸井点。

基坑管井系统开挖后，含水层被切断，破坏了地下水的平衡，地下水水面与基坑的底面存在水压差，产生渗水，水流的流动轨迹形成流场，同时地下水在土壤中的流动，土体对水产生阻力，水对土产生反力，即渗透压力。

为了保证施工的正常进行，防止基坑管井系统的边坡塌方、基坑承载力的下降，克服流沙、管涌、坑底突涌等地下水的不良影响，必须进行基坑降排水设计。

首先，考虑基坑内外的水流联系，分别进行坑内、坑外平面有限元分析，用从坑外到坑内的水流量把两部分联系起来。

有限元分析是基于剖分离散和分块插值法，将连续求解的区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元组合体，利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。

未知场函数或其导数在各个节点上的数值成为新的未知量，求出这些未知量，通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。

随着单元数目的增加，解的近似程度将不断改进，如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。对渗水问题即剖分研究区域，用比较简单的函数来构造每个子区域中的水流函数表达式，并集合起来形成线性函数组，最后求解得到原来渗水区域的解。

具体地，对于坑内，考虑基坑四周的隔水边界条件，建立水流补给函数。

隔水边界条件是指地下水渗水场周围边界上流动元（水头、速度或速度势）的状态。边界指的是上下方向和四周方向渗水场与非渗水场的交界面；边界上流动元的状态是指从一开始一直到需要计算的时刻为止边界上的全部状态。隔水边界条件用于表明渗水场内流动元不断受到边界上的影响。

设t时刻坑内单位面积所接受的坑外平均水流补给量为q(t)，则水流补给函数如下：

；

式中，h为t时刻坐标为(x,y)的节点的水位；B为坐标(x,y)处含水层底板标高；W为 抽吸井点的数量，k_x、k_y为x、y方向的渗透系数；x_w、y_w为抽吸井点的坐标；Q_w为抽水井点的流 量，抽水时Q_w为正，回灌时Q_w为负；

为奇异函数，自变量均为零时，奇 异函数值为1，否则为零，其目的是将抽吸井点的流量Q_w转化为计算面积上的平均函数。

含水层底板标高B，是一个无流量变换的水平面。实际工程中，含水层底板可能是粘土或者岩石顶面，它通常不是一个理想的水平面，在水流补给函数中输入的含水层底板标高是区域含水层底板。对局部区域，可以通过采用非均质元来选择不同含水层底板标高。

进一步地，水流补给函数中，

；

N为坑外轻型井点的数量；S2为第二流量边界，即基坑防护结构。

；

h₀(x，y)为降水前坐标(x，y)处的初始水位，

为t=0时刻坐标为 (x，y)的节点的水位。

对于坑外，坑内所接受的水流补给量实际为坑外的水流损失量，则建立水流流失函数，据此分析如何虚拟地在基坑外周边布置一系列轻型井点。

令多个抽吸井点的总抽水量等于坑外的总水流损失量。坑外的计算边界须取的远一些，作为第一流量边界，则水流流失函数如下：

；

q_N为单个轻型井点的抽水量，x_N、y_N为轻型井点坐标。

；

S1和 h₁(x，y，t)分别表示第一流量边界和第一流量边界处的水位。

上述两个水流补给函数和水流流失函数组合起来则为考虑坑内外水流联系时的完整计算函数，降水开始时q(t)等于零，求解水流补给函数，得第一时段末坑内各节点水位，同时坑外各节点初始水位已知；对坑内各节点水位进行平均，得平均水位hm；计算坑外一定范围内的节点水位的平均值，得平均水位Hm，该范围是指降水所能影响到的范围。

计算该时段内，坑外对坑内单位面积上的平均水流补给量q，也就是水流补给函数中的q(t)的平均值，q按下式进行计算：

q=b（Hm–hm）/(d₁+2d₂) ；

b为图2中深度为d₁和d₂两个范围的土体竖向渗透系数的加权平均值，据平均水流补给量q求解水流补给函数，得下一时段末坑内各节点的水位值；

令q′= qA；其中，A为基坑侧表面的面积，q′即为基坑外周边轻型井点抽水量的总和，令水流流失函数中的q_N = q′/N ，其中N为坑外轻型井点的数量。

求解水流流失函数得下一时段末坑外各节点水位；重复上述计算过程，直至计算时段结束。

在真空产生的负压作用下，地下水通过多个抽吸井点被吸入总管内抽走，从而使附近的地下水位高度降低。伴随着水泵的工作，负压作用区的水位与外界水位会存在一个压力差，在压力差作用下，负压区外的地下水是沿重力方向运动的，所以根据完整计算函数，计算需要在基坑防护结构外周布置的多个轻型井点后进行真空强制抽水。只有在这负压与重力共同作用时，抽吸井点才能正常工作。

抽吸井点降水适用于渗透系数小于20m/d的各类沙性土，单层降深小于6.5m，双层降深小于13m。由于抽吸井点布置的间距较小，可以有效防止地下水渗入基坑内，有利于基坑边坡稳定性，工程实际应用效果好。水流在空隙介质中的流动称为渗水，对土壤而言，渗水是水流与土壤相互作用的结果，土壤具有透水性，土壤的透水性用渗透系数k来表示。

如图2所示为基坑管井结合轻型井点系统的剖面示意图，z为距离抽吸井点中心轴 x处的水流高度，计算渗水断面平均流速v=k×dz/dx，k为渗透系数，渗水断面即基坑侧表面 的面积为A，

；

渗水断面的出水量：

，

分离变量，两边进行积分：

；

；

取边界条件x=R，z=H求得：

；

代入C得渗水流场函数：

；

上式即为渗水流场函数，求得在坑区内，距离抽吸井点轴x处的水位深度z。

式中R为轻型井点围成的圆半径（如图1的虚线所示），H为地下含水层深度，k为土壤渗透系数。

井点降水设备开始工作后，在降水设备周围的一定距离内会形成漏斗状的降落曲面，曲面在离井较远的地方逐步接近原有的地下水位。因此渗水计算中常引入一个近似的概念，认为抽水的影响有一个影响半径，在该影响半径处虚拟设置轻型井点，在这个半径以外的区域，地下水位基本不受降排水的影响，地下水仍保持原有地下水位。引入影响半径的概念也有助于解决渗水有限元计算中渗水区域大小的确定问题。

降排水过程中，渗水现象发生于影响半径以内。在影响半径之内地下水向抽水井运动，发生水位降落，而影响半径以外地下水位保持恒定，不发生渗水。因此可以借用降水影响半径来帮助确定渗水计算的范围。

根据计算出来的距离抽吸井点中心轴x处的任一点的水位深度z，求出最深水位深度z_m，从而得出基坑抽吸井点的管井的埋设深度H：

对面积较大的基坑采用圆形布设抽吸井点，抽吸井点的管井的埋设深度H：

H≥z_m。

根据总涌水量Q，考虑利用系数，本实施例中利用系数取值为1.1，计算抽吸井点的数量W=1.1Q/p；

p为单个抽吸井点的管井抽吸量。

根据抽吸井点的数量W以及抽吸井点的管井的埋设深度H对轻型井点进行施工。

如图３所示，为本发明的水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法的流程图，按照所述轻型井点的数量、抽吸井点的数量以及所述抽吸井点的埋设深度进行降排水系统施工设置降排水系统，其降排水效果较明显，且增大抽吸井点的管井间距后，只要相应提高单抽吸井点的管井的抽吸量，则完全可以满足降排水要求。

同时，由于基坑建基面的深度不同，对降排水深的要求也不同，因此降排水系统对抽吸井点数和总抽水量有直接影响。

在优选实施例中，在基坑内设置抽吸井点的间距为40m，抽吸井点的数量为110个，单管井的抽吸量为1800m³/d时，降水效果十分明显。

在降排水方法的施工过程中，抽吸井点的管井用水清洁下沉到预先计算好的埋设深度Ｈ后，在管井底添加一层粗砂，接着在抽吸井点埋入管井，确保管井的垂直度、直径、距离以及深度。

轻型井点的应用必须确保排水流程的不间断工作。出现没水或浊水时，需要马上对设备进行修理与调整。

在优选实施例汇总，抽吸井点的管井内的真空度要保持在55.3~66.7MPa，这是评估管井设备工作情况的根据。如果不在此范围，可能是因为管井的衔接情况差，漏气现象严重，必须马上进行修理。

抽吸井点工作时，需要保证持续抽水工作，同时运用２台供电设备，这是为了避免断电。通常排水3~5d后，积水排出，水位保持平稳。排水过程中，需要每日查看不同的管道接口，防止出现漏气导致排水不畅。

如图４所示，为本发明的另一实施例，该实施例中，在轻型井点的外围虚拟的设置有多个次轻型井点，该次轻型井点的设置位置与轻型井点的设置位置交错。

令多个抽吸井点的总抽水量等于坑外的总水流损失量。坑外的计算边界选取时，较比第一流量边界更远一些，作为次流量边界，则总体水流流失函数如下：

；

q_N为单个轻型井点的抽水量，x_N、y_N为轻型井点坐标；q_N1为单个次轻型井点的抽水量，x_N1、y_N1为次轻型井点坐标。

在本实施例中，将水流补给函数和总体流失函数组合起来则为考虑坑内外水流联系时的完整计算函数，降水开始时q(t)等于零，求解水流补给函数，得第一时段末坑内各节点水位，同时坑外各节点初始水位已知；对坑内各节点水位进行平均，得平均水位hm；计算坑外一定范围内的节点水位的平均值，得平均水位Hm，该范围是指降水所能影响到的范围。

计算该时段内，坑外对坑内单位面积上的平均水流补给量q，也就是水流补给函数中的q(t)的平均值，q按下式进行计算：

q=b（Hm–hm）/(d₁+2d₂)；

b为图2中深度为d₁和d₂两个范围的土体竖向渗透系数的加权平均值，据平均水流补给量q求解水流补给函数，得下一时段末坑内各节点的水位值；

令q′= qA；其中，A为基坑侧表面的面积，q′即为基坑外周边轻型井点抽水量和次轻型井点抽水量的总和，令水流流失函数中的q_N= q_N1 = q′/（N+N1），其中N为坑外轻型井点的数量，N1为坑外次轻型井点的数量。

求解水流流失函数得下一时段末坑外各节点水位；重复上述计算过程,直至计算时段结束。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法，其特征在于，包括：

考虑基坑四周的隔水边界条件，建立水流补给函数；

在基坑外周边虚拟布置多个轻型井点，建立水流流失函数；

所述水流补给函数和水流流失函数组合成为坑内外水流联系的完整计算函数；

通过所述完整计算函数计算需要布置的所述轻型井点的数量；

通过渗水流场函数计算基坑最深水位深度和基坑抽吸井点的埋设深度；

基于总涌水量，计算基坑抽吸井点的数量；

按照所述轻型井点的数量、抽吸井点的数量以及抽吸井点的埋设深度进行降排水系统施工。

2.根据权利要求1所述的水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法，其特征在于，

所述水流补给函数为：

；

所述水流流失函数为：

；

式中，h为t时刻坐标为(x,y)的节点的水位；q(t)为t时刻坑内单位面积所接受的平均 水流补给量；B为坐标(x,y)处含水层底板标高；N为轻型井点的数量，W为抽吸井点的数量， k_x、k_y为x、y方向的渗透系数；x_w、y_w为抽吸井点的坐标；Q_w为抽吸井点流量，

为奇异函数；q_N为单个轻型井点的抽水量,x_N、y_N为轻型井点坐标。

3.根据权利要求2所述的水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法，其特征在于，降水开始时，q(t)等于零，求解水流补给函数，得第一时段末坑内各节点水位，同时坑外各节点初始水位已知；

对坑内各节点水位进行平均，得平均水位hm；计算坑外节点水位的平均值，得平均水位Hm；

计算坑外对坑内单位面积上的平均水流补给量q：

q=b（Hm–hm）/(d₁+2d₂) ；

b为d₁、d₂范围内土体竖向渗透系数的加权平均值；

根据平均水流补给量q求解水流补给函数，得下一时段末坑内各节点的水位值；

令q′= qA；其中，A为基坑侧面积，q′为基坑外周边轻型井点抽水量的总和，令水流流失函数中的q_N = q′/N ，其中N为坑外轻型井点的数量；求解水流流失函数得下一时段末坑外各节点水位；

重复上面计算过程,直至计算时段结束。

4.根据权利要求1所述的水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法，其特征在于，所述通过渗水流场函数计算基坑最深水位深度和基坑抽吸井点的埋设深度包括：

z为距离抽吸井点轴x处的流场高度，计算渗水断面平均流速v=k×dz/dx，k为渗透系 数，基坑侧面积为A，

；

渗水断面的出水量：

,

分离变量，两边进行积分：

；

；

取边界条件x=R,z=H求得：

；

代入C得渗水流场函数：

；

根据水位深度z，取最深水位深度z_m，

则埋设深度H≥z_m。

5.根据权利要求1所述的水利工程基坑管井结合轻型井点降排水方法，其特征在于，根据总涌水量Q，设利用系数为1.1，计算抽吸井点的数量W=1.1Q/p；p为单个抽吸井点的管井抽吸量。

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