真空管井在互層土層中降水效果的數(shù)值模擬

陳 劍，熊宗海，范衛(wèi)琴,3，張紅章,3，徐 升

（1.保利（武漢）房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，湖北 武漢430074）；2.武漢豐達地質(zhì)工程有限公司，湖北 武漢 430074；3.三明學院 建筑工程學院，福建 三明 365004）

弱透水層中如果采用管井降水，在水泵吸力作用下，可破壞土顆粒骨架結(jié)構(gòu)，導致抽水井含砂量增大[1]。 當開挖互層土或基坑底位于互層土中時時往往需要采取進一步的排水加固措施，已有不少的工程事故表明，大部分的滲透破壞發(fā)生于互層土含水層中[2-3]。 不少工程師針對上述問題開展了相關(guān)研究，取得了諸多成果。 有學者[4-5]提出了“砂井” 疏導、“止水帷幕” 阻堵，并與減壓降水相結(jié)合的模式，認為可以解決弱透水層降低承壓水的難題。 張燦虹[6]在二元地基粉砂土中采用管井結(jié)合4 種不同濾網(wǎng)進行降水試驗，提出了合適的濾網(wǎng)尺寸。 部分工程實踐表明[7-10]，在互層土中引入真空技術(shù)（井管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示），會提高降水效果、增加單井出水量，但目前互層土中真空降水方案的優(yōu)化設計往往借鑒普通管井降水設計方法以及相關(guān)工程實踐經(jīng)驗，本文依據(jù)武漢市相關(guān)工程實例，通過有限差分軟件FLAC3D，對互層土地區(qū)的真空管井降水過程進行模擬研究，探討不同真空度條件下土體內(nèi)滲流場的變化規(guī)律，對真空管井降水設計相關(guān)參數(shù)進行分析，以期為互層土地區(qū)的真空降水設計提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

圖1 真空井管結(jié)構(gòu)示意圖

1 模型建立

1.1 模型參數(shù)

以武漢華潤萬象城基坑工程為例，土層條件及水文地質(zhì)條件見表1，土體模型相關(guān)參數(shù)見表2，壓力水頭高度設置如下：砂層承壓水水頭位于互層土層頂板之上3 m，互層土水頭位于其頂部上方1m。 土體及降水井模型見圖2～3。

表1 模型各土層的物理力學參數(shù)表

表2 模型相關(guān)參數(shù)

圖2 土層數(shù)值模型圖

圖3 真空降水管井模型

在土體模型中心位置設置真空管井，由實管和濾管兩段組成，實管位于頂部粘土層中，濾管位于互層土中，如圖1 所示。

計算時固定模型底部及四周的孔隙水壓力，即模擬該處為定水頭邊界。

1.2 計算簡化

關(guān)于降水井的模擬，F(xiàn)LAC3D 中提供了pwell 與vwell 命令來實現(xiàn)，該命令可以指定模型中某單元或某節(jié)點的抽排水速度。但是若按實際工程中60～80 m3/h 的抽水速度來計算，該模型求解過程非常緩慢，平均每計算1 時步約相當于實際10-5s，一臺高性能計算求解1 h 僅模擬抽水5 秒鐘，而實際降水時間很長，為提高計算效率，模擬管井降水時將管井管壁孔隙水壓力固定為零，相當于實際工程中滲入至井管中的地下水能在第一時間被全部抽出。 雖然實際工程中由于潛水泵功率有限，不可能達到將降水井內(nèi)地下水完全疏干的程度，但是使用此方法可以求得管井降水的極限涌水量。 同時對于互層土層來說，在降水工程中，基坑底的地下水位往往會降低至互層土層底面以下，此時正對應井內(nèi)孔隙水壓力為零的情況，因此當側(cè)重研層土的降水效果時采用此簡化是合理的。

2 計算結(jié)果分析

2.1 真空壓力對降水效果的影響規(guī)律

根據(jù)相關(guān)學者的研究，土體中真空負壓絕對值隨深度和水平距離的增加而呈線性減小[11-12]。 依據(jù)該研究得到的規(guī)律，對井內(nèi)的真空度分布設置為0、6.5、8.5 和10.5 kPa 負壓進行模擬。

記錄整個求解過程中土體孔隙水壓力、井管各處涌水速度以及涌水量。 互層土層在不同真空度下的涌水速度、涌水總量隨時間的變化規(guī)律曲線見圖4 和5。 不同真空度條件下土體孔隙水壓力在某時刻的分布情況見圖6～7。

圖4 不同真空度下涌水速度隨時間變化曲線

圖5 不同真空度下涌水總量隨時間變化曲線

由圖4～5 可知

（1）涌水速度在前20 h 內(nèi)下降較快，速度衰減明顯，近乎腰斬，隨后穩(wěn)定在0.004～0.001 m3/s 之間。 這符合相關(guān)工程抽水實驗測得的涌水數(shù)據(jù)：濾管只在互層土層中時涌水量約3～8 m3/h，說明此數(shù)值模型是合理、可行的。

（2）3 種真空度條件下，互層土含水層平均涌水量分別為：18、23、28 m3/h，管井內(nèi)真空度每提升2 kPa 時，互層土含水層的涌水速度及涌水量大約增加25%至30%。 當管井內(nèi)有6.5 kPa 真空度時，其涌水量相當于普通管井的3.5 倍。

圖6 6.5kPa 真空度條件下土體孔隙水壓力

圖7 不同真空度條件下連續(xù)抽水100h 后土體孔隙水壓力

圖6 為真空度6.5 kPa 時抽水10、50 及100 h 的單井孔隙水壓力分布圖，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）在抽水初期管井周圍迅速形成了一定的負孔壓區(qū)。 隨著抽水時間的延續(xù)，負壓區(qū)在互層土層中不斷擴散，形成一個小范圍的漏斗狀。

（2）土的滲透性影響著真空負壓傳遞效果，真空負壓在粉質(zhì)粘土層中其傳遞的速度緩慢且范圍有限，在粉砂層中則傳遞較快且區(qū)域廣。

（3）當抽水時間達100 h 時，真空負壓區(qū)域的傳遞基本達到穩(wěn)定，此時其最大范圍相比抽水初期要擴大 5～6 倍。

對比圖 7 中（a）、（b）、（c）3 幅圖，很明顯：真空度越高，負壓區(qū)域范圍越廣；真空度越大，井管附近土體中水力梯度也越大，因此地下水向井管匯集速度越快，從而使得負壓在土體中的傳遞效率得到提升。

2.2 管井間距對降水效果的影響規(guī)律

保持土層模型及井管結(jié)構(gòu)不變，對稱設置2 口真空井，模型圖如圖8 所示。 將井距設置為不同的值，對降水過程進行模擬。 計算得不同井距條件下某時刻的孔隙水壓力分布云圖見9，圖10 為真空度6.5 kPa 抽水100 h 時單井涌水速度隨井距的變化曲線圖。

圖8 雙真空降水井管模型

圖9 不同井距土體孔隙水壓力分布云圖

從圖9 中可以發(fā)現(xiàn)：

（1）當井間距較小時，兩口真空井之間的漏斗狀負壓區(qū)會存在一定范圍的重疊與連通。 實際上當土體中孔隙水壓力減小為0 時，其中的地下水就已經(jīng)被疏干，負壓重疊與連通就標示著降水功效的浪費。

（2）隨著井間距不斷擴大，兩井之間的負壓重疊區(qū)域逐漸減小。 當井間距較大時，兩口井的影響范圍交集過小，基本可看作兩個獨立的井在降水。

從圖10 中可以看出

（1）當井間距從 4 變化至 8 m 時，單平均井涌水速度上升幅度較大。 此階段由于井間距較小，2 口真空井高負壓影響區(qū)有較大部分的重疊，使得每口井平均影響范圍相比單井要小，因而當井間距增大后，高負壓重疊區(qū)逐漸減小，涌水速度大幅上升。

（2）當井間距為 8～10 m 時，單井平均涌水速度與1 口井模型計算得到的結(jié)果相同。 隨著井間距近一步增大至20 m，單井平均涌水速度也隨之增大，此時得到的單井平均涌水速度將大于1 口井模型計算得到的結(jié)果。 造成這“1+1≥2”現(xiàn)象的原因是2 口真空井真空場在區(qū)域上疊加，使得其影響范圍有一定的擴大，當擴大區(qū)域?qū)τ克守暙I可以抵消甚至強于重疊區(qū)的對涌水效率的負面效果時，就會使得2 口真空井的單井平均涌水速度等于或大于1 口真空井的涌水速度。

（3）當2 口井間距由20 變化至30 m 時，單井的平均涌水速度開始緩慢下降并逐漸趨近1 口真空井的涌水速度結(jié)算結(jié)果，這是由于雙井間的真空負壓疊加區(qū)域范圍逐漸變小，使得兩者間的相互影響減弱，逐漸變?yōu)閮蓚€獨立的井在降水，無法利用真空疊加區(qū)加速區(qū)域地下水的滲流。

圖10 單井涌水速度隨井距的變化曲線

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

通過數(shù)值分析方法，研究了真空管井降水法在互層土中的降水規(guī)律與降水效果，同時不斷改變管井的真空度和井距，得到了上述因素在對降水效率的影響規(guī)律。 主要研究結(jié)論如下：

（1）互層土中真空降水井比普通管井涌水速度上要快的多，當管井內(nèi)有6.5 kPa 真空度時，其涌水量相當于普通管井的3.5 倍，降水效果明顯。

（2）真空度越高，涌水速度和涌水量越大，管井內(nèi)真空度每提升2 kPa 時，互層土含水層的涌水速度及涌水量大約增加25%至30%。

（3）真空井單井涌水速度隨著間距的增加而呈先增大后減小的規(guī)律變化，在本工程土質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，最優(yōu)的井徑比為25～30。 在實際降水工程中，可以依據(jù)工程實際的工程條件，求得最佳的真空井布置間距及形式，最大化的提高降水效率。

3.2 展望

（1）互層土中不同的層理，本模型建立的是具有水平層理的互層土，實際工程中如交錯層理、楔形層理等對互層土的透水性的影響需要進一步研究。

（2）所有降水方法并不一定獨立使用，不同方式的混合使用在互層土地區(qū)的降水效果有待進一步研究。