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1、工程降水设计理论与依据,2012年4月,吴林高,工程降水设计理论与依据,(一)降水井设计 1. 降水井的设置 2. 降水井的深度 3. 降水井的数量 4.滤水管长度 5. 井管直径 6. 抽水管口位置 7.滤料设计的依据 (二)降水对周边环境的影响评估 (三)降水井施工与运行管理须注意的问题,一、工程降水设计内容,二、基坑渗流规律 与基坑渗流计算,(一)、基坑渗流特征,基坑渗流规律是降水设计的理论依据,基坑渗流特征表现在坑内外地下水水位、抽出水量、不仅与水文地质条件有关,而且还与基坑围护结构(或隔水帷幕)、降水井的位置、滤水管长度有关。,实例:基坑面积2030m2,开挖深度25m;基坑位于粉质
2、粘土中,其下有一承压含水层,厚度为24m,水力参数为: , 贮水率 , 初始水位为 。,1围护结构(或隔水帷幕)对基坑渗流的影响,无隔水帷幕基坑降水等势线图,(a)基坑降水平面等势线图,(b) 基坑降水剖面等势线图,有隔水帷幕基坑外降水等势线图,(b) 基坑降水剖面等势线图,(a)基坑降水平面等势线图,有隔水帷幕基坑内降水等势线图,(b) 基坑内降水剖面等势线图,(a)基坑内降水平面等势线图,(1)隔水帷幕(或围护结构)改变基坑渗流的流态。 (2)隔水帷幕(或围护结构)改变基坑渗流场的水力梯度。 (3)隔水帷幕(或围护结构)的深度影响基坑的水位降深。,根据试验和计算数据可以看出隔水帷幕对基坑渗
3、流的影响:,上图表示坑内水位降深随隔水帷幕伸入含水层的深度增加而增加,而坑外水位降深随隔水帷幕伸入含水层的深度增加而减小,隔水帷幕伸入含水层的深度与水位降深的关系图,(4)隔水帷幕(或围护结构)的深度影响基坑抽出水量。,隔水帷幕伸入含水层的深度与坑内降水井的出水量的关系图,上图表示坑内降水井的出水量随隔水帷幕(或围护结构)伸入含水层的深度增加而减小。,2降水井位置对基坑渗流的影响,基坑水位降深与降水井位置的关系图,(a)有隔水帷幕坑内降水曲线; (b)有隔水帷幕坑外降水,坑内降水曲线; (C)无隔水帷幕坑内降水,坑内降水曲线,(1)有隔水帷幕基坑内降水,坑内水位降深随降水井深度加深而快速减小,
4、当降水井深度达到隔水帷幕深度时,坑内水位降深随降水井深度加深而逐渐减小(曲线a)。 (2)有隔水帷幕基坑外降水,坑内水位降深随降水井深度加深而增大,当降水井深度达到隔水帷幕深度时,坑内水位降深随降水井深度加深而逐渐减小(曲线b)。 (3)无隔水帷幕基坑降水,坑内水位降深随降水井深度加深而缓慢减小(曲线c)。 (4)比较以上三条曲线,很显然有隔水帷幕的基坑内降水,由于帷幕的作用,坑内水位降深最大,降水效果最好,而无隔水帷幕情况坑内水位降深最小,降水效果差。,从图中可以看出:,3降水井滤管长度对基坑渗流的影响,单位滤管长度坑内出水量(或坑外水位降深)与滤管长度的关系图,(a)单位滤管长度坑内出水量
5、与滤管长度的关系,(b )单位滤管长度坑外水位降深与滤管长度的关系,从图中可以看出:不论是单位滤管长度坑内出水量(以下简称单位出水量)还是单位滤管长度坑外水位降深(以下简称单位降深),均随滤管长度增加而迅速减小,当滤管长度增加接近超过隔水帷幕深度时,单位出水量和单位降深的增加变得缓慢减小。例如滤管长度增加至14m时,其单位出水量增加值才为2m滤管长滤管长单位出水量的23%。这说明滤管长度不是越长出水量就越大。,4含水层渗透系数对基坑渗流的影响,垂向渗透系数与水位降深曲线图,坑内,a-坑内降水曲线;b-坑外降水曲线,一般没有隔水帷幕的基坑,在同等抽水条件下,含水层渗透系数大坑内水位降深小;反之,
6、渗透系数小坑内水位降深大。 对于有隔水帷幕情况下,含水层垂向渗透系数对坑内外水位降深的影响如图所示:坑内水位降深随垂向渗透系数增大而迅速减小;坑外水位降深变化相反,随垂向渗透系数增大而缓慢增大。,基坑渗流根据基坑周边有无隔水帷幕(或围护结构)及隔水帷幕与含水层的关系可以区分以下四种类型: 1第一类基坑渗流 基坑帷幕深入降水含水层的隔水底板中,井点降水以疏干基坑内的地下水为目的(见图a),或者前期减压后期疏干为目的(见图b) 。,(二)、基坑渗流类型,(a)隔水帷幕深入潜水含水层底板,第一类基坑渗流特征图,(b)隔水帷幕深入承压含水层底板,这类隔水帷幕将基坑内的地下水与基坑外的地下水分隔开来。其
7、地下水渗流特征:由于帷幕隔水,基坑内、外地下水无水力联系,降水时基坑外地下水不受影响,基坑内的地下渗流呈二维流态,为带有隔水边界的基坑平面渗流。,基坑帷幕仅深入降水承压含水层隔水顶板中,井点降水以降低基坑下部承压含水层的水头,防止基坑底板隆起或突水产生流砂为目的。,2第二类基坑渗流,第二类基坑渗流特征图,这类隔水帷幕未深入降水含水层,其地下水渗流特征:由于不受隔水帷幕的影响,基坑底部承压水内、外连续相通,呈二维流态,为无界基坑平面渗流。由于降水井是非完整井,在滤网附近为三维空间流。这类井点降水影响范围大,但降落漏斗平缓,抽水引起的地面沉降为均匀沉降。,第三类基坑渗流特征图,(a)基坑未进入降水
8、承压含水层 (b)基坑已进入降水承压含水层,3第三类基坑渗流,基坑帷幕深入降水承压含水层中,如果基坑比较浅,未进入降水承压含水层,井点降水以降低承压水头为目的,如图(a);如果基坑比较深,已进入降水承压含水层,井点降水前期以降低承压含水层的水头为目的,后期以疏干承压含水层为目的,如图(b)。这类隔水帷幕已深入降水承压含水层,其地下水渗流特征:由于受隔水帷幕的影响,上部承压含水层基坑内、外地下水不连续而是绕流进入帷幕内,下部承压含水层连续相通。总之,地下水呈三维流态,为基坑空间渗流。,无隔水帷幕基坑渗流特征图,基坑周边无隔水帷幕,这类基坑渗流只受水文地质条件影响为平面渗流,在降水井附近为三维空间
9、流。,4第四类基坑渗流,1第一类基坑渗流计算,(三)基坑渗流计算,一般性基坑:只计算基坑范围内水的体积就 可以了。 超大型基坑:可采用书中式(135)或式(136)计算,但要注意公式的适用条件。,2第二类基坑渗流计算,这一类型降水井大部分是非完整井,地下水位变化处于非稳定过程,因此常采用非稳定流非完整井群公式计算。,基坑中心水位降深,m; 井出水量,m3/d; 承压含水层厚度,m; 渗透系数,m/d;,式中:,越流因数, m;,各井至基坑中心c点距离,m; 降水井数量; 含水层顶板至过滤器顶部的距离,m; 过滤器进水部分长度,m; 抽水延续时间,d;,井函数,导水系数,m2/d; 贮水系数;,
10、其中:,上述公式计算水位(水面)降深 偏小。例:北京南苑抽水试验场10号孔抽水 时实测等降深线图,从图中可见三个区:二维层流区、三维层流区与井内垂直水流区。 井水面降深 包括以下七方面降深: 1. 二维层流降深 ; 2.泥浆堵塞降深 ; 3. 滤水管堵塞降深 ; 4.滤水管内流速降深 ; 5.非完整性降深 ; 6.紊流降深 ; 7.井壁管降深 。,仍以上述抽水试验为例: , , 实测滤水管顶端的降深 如下表:,计算不同出水量的井水面降深 1. =0.055 m, 0.111 m, 0.167m 2. =0.36 m, 1.44 m, 3.24 m 3. =0.0183m, 0.0732 m,
11、0.165m,=0.433m, 1.62 m, 3.572m,=41.67 , 83.33 , 125. 00,出水量,实降测深点,计算降深点,计算降深点,实测降深、计算降深与出水量关系,将以上三组数据绘出如下图:,地下水流态为线性流(层流):,式中,或,式中,地下水流态为非线性流(紊流):,式中,与,由流体与介质的性质所决定的常数。,为紊流系数,,为水力坡度,为渗流速度,当大流量抽水时,井水面降深 是抽水量 的多项式关系,即滤水管壁紊流降深公式 式中:,为紊流系数(d2/m2),,为滤水管的磨阻系数;,为重力加速度; ,,,,,这类基坑隔水帷幕已深入含水层中由于受帷幕的影响,基坑渗流为三维空
12、间流,现有的解析解渗流公式均不适合该类基坑渗流,只能建立三维渗流模型通过数值方法(有限元或有限差)求解。,3第三类基坑渗流计算,承压水含水层三维渗流模型:,式中: , , 分别为沿坐标轴x、y、z方向的渗透系数(cm/s); 点(x、y、z)在时刻的水头(m); 初始水头(m); 汇源项(); 含水层厚度(m); 研究的渗流区; 贮水系数; 时间(h); 渗流区的边界面,其中 为给定的第一类边界面, 为给定 的第二类边界面, 边界 上的水头(m); 边界 上单位面积的侧向补给量( );,目前降水井设计理论有两种:,一种是传统设计理论(即供水井设计理论)。其特点是:井多、抽出水量大、水位降深小。
13、 另一种是基坑渗流理论。其特点是井少、抽出水量小(是前者的1/31/4) 、坑内水位降深大、坑外水位降深小。,三、降水井设计理论和依据,降水井布设比较,(一)降水井的设置,1降水井的平面布设,2降水井的竖向布设,当周边环境复杂,坑内降水井应该设在止水帷幕以上,至于帷幕以上多少距离,见以下实例。,理论计算曲线(层流) 不同抽水量不同深度(H)降深(s),30,34,31,45,33,35,37,43,41,39,2,0,4,6,8,10,S,H,Q1,Q2,墙体深度,45,48,46,50,52,54,60,56,58,44,46,48,50,52,60,58,56,54,45,51,48,2,
14、4,4,2,6,6,8,10,10,12,0,44,Y1 抽水 不同抽水量Y2不同深度(H)降深(s),Q1,Q2,Q3,Q1,Q2,Q3,Y2 抽水 不同抽水量Y1不同深度(H)降深(s),0,s,H,H,S,墙体深度,墙体深度,8,坑外水位,2m,3,2,1,坑内水位,坑内降水时坑内地下水水位与连续墙深度的关系,1深井井管;2隔水帷幕;3地下管线;4坑外建筑物基础,4,3.连续墙深度与降水井深度的关系,连续墙入土深度与降水井深度的关系,(二)降水井深度,传统方法确定降水井深度公式为: 潜水降水井深度: 式中各项见图: 降水井深度,m; 地面至基坑底面的距离,m; 基坑底面至降低后的地下水位距离,一般取 h=0.5 2m; 水力梯度,环形井点系统J1/81/10,单排井点系统J1/4 1/5; 降水井至基坑中心的水平距离,m; 过滤器工作部分长度和沉淀管的长度,m。,