基坑降水的優(yōu)化設計方法分析

1、第三部分基坑降水的優(yōu)化設計方法分析摘要 基坑工程快速發(fā)展的今天，作為基坑工程重要組成部分的基坑降水工程自然而然的也要與時俱進，無論是從經(jīng)濟還是從施工安全角度來看，對基坑降水工程的優(yōu)化都有著重要的意義。由三維數(shù)值模擬模擬發(fā)展而來的軟件，對土層水的滲流能做到很好的分析，從而方便了基坑降水方案的優(yōu)化，目標函數(shù)法的引入為基坑降水方案的優(yōu)化提供了一種有效地方法所謂“優(yōu)化設計”無非就是考慮通過何種降水措施，既要保證基坑地板的穩(wěn)定性，又要保證不使周圍地面因為基坑降水引起超出標準的沉降，很明顯這是一對矛盾，一個要求盡量降低水位，另一個要求盡量減少對原有水文地質(zhì)情況的擾動。所謂優(yōu)化就是要在這對矛盾中尋找一個平衡

2、，以一個或者多個目標作為優(yōu)化的方向，在保證基坑底板不發(fā)生突涌的前提下，使降水方案最大化的實現(xiàn)目標的要求。關鍵字 基坑降水；優(yōu)化；數(shù)值模擬；約束條件；目標函數(shù)1 緒論1.1 基坑降水工程發(fā)展中的障礙隨著城市建設規(guī)模的一步步擴大，高層及超高層建筑在基坑工程實踐中，不可避免的成為基坑降水與開挖時必須考慮的關鍵。然而基坑周邊受基坑降水的影響程度差異性很大，在不同的施工階段，建筑與以及周邊環(huán)境的變形也有所不同，時空效應明顯，受影響區(qū)域具有局部性和方向性。與一般均勻地址中的理論分析差別很大。深基坑降水工程是一項極其復雜的工程，有很多因素會對基坑的施工質(zhì)量產(chǎn)生影響，同時基坑降水本身就是一個矛盾的平衡體，工程

3、中降水沒有達到設計要求，會造成基坑底板不穩(wěn)定的問題。而降水過超過設計標準時，又會對周圍環(huán)境造成不利的影響，如地面的沉降以及建筑物因不均勻沉降發(fā)生開裂等等。由上面可知，基坑降水的程度需要嚴謹?shù)陌盐?，綜合考慮基坑工程本身的施工需求以及降水工程對周圍環(huán)境的的影響。運用系統(tǒng)的成熟的理論方法，統(tǒng)籌基坑的整體與局部、基坑與周圍環(huán)境的關系，在矛盾以及相互制約中尋求基坑降水的優(yōu)化方法1。1.2 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀對于基坑降水理論與方案的研究伴隨著地下工程的大發(fā)展，也在快速的進步，取得了一大批重要的成果。國外對于地下水滲流理論的研究起步較早，從19世紀中葉到20世紀初，地下水流模擬的研究看是起步，直到20世紀50

4、年代，對于含水層和不規(guī)則邊界條件的研究仍然是毫無進展18。60年代以來，利用數(shù)值模擬的方法對地下水滲流情況進行模擬的方法快速發(fā)展起來，首先興起的二維數(shù)值模擬模型，能夠?qū)螌拥叵滤臐B流進行很好地分析，三維滲流模型的建立為各種地下水滲流模擬軟件的發(fā)展提供了理論依據(jù)，耦合模型的出現(xiàn)使地下水的活動與地面沉降之間建立了數(shù)學上的理論關系19。比較典型的是三維滲流模型或準三維滲流模型包括R. Bravo（美國）等做的休斯頓模型和A. Rivera（法國）等做的墨西哥模型2。我國學者對地下水數(shù)值模擬的研究起步較晚，但是起點高，周志芳教授、朱宏高教授等人通過對具體工程的研究提出了雙層結(jié)構變參數(shù)降水理論計算方法

5、在工程實踐中取得了良好的效果。在基坑降水與地面沉降變形的模擬計算中，學者駱祖江、劉金寶等人建立了三維地下水滲流場與應力場耦合數(shù)學模型，運用這種理論方法，可以同步求解出地下水位值以及土體的變形位移量。該理論考慮了土體的非線性特征及滲透性與應力之間的相互影響，似的人們在研究過程中對土體變形的刻畫能夠更切合實際。同時與理論相伴的是各種相應分析軟件的出現(xiàn)，如基于常密度地下水的三維流動基本方程設計的可視化三維地下水流動模擬軟件VisualModflow17，該軟件實現(xiàn)了基坑降水過程的可視化、預期化3，在工程實踐中得到了很好的應用。1.3 基坑降水優(yōu)化設計的基本思路總的來說，所謂“優(yōu)化設計”無非就是考慮通

6、過何種降水措施，既要保證基坑地板的穩(wěn)定性，又要保證不使周圍地面因為基坑降水引起超出標準的沉降，很明顯這是一對矛盾，一個要求盡量降低水位，另一個要求盡量減少對原有水文地質(zhì)情況的擾動。所謂優(yōu)化就是要在這對矛盾中尋找一個平衡，以一個或者多個目標作為優(yōu)化的方向，在保證基坑底板不發(fā)生突涌的前提下，使降水方案最大化的實現(xiàn)目標的要求。這個目標可以盡量減少周圍地面的沉降也可以成本最低等等。2 基坑降水的作用以及影響因素2.1 基坑降水的作用基坑降水方案的合理與否直接決定著整個基坑工程的成敗，其對于基坑工程的作用可見一斑。降水工程在基坑工程中的主要作用如下4：（1）地下水位降低以后，降低了基坑內(nèi)外滲透水頭差，從

7、而把滲透水里梯度控制在合理范圍內(nèi)，能夠消除滲透力的影響,防止流沙的產(chǎn)生。（2）地下水位的下降，對于降水范圍內(nèi)的土層，其含水量因為降水而顯著減小，容量從浮容重度提高到飽和容重，從而這部份土層發(fā)生固結(jié)，土體的各項工程指標得到改善，抗剪強度得到增強，減少土中孔隙水壓力,增加土中有效應力。（3）基坑降水使土層發(fā)生固結(jié)作用，從而降低了土層的水含量和孔隙率，這樣就能減少甚至杜絕基坑坡面和基底的深水，對與基坑圍護結(jié)構也是一種保護。這樣工程施工能有一個更有利的環(huán)境，也能防止工程事故的發(fā)生。（4）對于基坑工程而言，基坑降水是減少土體含水量的有效方法，從而能夠改善土體的性能指標。不論對于放坡開挖的基坑還是支護開挖

8、的基坑，都可以有效地提高施工條件。在放坡開挖的基坑中，由于土體固結(jié)，使邊坡的穩(wěn)定性得到顯著提高。對于支護開挖的基坑，土層的固結(jié)，可顯著提高被動區(qū)的被動抗力，從而也使圍護結(jié)構的穩(wěn)定性得到大大提高。2.2基坑降水方案選擇的影響因素基坑降水方案的確定主要由施工場地的水文地質(zhì)條件、基坑的開挖和圍護方案來確定，降水方案要整體與局部相結(jié)合，綜合考慮各方面因素，方案的選擇要達到綜合效益的最大化。降水方案的選擇主要受一下條件的制約。2.2.1場地條件任何施工方法都是以施工對象為服務對象的，也就是說作為基坑降水方案服務的對象的施工場地才是一切問題考慮的中心。場地本身的條件是我們制定具體降水方案的原始條件，場地的

9、條件包括場地的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，以及周圍的環(huán)境包括周圍已建建筑物距離基坑的距離、建筑物的體量，還有周圍地下分布的管線等這些都是降水方案選擇是不可忽略的影響因素5。當然基坑本身的開挖尺寸以及分布等自身條件以及相關的規(guī)范要求等等。綜合這些因素，統(tǒng)籌進行考慮，才能確定基坑降水所用的方案。2.2.2地質(zhì)情況基坑場地的工程地質(zhì)情況對于降水方案的選擇是極其重要的，施工場地的工程地質(zhì)情況包含多方面的內(nèi)容，這些土層的地質(zhì)工程資料決定著基坑降水方案的選擇。個人認為由地質(zhì)情況決定降水方法的這一問題上，沒有太多優(yōu)化的點，因為現(xiàn)代降水方法已經(jīng)較為成熟，對于不同的地質(zhì)情況也都有了基本較為適用的方法，真正的難點在于

10、工程地質(zhì)資料的準確性。降水方法的選擇在工程地質(zhì)層面上，現(xiàn)在基本考慮的最重要的因素就是土層的滲透性，然而土層的滲透性在同一場地的不同深度不同地點，甚至在不同氣候條件下也往往是不同的，具有極強的時空效應，一般的工程地質(zhì)資料提供的土層滲透性往往具有很大的誤差，只能作為參考，現(xiàn)場抽水實驗才是確定降水方案的必要途徑。2.2.3場地地下水情況基坑降水方案的設計，不言而喻，當然要考慮場地地下水的情況，再對降水方案進行確定。地下水主要分為潛水和承壓水兩種6。對于基坑工程來說，各部分需要的關注的點不同。在工程實踐中，基坑底板最常見的是發(fā)生突涌等工程事故，這種工程事故的產(chǎn)生就與分布于不透水層之間的承壓水有著直接的

11、關系，承壓水液面與自由水頭之間較大的水頭差，有時能將基坑底板擊穿，從而發(fā)生基坑底板突涌滲流等工程災害?；又車孛娴某两狄约敖ㄖ锇l(fā)生的沉降及不均勻沉降主要與地下潛水的擾動有很大關系。地下水另一個需要著重考察的情況是補給水源的情況，包括補給水源的位置、距離基坑的距離、水源的大小等等，因為是選擇坑內(nèi)降水還是坑外降水方法需要考慮補給水源的問題。綜合來看，為了確定較為準確的基坑降水方法，首先要有較為準確的工程地質(zhì)資料，即透水土層以及不透水層的位置，這樣可對潛水及承壓水的位置和分布有個較為準確的掌握。同時查明補給水源的相關資料，大的補給水源的存在對于基坑降水來說簡直就是災難，可能造成基坑降水完全無效。

12、3 基坑降水分析的理論方法3.1傳統(tǒng)的解析法（以地下水動力學為基礎）傳統(tǒng)的解析法主要包括有“大井”法、疏干法等4。解析法運用地下水動力學對基坑降水相關數(shù)據(jù)進行計算，這在早期的不太復雜的基坑降水工程中還能適用，但在基坑降水條件日益復雜的今天，已經(jīng)很難再使用了。解析法中最為常用的就是“大井法”，該方法簡單易懂，對于簡單基坑降水的設計計算基本適用。大井法的主要思想就是將場地范圍內(nèi)所有的降水井看成一個整體，即所謂的大井。降水井群所有的降水井總的降水量相加即為該打井的降水量。大井中水位的下降量運用常見的疊加法進行計算，即為每一口降水井在指定點出的降深的總和。從大井法的基本理論可以很容易看出，解析法將場地

13、范圍內(nèi)的土層的工程地質(zhì)情況過于理想化的處理了，計算是限制條件太多，很難適用于復雜基坑的降水。其具體缺陷如下7：（1）由于地下水動力學中還沒有非穩(wěn)定流條件下的干擾井群變流量井流計算方法，而在實際中，基坑降水問題屬于典型的定降深變流量問題，顯然傳統(tǒng)的解析法不能反映基坑實際滲流場隨時間的變化情況；（2）傳統(tǒng)的解析法在進行計算以前要對場地范圍內(nèi)的地質(zhì)條件進行理想化處理，這種處理對于簡單地質(zhì)以及在小范圍內(nèi)還是可以接受的，不會產(chǎn)生較大的誤差，但是對于復雜場地，該方法的計算結(jié)果很可能是南轅北轍，完全對不上實際情況。前面已經(jīng)說過，土層滲透性具有明顯的時空效應，大范圍的概化處理完全忽視了可觀的滲流規(guī)律，因而誤差

14、往往十分驚人。（3）地下水的滲流是在三維平面內(nèi)進行的，對于三維滲流問題用解析法很難處理。3.2復合單元法復合單元法4是對巖土體中水體滲流分析的一種新近發(fā)展出來的理論研究方法，學者胡靜運用工程實例證明，復合單元法在地下巖土體的水體滲流描述方面具有工程實踐價值。該方法的是將降水井虛擬化至于一個獨立的巖土體單元內(nèi)部，運用與常規(guī)有限元理論方程式相同的插值函數(shù)對單元體進行理論分析，該函數(shù)是以節(jié)點水頭為變量。復合單元法，總體來說就是建立在有限元理論基礎上的分析方法，通過該方法可以從理論上對比同一地質(zhì)條件下不同的降水方法的效果，從而為基坑降水方案的優(yōu)化設計提供一種理論上的分析方法，是一種有益的探索。3.3階

15、梯流量法基坑降水工程中階梯流量法4也是較常見的一種基坑降水方法，該方法具有較強的現(xiàn)場實驗的性質(zhì)，因而要求對基坑水位的監(jiān)測較為全面。階梯流量法的基本原理是，每建成一口井，便立即投入到降水工程中，同時監(jiān)測地下水位的變化情況以及地下水位穩(wěn)定后的情況，與設計水位進行對比。依次增加抽水井的個數(shù)。反映在抽水量上，很容易理解就是一個階梯狀上升的過程。而地下水位的呈現(xiàn)出來的譜線必然是成階梯狀的歷時下降，知道最后一口井投入使用，地下水位穩(wěn)定后滿足基坑施工的設計要求。此后，地下水位保持穩(wěn)定狀態(tài)，可以進行基坑的開挖等后續(xù)工程。3.4雙層結(jié)構計算方法雙層結(jié)構計算方法4是前蘇聯(lián)專家提出的一種比較經(jīng)典的地下水滲流計算理論

16、。該理論充分考慮了第一不透水層以上的潛水層與不透水層以下的承壓水層的之間的相互關系。該理論假設認為潛水層與承壓水層有著共同的自由水頭，同時對適用對象也做了明確的說明，即潛水層的土層滲透系數(shù)遠遠小于承壓水層的土層滲透系數(shù)。在這一假設、一前提條件下，該理論可以很好地解決對應工程地質(zhì)條件下的基坑降水工程的設計問題，具有較好的工程實踐性。但是該理論還是有著明顯的缺陷的。首先，其前提條件為上層土層的滲透系數(shù)要遠小于下層土層的滲透系數(shù)，這一條件將雙層計算理論的應用范圍限制在了一定的范圍內(nèi)，使該理論不具有通用性。然后，該理論假設承壓水的自由水頭與潛水的水頭相同，這在工程實際中幾乎是不可能的。實際工程中，下層

17、土層滲透系數(shù)大，排水井在對應層面上需設置過濾器，以減少出水量。上部弱透水層需布置死管，這樣就造成地下水滲流場在承壓水層呈水平狀，而在淺水層則呈現(xiàn)垂直流動，這樣兩層很難統(tǒng)一起來，因而會有一定的誤差。針對淺水層與承壓水層各有獨立水頭的問題，相關學者對雙層結(jié)構理論進行合理化的改進，提出了雙結(jié)構地下水運動的數(shù)學模型和計算方法，該理論很好的解決了降水固結(jié)過程中土層物理性質(zhì)變化的內(nèi)在聯(lián)系以及非線性變化過程，很好的刻畫了相關參數(shù)的空間變化過程。3.5遺傳算法遺傳算法4是由人工智能理論發(fā)展而來的一種對工程設計進行優(yōu)化設計的理論方法。該方法模擬自然界的自然進化模式，針對基坑降水工程這一具體問題，該方法將場地范圍

18、內(nèi)地質(zhì)情況以及周圍的環(huán)境等各個要素與基坑降水方案的聯(lián)系用多個相應的數(shù)學模型建立起來，形成系統(tǒng)的數(shù)學模型，當然該數(shù)學模型明顯是一個未知量多于方程數(shù)的方程組，能夠有一個合理的解空間，通過不斷地進行數(shù)據(jù)分析與計算，總能從解空間里最終找到一個相對最優(yōu)化的解。該方法具有很強的適用性，能夠解決一些其他理論難以解決的問題，是系統(tǒng)優(yōu)化方法的一次有益的嘗試。學者劉金偉等將該方法運用到實際的基坑降水方案的設計中，找到很好的基坑降水設計方案，證明了該方法的實用性。3.6地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬法地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬法4不同于傳統(tǒng)的解析計算，是當今研究基坑降水工程研究的主流計算方法。該方法要求要充分做好施

19、工場地的地質(zhì)勘探工作。包括要有明確的計算范圍和邊界條件；確定的初始水位。數(shù)值模擬法具有高度的仿真性和可靠性。在計算機的支持下，應用地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬理論發(fā)展而來的軟件對基坑降水方案進行評價，其計算和修改十分方便、計算結(jié)果直觀。在基礎資料齊備的條件下，適用于所有的的降水方案的仿真模擬。尤其是對于工程地質(zhì)條件復雜、邊界形狀不規(guī)則或者降水要求較高的基坑降水方案的評價具有很強的適用性。4 基坑降水方法簡介在實際的基坑工程中，對于場地范圍內(nèi)的地下水我們采用不同的方法進行處理，主要包括降水和截水8等方法。顧名思義，它們的內(nèi)涵就不多做贅述，在此只對基坑降水方法進行簡要的介紹?；咏邓椒ò殡S著地下

20、工程的大發(fā)展，也有了長足的進步，方法眾多，設備先進，有相關的理論做支撐。下面會做敘述，在此不多說。各種降水方法有其特點和適用情況，基坑在降水方法的選定上模式已經(jīng)比較固定，個人認為降水方式的選擇上進行優(yōu)化的余地已經(jīng)不多，優(yōu)化的主要方向在降水井的布排。一些比較常見的降水方式如下：4.1明溝加集水井降水明溝加集水井6是一種較為傳統(tǒng)的人工降水方法，該方法的最大優(yōu)點是施工方便，用具簡單，費用低廉，因而該方法在施工條件的允許的情況下，往往作為首要的選擇，所以在眾多的基坑工程中，明溝加集水井方法比較常見。當然，這種方法在復雜基坑中，幾乎不可能作為主要的降水方法，一般作為輔助的基坑降水方法。該方法的使用很有針

21、對性，特別是在基坑開挖過程中，底板處因為降雨或者潛水滲流而集聚較多的水的時候，明溝集水可以快速的對基坑底進行疏干。明溝排水雖然具有較多的優(yōu)點，然而缺點并不是單單只有適用范圍小這一個。很容易想象，在基坑中明溝排水往往造成基坑中一直是泥濘不堪的狀態(tài)，對于其他工程的部分的施工將是很大的干擾，因而對施工組織的要求就較高。4.2輕型井點降水所謂輕型井點降水6就是利用降水系統(tǒng)中的真空狀態(tài)形成內(nèi)外壓力差，以抽取地下水從而實現(xiàn)基坑的降水的方法。實際在基坑降水工程中，我們又把該方法叫做一級輕型井點降水法，主要適用于降水深度小，基坑范圍有限的降水工程。這種限制是有著明顯的客觀現(xiàn)實的，因為該基坑降水方法，是利用系統(tǒng)

22、內(nèi)外壓力差進行降水的，若要對大深度、廣范圍的進行基坑降水，很明顯需要降水系統(tǒng)中有著更高的真空度，這對系統(tǒng)的密封程度提出了很高的要求，因為降水范圍越大，設備越難做到密封。同時該方法的降水設備比較笨重，要求有較大的空間來進行安裝，因而限制條件較多。4.3噴射井點降水噴射井點降水法6是目前工程中正在逐步推廣的一種較為先進的基坑降水方法。該方法是以輕型井點降水法為基礎進行的改進，需要的在降水井的底部提供250mm水銀柱額真空度。該機坑降水方法的有點事明顯的，降深能達到驚人的20m，其他的基坑降水方法很難做到這一點。然而利弊相生，降深的巨大是以高真空度的保持為前提，這就給系統(tǒng)的保障工作提出了很高的要求。

23、同時，為了維持高的真空度，需要耗費大量的電量，投入高于其他的降水方法。4.4電滲井點降水電滲井法6一般不是一種可以單獨使用的降水方法，該方法主要用于滲透系數(shù)很低的土層進行地下水的收集，然后再通過降水方法將其抽出。電滲井法是利用電滲現(xiàn)象使?jié)B透系數(shù)很小的細顆粒土中的水發(fā)生定向移動，該降水方法明顯的會消耗大量的電能，因而成本較高，但是卻是對低滲透土層降水的首選。4.5管井井點降水管井6是一種自流排水井，很明顯的這種降水方式在低滲透性的土層中式完全不適用的。該降水方法僅僅適用于高滲透性、水量大的土層的基坑降水，且降水量大，一般適用于潛水層，因而降深較小，深基坑一般不會采用。4.6深井井點降水深井井點降

24、水法6在當今的基坑降水工程中越來越多的被采用，現(xiàn)代地下工程越來朝著深大的方向發(fā)展，這就要求基坑降水的范圍大、降深大這也就意味著伴隨著抽水量大，深井井點降水法的特點很好的適應了這樣的要求。深井井點既然能到達大抽水量的要求，一般也對施工的土層有一定的限制，即該種方法適應的土層是滲透系數(shù)大的土層，同時透水層也要厚度大，可以最大有15m的降深，既可布置在基坑內(nèi)進行坑內(nèi)降水，也可以布置基坑外圍進行坑外降水，可以有效地防止基坑底突涌和流砂，在特定土層中具有無可比擬的優(yōu)勢。當然該方法也有自己的缺陷，深井井點降水降水量大，速率高，降水曲線陡峭，這往往造成周圍環(huán)境發(fā)生快速的沉降，不均勻沉降也比較嚴重，對于周圍環(huán)

25、境的控制比較困難。從巖土體的降水深度、滲透系數(shù)以及結(jié)合各個降水方法的各自的優(yōu)缺點，可以對不同工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的基坑工程降水方案進行最優(yōu)化的選擇。在綜合各方面的因素時，安全作為第一位的，經(jīng)濟因素作為重要的影響因素。為了更直觀的進行比較，如表4.1。表1降水技術方法適用范圍、優(yōu)點、缺點對比表方法名稱土類滲透系數(shù)（m/d）降水深度優(yōu)點缺點水文地質(zhì)特征明排井（溝）粘性土、砂土<0.5<0.2施工簡單,費用低廉坡面易失穩(wěn)上層滯水或水量不大的潛水輕型井點填土、粘土、粘性土、砂土0.120.0單級<6,多級<20設備簡單,輕巧; 施工污染小,對場地無要求長時間降水時,對供電、抽

26、水設備要求較高噴射井點<20降水深度大地面管網(wǎng)復雜, 工作效率低,成本高電滲井點粉土、粘性土<0.1井類型決定提高滲透性, 縮短降水時間,提高降水效果受土層的導電能力影響大, 耗電多引滲井點粘性土、砂土0.120.0地質(zhì)條件決定縮短時間,省電、快速、低成本只有滿足引滲降水地層結(jié)構條件,才能使用弱透水層下有厚強導水含水層管井粉土、砂土、碎土、可溶巖、破碎帶1200.0>5大面積,大降深的降水只適用中、強透水層含水豐富的潛水、承壓水、裂隙水輻射井點粘性土、砂土0.120.0<20占用面積少,便于管理與維修一般只適用滲透性較好的含水層大口井砂土、碎石土20200.0<2

27、0成本低只適用于淺基坑降水;有時作為輔助方法布置于基坑底部5 基坑降水方案主要參數(shù)的計算5.1基坑降水影響半徑基坑降水工程中，需要考慮布井的個數(shù)，同時也要考慮降水對周圍環(huán)境的影響，這些都要求確定一個基本參數(shù)，即基坑降水的影響的半徑9，這對于任何計算理論方法都一樣，無論是傳統(tǒng)的解析法還是數(shù)值模擬方法。5.1.1對于沒有隔水帷幕的情況下影響半徑的確定9理論公式為：R=1.5TtSs 常用的班經(jīng)驗公式為：R=HoK2 ； 在實際工作中還采用庫薩金公式：R=2SKHo 常用的還有吉哈爾特公式：R=10SK其中 Ss單位彈性釋水系數(shù)； 為入滲強度；還有一種特殊情況，就是當基坑有側(cè)向補給水源是，基坑降水井

28、的影響半徑由基坑邊境形狀還有降水井距離邊界的距離決定。5.1.2有隔滲帷幕時9水位降深、點距降水井的距離以及總降水量三者的關系：Ho-hr=Q2krwsin-1（rwr）其中 H0為初始水頭m； hr計算點處的水頭m； Q為總涌水量m3； rw為井半徑m；5.2基坑涌水量95.2.1潛水含水層 完整井 Q=1.366K(2H-S)SlogR-logr0 封閉干擾井群法 Q=1.366K(2H-S)SnlogR-i=1nlogri非完整井：基坑底進水 Q=4ksr0 基坑壁進水 Q=KH2-h2lnRr0+h-llln1+0.2hr0其中 H為潛水含水層厚度（m）；h為基坑動水位至含水層底板深度

29、（m）；S為水位降深（m）；R為引用影響半徑（m）；r0為基坑半徑（m）；l為過濾器工作部分長度（m）。5.2.2承壓水含水層 完整井 Q=2.73KMSlogR-logr0 封閉井群干擾法 Q=2.73KMSnlogR-i=1nri非完整井：基坑底進水Q=2KSr0 基坑壁進水 Q=2KMSlnRr0+M-llln(1+0.2Mr0)5.3單井出水量10單井出水量的計算一般采用單井抽水實驗進行確定；當沒有實驗條件時，可以用公式進行估算：q=120rl3 K 還可以運用下面經(jīng)驗公式：q=24lda其中 q為單井允許出水量m；K為滲透系數(shù)； l為過濾器工作部分長度m； r為過濾器外徑m; a為含

30、水層滲透系數(shù)有關的經(jīng)驗系數(shù)。6 基坑降水優(yōu)化設計方法在實例中的運用對于基坑降水方案的優(yōu)化設計，無論在降水理論方面還是在具體的基坑降水方法上，限于只是儲備的有限，目前我都很難有新的見解。在本文中，我將在原有理論方法的基礎上，進行統(tǒng)籌安排組合，提出有些新的見解地基坑降水方案的優(yōu)化設計方法。常規(guī)步鄹包括11：（1）盡量全面的掌握降水工程的背景資料，這其中包括降水基坑的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，為了評估基坑降水對周圍環(huán)境的影響還要掌握基坑周圍建筑物的分布、管線的分布以及它們對于沉降的要求等；（2）要確定最優(yōu)化的數(shù)學模型，需要有相應的目標函數(shù)進行優(yōu)化目標的指導，由基本的參數(shù)出發(fā)驗算得到優(yōu)化后的方案；（3）

31、基坑工程的施工過程，從頭至尾都離不開實時的量測，任何既定的降水方案都不能完全的適應工程的需要，這就需要現(xiàn)場的量測結(jié)果來對既定方案進行現(xiàn)場的隨時的協(xié)調(diào)、改變、再設計，來達到優(yōu)化基坑降水方案的的目的；（4）基坑降水工程結(jié)束以后，還需要對周圍環(huán)境，特別是周圍重要建筑物進行持續(xù)的監(jiān)測，直到這些建筑物穩(wěn)定并保證不會再因為已產(chǎn)生的沉降與變形發(fā)生破壞為止。下面，我們將以上海市人民廣場的地下變電站作為基坑降水的實例，套優(yōu)化方法在該工程中實際運用。6.1 資料系統(tǒng)的分析和優(yōu)化問題的提出該地下變電站圍護結(jié)構為外徑62.4m，內(nèi)徑58.0m，入土深度38.5m的圓形筒體。開挖土體深度24.0m，含水層厚度以及地下水

32、位均按照最不利條件進行簡化。相關信息見圖6.1圖6.1 深基坑結(jié)構及承壓水含水層剖面圖由此可見，水頭壓力超過土層壓力，基坑底板顯然是不穩(wěn)定，存在突涌的可能性，需透過降水降低承壓水頭，使含水層頂板處土層壓力大于含水層頂板處的水頭壓力，即pw<ps。安全系數(shù)K取1.2-1.5。該基坑的施工場地位于上海市中心人民廣場內(nèi)，該廣場周圍高層建筑林立，管線密布，施工環(huán)境復雜?；颖旧黹_挖深度達到24.0m屬于超深基坑，施工難度大。特別是基坑東面有一條主自來水供水管道，沉降量不能超過10mm。還有距離基坑110m處的大陸飯店也是重點保護的對像?；咏邓^程中要嚴格控制對周圍環(huán)境的影響，為了確保安全，要在

33、基坑與建筑物之間設置一排回灌井，防止過大沉降以及差異沉降的出現(xiàn)。表6.1地層參數(shù)綜合表層號地層名稱厚度（m）標高（m）工程地質(zhì)特征水文地質(zhì)特征含水量w（%）容重（KN/m3）孔隙比e壓縮系數(shù)11垂直滲透系數(shù)Kx含水層類型靜水位標高（m）水平滲透系數(shù)ks填土0.603.50褐黃色粉質(zhì)粘土0.301.901.040.30潛水2.243.90X10-4灰色淤泥質(zhì)粘土3.605.000-3.124.3342.517.61.200.7081.61X10-5灰色粉質(zhì)粘土9.5011.20-13.51-14.5949.017.01.421.0011.24X10-71灰色粉質(zhì)粘土12.3013.80-26.3

34、4-27.3835.818.01.050.5311.80X10-7弱透水層1.671.15X10-52蘭綠色粉質(zhì)粘土11.0017.10-37.81-44.0733.018.31.000.3813青灰色粉細砂1.5010.40-39.31-53.4128.018.80.840.2573.1514.50-52.18-54.9324.019.00.760.1023.09X10-4承壓水-1.633.70X10-3灰色粉質(zhì)粘土17.9023.50-72.53-76.6930.918.60.900.275灰色中粗砂2.95未穿23.219.50.690.093由上表的地質(zhì)工程資料，為了解決承壓水對基坑

35、底板的不利作用，必須布設抽水井進行基坑降水，從而降低基坑底板范圍內(nèi)的承壓水頭，地下水承壓水頭降低越多，基坑地板的安全性越能得到保障。然而，還有一個不利的后果就是，基坑降水導致土層固結(jié)，從而導致地面沉降，這對于周圍環(huán)境的影響將是不利的。因此，必須對抽水井進行優(yōu)化布置。在保證基坑底板安全的前提下，盡量少抽水，從而減少對周圍環(huán)境的影響。與此同時，為了保證周圍建筑物的安全，必須重要建筑物與基坑之間布置一定數(shù)量的回灌井20。因而，關于基坑降水的優(yōu)化在此可以總結(jié)為：（1）不論何種情況下，首先在確?；拥装宸€(wěn)定的前提下，再對基坑抽水井的數(shù)目以及位置設計方案進行優(yōu)化，已達到減小對基坑周圍環(huán)境影響的目的；（2）

36、基坑優(yōu)化方案總是想要減少對周圍環(huán)境的影響，當然這要在實現(xiàn)工程目的的基礎上，要減少對周圍環(huán)境的影響最直觀的就是盡量減少降水井的數(shù)量。人民廣場地下變電站基坑降水工程平面布置圖見圖紙6.2。6.2 進行優(yōu)化設計的數(shù)值模擬分析為了進一步驗證降水井布置的合理性以及有效性，需要一定數(shù)學模型進行模擬驗算，前面文章列出了一系列的基坑降水驗算理論，在本工程中，由于工程基礎資料全面，工程對于施工的控制提出了較高的要求，因而選擇地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬進行基坑降水的優(yōu)化設計，其中尤以三維有限元數(shù)值模擬應用最為成熟與廣泛。地下水滲流可以表述為一下單個條件組成的定解問題：（1）地下水滲流微分方程；（2）滲流區(qū)域的邊

37、界條件；（3）滲流區(qū)域內(nèi)各點的初始水頭分布情況（原始條件）。6.2.1 地下水滲流數(shù)學模型微分運動方程反應的是一般的運動規(guī)律，前提條件是多空介質(zhì)各向同性，采用三維非穩(wěn)定流數(shù)學模型為12 16：xkxHx+ykyHy+zkzHz+Q=mwwHt式中 kx:x方向的滲透系數(shù)； ky:y方向的滲透系數(shù)； kz:z方向的滲透系數(shù)； H:總水頭； Q:流量； mw:阻流系數(shù)； w：水的容重； t：時間固體和流體一般是分開進行分析的或者進行一定條件下的疊加運算，但是比奧特提出了在土力學的基礎上使用流固耦合的分析理論，可將地基中的土體與水體進行統(tǒng)一的分析，方程如下：KwKx2xx2+Ky2yy2+Kz2zz

38、2=wt-pt式中 K是地基的體積模量；p是平均總應力N/m2； w是孔隙水壓力。6.2.2 邊界條件與初始條件基坑降水雖然是在一個較小的區(qū)域內(nèi)進行，但是影響具有輻散性，為了減少降水對于模型計算所取定的水頭邊界的影響，同時也是反映降水對周邊環(huán)境的影響，一般將計算域進行上下左右的擴展，本工程中，沿著基坑邊緣，向外擴展500m，計算深度擴展至80m。取出的計算模型，其側(cè)面和地面為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，地面限制垂直位移。砂層土因為透水能力強，其補給水主要是地下水，且補給充沛?？油鉃槌Ｋ?。模型外圍的三邊按照手頭邊界處理，模型以外的地下水完全不受模型內(nèi)水位變化的影響?？拷拥囊幻姘凑斩髁窟吔?/p>

39、進行處理，基坑底部認為不排水，作為不透水邊界，按照流量邊界進行處理?；拥撞亢蛢?nèi)的作為排水邊界按流量邊界進行處理。6.2.3 相應的約束條件在用三維數(shù)值模擬對基坑的滲流，周圍地面的沉降進行數(shù)值模擬以后，需要與實際的設計標準進行對比，對模擬結(jié)果進行驗證，反過來再改進基坑的降水方案，驗證的方法就是與相應點的約束條件進行對比，進而判斷降水方案的安全性。然后根據(jù)相應的優(yōu)化原則，調(diào)整降水井的的布置方案，達到降水方案的最優(yōu)化。（1）基坑安全的約束13基坑既然選擇降水作為基坑開挖施工的前提，那就要求在任何時候，基坑降水的實際水位都要低于基坑施工的安全水位，則有要求htphatp=sHtpKw式中 Htp含水

40、層到基坑底板的距離； htp對應著p點的降壓水位值。將基坑含水層頂板的到基坑底板的距離與通過數(shù)值模擬計算出來的p點的降壓水位值進行比較。（2）環(huán)境安全約束11為了保證基坑周圍環(huán)境的安全，尤其是重要建筑物以及管線的安全，一般要在一些重要的位置節(jié)點設置量測孔，實時監(jiān)測，防止超過沉降允許值的沉降出現(xiàn)，為此需滿足：stksatk其中 satk允許沉降量； stk實際沉降量。根據(jù)相關規(guī)范以及建筑物的重要性來確定允許沉降量的值，實際沉降量的值則是由數(shù)值模擬計算出來，并依據(jù)約束公式進行對比。（3）井容約束11根據(jù)題意很容易就可明白就是降水井的實際抽水量不能大于最大的允許抽水量，因而需滿足下列公式：Qtw=Q

41、atw抽水井或者回灌井所能允許的最大抽水量或者回灌水量Qatw，可以用承壓含水層完整井的泰斯公式進行計算： Qa=4kMswwu wu=1e-udu u=w24t其中 k、M分別為承壓含水層的滲透系數(shù)和厚度； Sw為井內(nèi)水位降深值； W(u)為泰斯井函數(shù)； 為含水層的導壓系數(shù)； w為井的半徑。（4）不均勻沉降約束11不均勻沉降是對周圍環(huán)境的最大危害，若超過允許值，它會造成建筑物的開裂，還會造成管線的錯位斷裂，這些能引起災難性的后果。6.2.4 目標函數(shù)對于任意一個基坑工程來說，都有其對應的特有的工程地質(zhì)情況以及施工指標要求，因而對于不同基坑降水工程，我們總是希望在保證基坑安全施工的前提下最大化

42、的實現(xiàn)其中某一個指標，或者是經(jīng)濟指標，或者是最小沉降指標，或者是最短工期指標，為實現(xiàn)最終的目的而建立的函數(shù)我們稱之為目標函數(shù)14。目標函數(shù)目前是進行基坑降水優(yōu)化設計時普遍采用的優(yōu)化方法，首先應該先建立用于方案優(yōu)化的數(shù)學模型，或者稱作將優(yōu)化語言數(shù)學化。建立的數(shù)學方程式最終反映的是設計所要達到的目標以及種種基礎約束條件，當建立了優(yōu)化數(shù)學模型以后，將可能的基坑降水方案帶入目標函數(shù)，進行優(yōu)化選擇。目前，有著以各種目標函數(shù)可以對降水井群進行優(yōu)化設計，如李金軒以排水量最少為目標建立的目標函數(shù)，在滿足基坑降水工程需要的前提下，一切其它的運算都已減少排水量為目的，從而使降水方案得到了優(yōu)化。學者姬永紅依據(jù)井點降

43、水的原理，把工程造價最低最為目標函數(shù)，詳細分析考慮了滿足基坑周邊影響條件的情況下如何對井點進行布置優(yōu)化設計。在實際的降水工程中，不管是以造價為目標函數(shù)，還是以排水量為目標函數(shù)，都可以看到，其最終的要解決的都是如何布置抽水井以及回灌井使其數(shù)目最少。綜合起來看，運用目標函數(shù)進行降水工程的優(yōu)化，需要包括的變量有抽水井的數(shù)量n，以及其位置xi,yi（i=1,2,，n），回灌井的數(shù)量m，以及它們的位置xj，yj（j=1,2，m）,各單井的抽水量以及回灌量分別為Qi和Qj，我們要看到任何一個基坑的降水方案都有多個合理的組合可供選擇，基坑降水的目標函數(shù)同前面敘述的一樣，即是在保證基坑安全和環(huán)境安全的前提下，

44、實現(xiàn)目標函數(shù)所規(guī)定的最終的目標。在本工程中目標函數(shù)以最小排水量為目標，因此，就是在滿足約束條件的前提下，是抽水井n和回灌井的數(shù)目m最小，也使抽水量Qi和Qj最小，相應公式為11 minxti=1n1-Qi+j=1m1-Qj minxti=1n|Qi|+j=1m|Qj|其中 Q=1 當Q=0時0 當Q0時6.3 降水方案的優(yōu)化處理實際的基坑降水工程中，主要有兩種措施對于降水方案進行優(yōu)化處理，一種情況是，當工程中變量較少時，傳統(tǒng)的解析法是一個比較好的選擇，這樣的分析理論方法有著嚴格的數(shù)學推導公式，將基坑降水為題徹底的數(shù)學化處理，可以得到確定的結(jié)果，當然這種方法適用的條件有限，因為影響一個基坑的降水

45、方案的設計的因素太多了，不可能建立完善的數(shù)學模型，這也樣這樣的方法在面對復雜的工程時往往是無從下手。另一種方法是根據(jù)工程地質(zhì)資料，在此基礎上求出一個大體滿足的基礎的方案，然后根據(jù)一定的優(yōu)化方法，進行多方案的對比選擇，選擇出最優(yōu)化的方案。本工程具有自己特點，其優(yōu)化過程總體上是這樣的思路，其以最小的總疏干量最小為目標建立了目標函數(shù)，這一目標函數(shù)實質(zhì)是要通過這一目標的實現(xiàn)來減少基坑降水量，從而減少土層的固結(jié)量，進一步就能減少地面的沉降從而減少對周圍環(huán)境的危害。為了確定最小的降水井以及回灌井的數(shù)量，就從最小的值開始一一帶入驗算，這些驗算的公式就是為了實現(xiàn)這一目標而建立的數(shù)學方程式，然后進行優(yōu)化篩選。

46、該工程具體的優(yōu)化途徑如圖6.3所示，具體來看，首先，先假設有一個降水井（n=1），沒有回灌井（m=0）,由基坑安全的約束條件對其進行驗算，若不滿足依次增減抽水井的數(shù)量。根據(jù)循環(huán)計算結(jié)果可知，當降水井的數(shù)量為4（n=4）時，基坑降水量可以滿足要求。然而為了防止意外情況的放生，故需要布置5個抽水井，其中一個備用井，實際抽水時，4個已經(jīng)完全滿足要求。由上面的計算確定了降水井的數(shù)量，接著就要在降水井數(shù)量已定的情況下再進行位置安排上的計算與驗證，計算結(jié)果表明，降水造成的基坑周圍沉降完全在允許范圍值內(nèi)，故對稱分布布置即可。本工程抽水井的布置主要考慮兩個方面的因素，一是抽水井在基坑周圍對稱布置，這樣可以使周

47、圍環(huán)境的沉降量基本對稱發(fā)生，從而可以減少差異沉降量，尤其在圓形基坑工程中，效果尤佳。二是盡量減少東側(cè)復雜環(huán)境一邊的降水量，尤其是要避開靠近基坑的700mm上水管的位置。根據(jù)上述兩個原則，抽水井的優(yōu)化結(jié)果見圖6.2。前面已經(jīng)確定了抽水井的數(shù)量以及位置，也已經(jīng)對其位置的合理性進行了驗算，接下來將由環(huán)境安全約束條件對回灌井的數(shù)量進行驗算。同上面的的形式，經(jīng)循環(huán)驗算以后得到，當n=4，m=3時，上水管檢測出的沉降為9.2mm，玄武路檢測出的沉降為7.58.6mm，中山飯店處檢測出的沉降為4.06.1mm,差異沉降只有0.9mm，可以滿足環(huán)境安全約束條件。而其位置則不需進行驗算，很確定，就是均勻的布置在

48、基坑與保護建筑物之間。圖6.3基坑降水工程優(yōu)化解法框圖116.4 降水運行的監(jiān)測該工程降水方案按照優(yōu)化設計方法進行降水方案的最優(yōu)化設計以后，還應在現(xiàn)場實際應用中布置相應的監(jiān)測系統(tǒng)進行基坑降水過程中的全過程監(jiān)測11。本工程設置兩個監(jiān)測系統(tǒng)，一個是有19個觀測孔監(jiān)測地下水位變化的監(jiān)測系統(tǒng)。主要用于實時觀測潛水的水位，最主要的是實時觀測承壓含水層承壓水的水位。另外一個觀測系統(tǒng)是由44個觀測點組成的周圍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該觀測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測周圍地面以及建筑物的沉降，監(jiān)測系統(tǒng)的布置見圖6.2。布置監(jiān)測系統(tǒng)的目的在于能夠降水方案的作用效果實時的反饋給相關人員，及時的對降水方案再做調(diào)整，即實現(xiàn)基坑方案的實時優(yōu)

49、化。7 結(jié)語與展望降水工程作為基坑工程的重要組成部分，大多時候?qū)τ诨庸こ痰某蓴【哂袥Q定性的影響.其重要性可見一斑。如今，基坑降水工程無論是在理論支撐上，還是具體的的施工方法上，都有了長足的發(fā)展。對于基坑降水工程來說，針對不同的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)以及周圍環(huán)境來說，目前來說，真正的難點不是在于如何確定選用何種具體的降水措施，難點在于如何對降水井以及回灌井的數(shù)量以及數(shù)目進行系統(tǒng)的優(yōu)化21。由于當今的基坑工程普遍面臨著工況復雜的情況，即不但工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復雜，更重要的是，周圍的環(huán)境的影響愈來愈大。這就對井點的優(yōu)化布置提出了更高的要求。文章中，本人并未有并沒有在滲流理論以及降水方法上有任何創(chuàng)新點，重點在于運用已有的理論和方法，對基坑降水方案的優(yōu)化進行一些簡單的探索，由于本人學識能力有限，有所謬誤時所難