基于地下水滲流模擬軟件MODFLOW的基坑降水設(shè)計分析

李偉亭， 伍昌友

(1.河南省科達(dá)水利勘測設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003；2.武漢科技大學(xué),湖北 武漢 430081)

基于地下水滲流模擬軟件MODFLOW的基坑降水設(shè)計分析

李偉亭1,2， 伍昌友2

(1.河南省科達(dá)水利勘測設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003；2.武漢科技大學(xué),湖北 武漢 430081)

在石門河倒虹吸降水設(shè)計計算中，通過對地下水模擬軟件MODFLOW的應(yīng)用，在降水前對各項方案進(jìn)行分析計算，確定了合理的降水方案，并在后續(xù)施工取得較好的效果，建議該軟件在降水工程設(shè)計計算中推廣應(yīng)用。

數(shù)值模型；基坑降水；方案設(shè)計

在石門河倒電工引工程中，根據(jù)施工開挖要求,采用數(shù)值模擬法對施工開挖降水問題進(jìn)行多方案計算比較,推薦出經(jīng)濟(jì)、合理的降水方案并按計劃組織實施,有效保證施工開挖的順利進(jìn)行。同時要求開挖范圍地下水水位降至倒虹吸基底高程以下1m,即81.7m～81.9m。地基遇壤土夾層需要換填時,需要將基坑中心點的水位降至79.5m。

1 降水方案設(shè)計

1.1 基坑總排水量估算

本次擬將地下水位降低至79.5m高程,即基坑中心的降水水位至少大于9.5m。況且該含水層結(jié)構(gòu)單一,從上至下均是砂卵礫石層,因此級配較差、含泥量較少,沖填物以砂或巖屑為主,該層未揭穿,其最大揭露厚度為36m。在80.0m～82.7m夾有最大厚度2.7m的夾中壤土土層,因此該層為弱透水層。

由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,因此需要降水的范圍較大,在進(jìn)行基坑開挖降水過程中,通過概化大井法估算基坑的總排水量為基坑壁的涌水量和基坑底的涌水量之和。其計算公式如式(1):

(1)

其中,Q為總涌水量m2/h;K為綜合滲透系數(shù),m/h;Hm為有效含水層厚度,m;S為水位降深,m;R為影響半徑,m;r0為井半徑,m;m0為坑底到下臥不透水層距離。

采用式(1)對基坑總排水量進(jìn)行了計算,其結(jié)果如表1所列。

表1 基坑總排水量計算成果表

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

為了合理確定基坑降水方案,配備合適的抽水設(shè)備,需對基坑降水各種指標(biāo)等進(jìn)行分析計算。

降水模擬計算采用技術(shù)成熟、計算精確且應(yīng)用較廣泛的地下水滲流模擬軟件MODFLOW進(jìn)行。開挖基坑形狀為矩形,總長度約1050m,分期施工,、基坑中心處的地下水位需降深為9.5m(地下水位降至79.5m高程),因此管井降水為首選方案,井間距初步設(shè)定為8m,沿基坑馬道邊緣均勻布置,設(shè)計井深28m,全部布設(shè)濾管。

根據(jù)經(jīng)驗公式計算出基坑降水降深9.5m的影響半徑約2500m,其影響半徑以外可以認(rèn)為抽水引起的地下水位變幅很小,可忽略不計,定為一類定水頭邊界;上部邊界為自由水位邊界,下部為隔水底板。由此得到的總計算范圍東西方向?qū)?000m,南北方向長5000m,求得總面積為25km2,垂直厚度68米?；悠矫鎴D如圖1所示,含水層及井管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 基坑平面示意圖

圖2 含水層及井管構(gòu)造示意圖

1.3 單井開采量的試算確定

降水井處含水層垂直方向結(jié)構(gòu)單一,設(shè)置為單層;水平方向,在倒虹吸基坑處的遠(yuǎn)方向考慮到計算的速度和精度,需采用較大的單元格(50m×50m)計算,在倒虹吸基坑近方向?qū)卧癫扇〖用艽胧?采用10m×10m的單元格,在基坑處進(jìn)一步細(xì)化為2m×2m的計算單元,根據(jù)計算可分成了49260個單元格,如圖3所示。

圖3 計算單元格剖分示意圖

為尋找倒虹吸基坑中心降水降深達(dá)到9.5m時的單井抽水量,本次設(shè)計了6鐘單井抽水量,輸入MODFLOW模型進(jìn)行計算,進(jìn)行判斷在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時倒虹吸基坑中心點的水位降深是否超過9.5m。

表2 基坑長度300m穩(wěn)定流試算過程中不同單井抽水量條件下基坑中心處降深結(jié)果

由表2可見,基坑長度為300m時,在井間距8m條件下,當(dāng)單井抽水量達(dá)到4800 m3/d(200m3/h),可滿足工程要求,此時共布井78口。

在基坑長度為300m、寬度為40m、井間距為8m、單井抽水量為4800m3/d條件下,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的地下水位等值線圖如圖4a所示,基坑處的地下水位降深等值線如圖4b所示,X方向上的基坑處地下水位降落漏斗形態(tài)如圖5所示,Y方向上的基坑處地下水位降落漏斗形態(tài)如圖6所示。

圖4a 單井抽水量4800m3/d達(dá)到溫定狀態(tài)時計算區(qū)地下水位等值線圖

圖4b 單井抽水量4800m3/d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時基坑處地下水降深等值線圖

圖5 單井抽水量4800m3/d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時基坑處地下水位降落漏斗(X方向)

1.4 單井開采量一定條件下基坑降水的非穩(wěn)定模擬

從上述的單井抽水量試算結(jié)果得出,在單井抽水量不小于4800m3/d(200m3/h)條件下,地下水趨于穩(wěn)定狀態(tài)時,才能使基坑中心點的水位降深達(dá)到9.5m,但無法求得達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間,因此需要將開采量代入模型,利用非穩(wěn)定流模擬以求取基坑中心水位降深達(dá)到9.5m時需要的時間。

本次計算采用單井抽水量4800m3/d、5040m3/d和5280m3/d分別輸入模型,時間的剖分以每天為一個時段,共模擬90天,其它條件與穩(wěn)定流計算時的條件相同。

分析4800m3/d、5040m3/d和5280m3/d開采時基坑中心的降深歷時曲線分別如圖7所示。從3條歷時曲線可得出,不同單井抽水量條件下,地下水位歷時曲線的形態(tài)基本相同,基坑地下水位在開采初期降幅較大,隨著時間的推移,水位歷時曲線逐漸趨于平緩,在抽水進(jìn)行到60天以后,基坑中心點處前后兩天的地下水位變幅小于0.01m,趨于穩(wěn)定。3種不同單井抽水量條件下,所需時間是不同的,開采量越大,地下水位可以達(dá)到的降深越大,基坑中心水位降深達(dá)到9.5m所需的時間越短如表3所列。

表3 不同單井抽水量基坑中心水位降深情況及所需時間統(tǒng)計

圖7 單井抽水量4800m3/d5040m3/d5040m3/d基坑中心地下水位降深歷時曲線圖

單井抽水量4800m3/d、5040m3/d和5280m3/d開采時基坑中心點處水位降深達(dá)到9.50m時的地下水水位等值線圖分別如下:

圖8單井抽水量4800m3/d時地下水位等值線及降深等值線圖(31天末刻)

(1)單井抽水量4800m3/d。圖8為單井抽水量4800m3/d條件下基坑中心水位降深9.5m計算區(qū)的地下水位等值線圖,及基坑附近地下水位降深等值線圖。

(2)單井抽水量5040m3/d。圖9為單井抽水量5040m3/d條件下基坑中心水位降深9.5m計算區(qū)的地下水位等值線圖,及基坑附近地下水位降深等值線圖。

圖9 單井抽水量5040m3/d時地下水位等值線及降深等值線圖(20天末刻)

(3)單井抽水量5280m3/d。圖10為單井抽水量5280m3/d條件下基坑中心水位降深9.5m計算區(qū)的地下水位等值線圖,及基坑附近地下水位降深等值線圖。

圖10 單井抽水量5280m3/d時地下水位等值線及降深等值線圖(15天末刻)

2 結(jié) 論

由上述計算可得,盡管在單井抽水量4800m3/d時,基坑中心點的水位降深可以達(dá)到9.5m,但實際降水時間可能比較長,而在實際工程降水中,為滿足工期要求,因此在降水初期采取較大的開采量,使地下水位在短時間內(nèi)達(dá)到工程需求降深,然后再采用較小的開采量使地下水位水位基本穩(wěn)定在某一范圍內(nèi),以保證工程的順利進(jìn)行。

根據(jù)前述的穩(wěn)定和非穩(wěn)定流計算,在考慮工期要求的情況下,可采用如下降水方案:工程降水初期利用5280m3/d的單井抽水量,在基坑中心水位降至9.5m后再將單井抽水量減少至4800m3/d,考慮到5280m3/d單井抽水量在突然減小為4800m3/d時地下水位會有所恢復(fù),在5280m3/d單井抽水量抽水在第15天基坑中心點水位降深達(dá)到9.5m后再繼續(xù)持續(xù)抽水5天,以保證在抽水量減少時地下水位仍能滿足工程需要。

通過滲流模擬軟件的應(yīng)用分析,綜合考慮工程區(qū)水文地質(zhì)條件、降水要求、開挖斷面設(shè)計特點、開挖方法、基坑降水涌水量估算結(jié)果等因素,并參考本工程降水試驗段的試驗降排水情況,降水井沿一級距馬道內(nèi)側(cè)5.25m邊坡上布置降水井可滿足該工程降水要求。

[1] DB42/T830-2012,基坑管井降水工程技術(shù)規(guī)程[S]．

[2] JGJT 111-1998，建筑與市政工程降水技術(shù)規(guī)范[S]．

[3] 吳彬，劉磊，黨建新.Modflow在石河子某工程基坑降水設(shè)計中的應(yīng)用[J]．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010,(4):369-372.

(責(zé)任編輯 陳化鋼)

Based on groundwater flow simulation software MODFLOW dewatering design and analysis of foundation pit

LI Wei-ting, WU Chang-you

(1.Henan Keda Water Conservancy Survey and Design Co. Ltd 2.Wuhan University of Science and Technology)

In the Shimen River Inverted Siphon Design precipitation, through the application of MODFLOW software simulation of groundwater, in front of the precipitation of the scheme for calculation and analysis to determine the reasonable program of precipitation, and in the subsequent construction achieved good results, recommend the software in design and calculation of precipitation engineering application.Key words:numerical model； dewatering of foundation pit；conceptual design

2016-09-23；

2016-10-17

李偉亭(1987-)，男，河南鄭州人，武漢科技大學(xué)在讀碩士，從事水利工程管理研究； 伍昌友(1966-)，男，湖北武漢人，教授，從事建筑學(xué)與城市規(guī)劃方面的教學(xué)與研究。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.04.008

TV223.4

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1671-6221(2016)04-0023-05