基于滲流-管流耦合的臨江地下滲流管設(shè)計

唐紅 黃煜 李超 田代佳

摘要：臨江地區(qū)汛期地下水位與江水水位差距較大，地下結(jié)構(gòu)的興建破壞了含水層自然滲流場，使地下水滲流不暢，影響海綿城市與韌性城市建設(shè)效果。為修復(fù)以深基坑為代表的不透水結(jié)構(gòu)對地下水的阻礙影響，引入滲流-管流耦合模型方法和管流等效滲透系數(shù)概念建立了地下結(jié)構(gòu)滲流有限元模型，并以地下水滲流總量為評價指標(biāo)，探究地下滲流管不同設(shè)計參數(shù)對地下水滲流修復(fù)效果的影響。結(jié)果表明：地下滲流管的合理布設(shè)有利于恢復(fù)地下結(jié)構(gòu)區(qū)域的地下水滲流總量，采用密集排布、合理管道長度和半徑的地下滲流管使得地下結(jié)構(gòu)對地下水單位時間的流量削減率由4.33%降低至2.42%，表明地下滲流管具有較好的恢復(fù)自然滲流的效果。

關(guān) 鍵 詞：地下水；滲流；地下滲流管；數(shù)值模擬；地下結(jié)構(gòu)；臨江城市

中圖法分類號：TU94+3.1

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.020

0 引 言

2014年開始，海綿城市建設(shè)試點在全國多個城市有序推進，生態(tài)濕地、透水鋪裝、雨水花園等設(shè)施在地表水的收集下滲環(huán)節(jié)表現(xiàn)出了明顯增益^［1］。但與此同時，許多城市在強降雨過程中依然出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的內(nèi)澇現(xiàn)象^［2］，這表明，在水循環(huán)過程中，僅進行地表水的收集與處理是不夠的。在自然水循環(huán)過程中，地表水垂直方向下滲以及地下水滲流轉(zhuǎn)移也是重要水循環(huán)路徑^［3］。2021年4月，住建部印發(fā)《關(guān)于開展系統(tǒng)化全域推進海綿城市建設(shè)示范工作的通知》，明確了“海綿城市”建設(shè)不是單一設(shè)施或者單一環(huán)節(jié)的一枝獨秀，強調(diào)系統(tǒng)化全域推進，在水循環(huán)的所有環(huán)節(jié)上統(tǒng)一發(fā)力^［4］。

城市地下空間開發(fā)深度和占地面積都不斷增大^［5］，不透水的地下連續(xù)墻與止水帷幕深入地下數(shù)十米，使得原本通暢的地下水土體滲流路徑受阻，被動延長，或者原有滲流方向被改變；同時，深基坑工程導(dǎo)致原本可透水的土體替換為了不透水的密實混凝土，減小了可透水層在地下空間的占比，這也侵占了地下水原有滲流路徑上的滲流面積^［6］。

Zeng^［7］、Shen^［8］、Wu^［9］等相關(guān)研究是通過建立三維流固耦合有限元模型，研究了坑內(nèi)降水下內(nèi)外側(cè)水位分布規(guī)律、基坑滲水變形破壞風(fēng)險等問題；何紹衡等^［10］、黃云浩等^［11］則對懸掛式與落底式止水帷幕施工對地下水位分布影響的規(guī)律進行了研究。

在以武漢為代表的臨江城市地區(qū)，與長江距離越近的區(qū)域地下水位受江水水位變化影響越大，汛期江水水位快速上升，短時間內(nèi)地下水流速流量急劇上升。多項相關(guān)研究^［12-14］表明，大量江邊超深基坑的建造阻礙了地下水的轉(zhuǎn)移，破壞了自然水循環(huán)。為解決上述問題，本文提出在地下結(jié)構(gòu)下方沿水力坡度方向埋置地下滲流管的方法。由于水在管道中具有高于自然土體的流速，基于水力坡度壓差自然流動，在不涉及對地下構(gòu)筑物本體結(jié)構(gòu)或功能做出明顯改變的條件下，該方法通過提高區(qū)域內(nèi)巖土體綜合滲透性來抵消地下結(jié)構(gòu)對地下水造成的滲流路徑延長和滲流面積減小影響，達到恢復(fù)地下水滲流暢通的目的。

1 滲流原理與滲流阻礙機制

地下水的運動有層流和紊流兩種狀態(tài)，流態(tài)判定通常根據(jù)Reynolds（雷諾）數(shù)大小判定，其常用表達式如下：

式中：Re為雷諾數(shù)；v為地下水滲流速度，m/s；d為含水層顆粒的平均粒徑，m；μ為地下水的運動黏度，m²/s。

地下水在含水層中流動的雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時處于層流狀態(tài)，反之處于紊流狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)研究，地下水的臨界雷諾數(shù)一般為150～300^［15］。天然孔隙含水層中地下水流速較慢，雷諾數(shù)一般遠(yuǎn)小于臨界雷諾數(shù)，此時多孔介質(zhì)中的流體流動表現(xiàn)為層流，黏滯力占優(yōu)勢，流體滲流速度與水力坡度呈線性關(guān)系，符合Darcy（達西）滲流定律，絕大多數(shù)非黏性土中的飽和天然地下水流動都服從達西滲流定律，其常用表達式如下：

式中：Q為滲流量，m³/s；K為滲透系數(shù)，m/s；A為沿滲流路徑法向的滲流面積，m²；H₁，H₂為滲流區(qū)域前、后水頭，m；l為滲流路徑長度，m；J為水力坡度；v為滲流速度，m/s。

根據(jù)Zeng等^［7］研究，地下結(jié)構(gòu)嵌入土體造成了含水層滲流被阻礙，最終導(dǎo)致地下水滲流總量削減，如圖1所示。阻滲原因主要來自三個方面：①構(gòu)筑物本身的存在改變了地下水滲流的方向，當(dāng)含水層滲透系數(shù)具有各向異性時，這會使式（2）中K發(fā)生改變導(dǎo)致Q減?。虎诓煌杆畬?dǎo)致滲流只能繞過構(gòu)筑物外輪廓，滲流路徑被加長，即式（2）中l(wèi)增大導(dǎo)致Q減小；③構(gòu)筑物入土深度導(dǎo)致沿滲流路徑法向的滲流面積減小，即式（2）中A減小導(dǎo)致Q減小。

上述滲流阻礙問題催生了優(yōu)化地下結(jié)構(gòu)形狀和布置的應(yīng)對方法，如黃云浩等^［11］提出對地下構(gòu)筑物邊角進行倒角操作，這一方法具有造價便宜、施工簡單的特點，但其會改變地下構(gòu)筑物形狀，對構(gòu)筑物本身的設(shè)計與功能造成影響，且對已建成的構(gòu)筑物無法進行改造。本著盡量減小對構(gòu)筑物本身結(jié)構(gòu)功能影響，提高用地紅線范圍內(nèi)建筑面積使用率的理念，以油氣開采技術(shù)中的水平井和供水取水新技術(shù)中的滲流井為技術(shù)原型，本文提出地下滲流管結(jié)構(gòu)，即在地下結(jié)構(gòu)下方沿水力坡度方向埋置排水管道，使地下水沿水力坡度方向因水頭差自然流動，如圖2所示。

地下水在土體滲流和管道井流流態(tài)之間的復(fù)雜流動問題，一直以來是多孔介質(zhì)流體流動領(lǐng)域的重要研究課題，由于不同流態(tài)的轉(zhuǎn)變，僅從達西滲流定律出發(fā)進行模擬難以得到令人信服的結(jié)論。如Darcy-Forchheimer定律、Brinkman方程等非達西流理論針對流體從多孔介質(zhì)達西線性流動轉(zhuǎn)移到N-S方程管道自由流動的過渡區(qū)域流態(tài)問題給出了流場方程，采用此類理論需要在有限元模擬中反復(fù)迭代計算，使多種流場方程在交界處達到速度與應(yīng)力連續(xù)條件，最終得到穩(wěn)定解^［16］。從相關(guān)研究^［17］中可以看到，隨著模型復(fù)雜度的提升，如多孔介質(zhì)種類變多、模型尺寸變化大等情況下，采用上述達西-非達西復(fù)合流動求解方法計算復(fù)雜度提高，運算量較大。

大量試驗研究表明^［18-21］，陳崇希等提出的滲流-管流耦合模型和等效滲透系數(shù)理論可以很好地模擬與再現(xiàn)地下水在滲流井、自流井等結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定流動過程。這一理論從流體力學(xué)中圓柱管水流水頭損失方程出發(fā)：

式中：ΔH為圓柱管水頭損失量，m；f為圓柱管摩擦系數(shù)；L為管長，m；r為管內(nèi)半徑，m；u為管內(nèi)平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s²。

當(dāng)管流為層流時，可得到管內(nèi)平均流速（等于滲流速度v）方程如下：

式中：γ為流體容重，N/m³；μ為流體運動黏度，m²/s。

聯(lián)立式（4）與式（6），可以定義層流狀態(tài)下管流的等效滲透系數(shù)方程如下：

式中：K_l為層流狀態(tài)下管流的等效滲透系數(shù)，m/s。

據(jù)此可以將管流運動規(guī)律在線性流條件下轉(zhuǎn)化為達西滲流定律形式，與地下水滲流規(guī)律統(tǒng)一如下：

v=K_eJ（9）

式中：K_e為綜合滲透系數(shù)，m/s。在多孔介質(zhì)區(qū)域，K_e取多孔介質(zhì)滲透系數(shù)K；在管道流動區(qū)域，K_e取式（8）中的等效滲透系數(shù)K_l。

滲流-管流耦合模型將井管流動與達西滲流在數(shù)學(xué)形式上完成了統(tǒng)一，將管流部分視為一種滲透系數(shù)很大的圓柱形透鏡體，使得滲流-管流系統(tǒng)問題在有限元模擬中轉(zhuǎn)化為流量連續(xù)變化且含圓柱形透鏡體的新“滲流”系統(tǒng)，使得不同流態(tài)在形式上滿足同一流場方程，避免了不同流態(tài)邊界處變量連續(xù)性問題。上述等效滲透系數(shù)理論提出后，在井徑為0.02，0.05，0.1 m和0.2 m的觀測井進行過水頭模擬與實測水位對比^［22］，在井徑0.1 m、長1 m的抽水井進行過含水層水位降深模擬與Brinkman方程求解對比^［23］、在不同疏降水頭煤礦復(fù)合含水層進行過多個鉆孔涌水量模擬^［24］，在上述不同半徑、不同長度、不同間距的圓柱形管道流-多孔介質(zhì)滲流問題中該理論均得到了廣泛驗證。

2 研究模型建立

基于上述達西滲流定理和滲流-管流耦合模型，將等效滲透系數(shù)引入有限元模擬計算中，以地下水滲流量為評價指標(biāo)，研究地下滲流管長度L、半徑r、空間排列（根數(shù)N）和埋深h等4個影響因素對地下滲流管工作效果的影響。有限元模擬計算使用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件。在本研究中將等效滲透系數(shù)方程以自定義變量形式寫入達西定律求解模塊，以實現(xiàn)對滲流-管流的耦合求解。

為尋找較為普適的一般規(guī)律，本文對實際工程中的復(fù)雜土層因素、水文環(huán)境因素以及構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)進行合理簡化：① 將地下連續(xù)墻或止水帷幕圍成的基坑簡化為三維地下完全不透水理想立方體結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)內(nèi)部無流體流動，不與周圍土體發(fā)生流體交換，長寬均為200 m，埋深20 m；② 將土層簡化為規(guī)則立方體勻質(zhì)各向同性細(xì)砂土，根據(jù)經(jīng)驗值取平均粒徑2.5×10^-4m，孔隙率0.5，滲透率5×10^-12m²，滲透系數(shù)5×10^-5m/s。根據(jù)黃云浩等^［11］研究，這一尺寸地下隔水結(jié)構(gòu)的影響范圍長為1 000 m，寬為800 m，假設(shè)地下40 m以下為不透水持力層，排除其對地下結(jié)構(gòu)滲流規(guī)律的影響；③ 將復(fù)雜地下滲流環(huán)境簡化為有重力影響的單向三維滲流，沿影響區(qū)域長邊方向，滲流水頭每10 m降低0.15 m，即地下水流入流出面總壓差為 1.47×10⁵Pa，除地下水流入流出邊界面外，土體其他邊界均無流動，以消除外界其他擾動；將地下水性質(zhì)簡化為20 ℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的純水，密度1×10³kg/m³，運動黏度1×10^-6m²/s，動力黏度1×10^-3Pa·s。根據(jù)上述定義可以得到簡化模型如圖3所示。

對該簡化模型是否滿足上述理論適用范圍進行流態(tài)雷諾數(shù)校驗，計算得到此條件下模型中雷諾數(shù)最大值位于基坑下表面中心，約為8.48×10^-2，最小值位于土體邊緣，約為2.19×10^-7，均遠(yuǎn)小于臨界雷諾數(shù)150～300，故土體中地下水處于層流狀態(tài)，服從達西滲流定律，也適用于層流狀態(tài)下的管流等效滲透系數(shù)方程。除上述環(huán)境條件外，為滿足地下埋置強度要求，選定地下滲流管材料為鋼筋混凝土Ⅲ級管，在地下結(jié)構(gòu)體下方水平布置，方向平行于地下水滲流方向，以高水頭壓力側(cè)作為管道入水面，另一面作為出水面，管端面布置過濾層阻擋砂土，使管中僅有純水流動，混凝土管壁簡化為完全不透水邊界。在COMSOL Multiphysics軟件中，參考地下排水管常用規(guī)范^［25］，按照下列尺寸參數(shù)設(shè)置地下滲流管長度L、半徑r、空間排列（根數(shù)N）和埋深h四個變量如表1所列。在懸掛式地下結(jié)構(gòu)下方設(shè)置多根圓柱體模型作為滲流管，利用式（8）計算出等效滲透系數(shù)，將該圓柱體設(shè)置為孔隙率為1，具有等效滲透系數(shù)的特殊“土體”，從而通過滲流-管流耦合方式建立起兩者之間的水力聯(lián)系。仿真模擬達到滲流穩(wěn)態(tài)時，對土體滲流流出邊界面上的法向達西滲流速度進行面積分，可得到該區(qū)域地下水滲流流出的瞬時總流量，以此為指標(biāo)評價不同條件下地下滲流管修復(fù)地下滲流的效果。

對于同樣總橫截面積的地下滲流管，可以有多根較細(xì)管均勻密集排列和少量較粗管均勻松散排列兩種空間排列布置方案，基于滲流-管流耦合模型中等效滲透系數(shù)定義式（8），由于等效滲透系數(shù)大小與管徑相關(guān)，不同粗細(xì)的地下滲流管等效滲透系數(shù)不同。模型設(shè)置的3種半徑的地下滲流管經(jīng)計算得到等效滲透系數(shù)如表2所列。

取表1中長度L=200 m，半徑r=0.5 m，根數(shù)N=12根，與地下結(jié)構(gòu)距離h=1.0 m的一組變量條件建立地下滲流管模型。該模型兩端由于流速較快，應(yīng)當(dāng)劃分為非達西流區(qū)域，利用COMSOL Multiphysics軟件“自由與多孔介質(zhì)流動”模塊中的非達西流功能計算該區(qū)域。管道內(nèi)部的純流體流動由N-S流動方程計算，其余土體部分則依然由達西定律模擬計算。將上述基于非達西滲流、N-S流動、達西滲流3種流動方程耦合理論進行的滲流-管流耦合模型有限元模擬結(jié)果，與基于等效滲透系數(shù)理論得到的有限元模擬結(jié)果進行對比，兩種算法計算得到的地下水滲流總量分別為0.014 857 m³/s和0.014 506 m³/s，計算時長分別為233 s和18 s?？梢钥吹?，在計算滲流總量結(jié)果僅相差2.36%的情況下，基于等效滲透系數(shù)理論的有限元模擬計算時間縮短92.27%，故本文使用的等效滲透系數(shù)理論在計算效率上有顯著優(yōu)勢。

由于地下滲流管與基坑、土體整體尺寸差距較大，故模型在空間上采取不同單元大小劃分網(wǎng)格，使用COMSOL Multiphysics軟件的“物理場控制網(wǎng)格”功能，基于超細(xì)化規(guī)則劃分網(wǎng)格，單元大小隨與地下滲流管的距離增大而增大，最大單元大小為35 m，調(diào)整地下滲流管處最小單元大小以與不同尺寸的地下滲流管匹配，最小單元大小越小整體單元數(shù)量越多。選取上述長200 m、半徑0.5 m、根數(shù)12根、與地下結(jié)構(gòu)距離1.0 m的地下滲流管模型為研究對象，對比分析不同最小單元大小與計算時長的關(guān)系如圖4所示。

當(dāng)最小單元大小大于1.5 m后，計算時長趨于穩(wěn)定，計算結(jié)果較為穩(wěn)定。權(quán)衡本研究所需的計算精度與計算效率后，選取最小單元大小為1.5 m，此時單元數(shù)量為445 080，平均單元質(zhì)量為0.639 5，最小單元質(zhì)量大于0.1，得到幾何模型網(wǎng)格剖分圖如圖5所示。

3 模擬結(jié)果

基于上述模型設(shè)置條件及原理公式，利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件建立有限元三維模型，將地下滲流管管流部分等效為滲透系數(shù)很大的圓柱形土體，為地下滲流管模型引入形式上服從達西滲流定律的等效滲透系數(shù)，使得整個模型耦合滲流與管流兩種不同流態(tài)。以表1中設(shè)置的4類變量為基礎(chǔ)，通過控制變量法篩選不同變量條件，展示不同設(shè)計參數(shù)對地下滲流管恢復(fù)滲流暢通性能的影響。

設(shè)置地下滲流管長度L為50，100，150，200，250，300 m，半徑r為0.25，0.50，1.00 m，對應(yīng)管壁厚分別為0.05，0.10，0.20 m，地下滲流管橫截面最高點到地下結(jié)構(gòu)體底面距離h=1.0 m，以地下結(jié)構(gòu)體投影面積為邊界平行于滲流方向均勻水平埋置12根，間距 18.18 m，得到不同長度與半徑模擬結(jié)果如圖6（a）所示；以相同總橫截面積為分組依據(jù)，設(shè)置N=12，r=0.25 m 和N=3，r=0.50 m作為第一組空間排列，本組地下滲流管總橫截面積為2.36 m²；設(shè)置N=12，r=0.50 m和N=3，r=1.00 m作為第二組不同空間排列參數(shù)，本組地下滲流管總橫截面積為9.42 m²，其余參數(shù)設(shè)置同上，得到不同空間排列模擬結(jié)果如下圖6（b）所示；保持其他參數(shù)不變，對L=150 m，N=12的3種不同半徑地下滲流管進行h=0～3.0 m共7組不同埋深的流出量模擬計算，得到結(jié)果如下圖6（c）所示。

以無地下結(jié)構(gòu)體阻滲自然水循環(huán)時地下水在土體區(qū)域滲流量0.014 356 m³/s為基準(zhǔn)，以未布設(shè)地下滲流管且存在地下結(jié)構(gòu)阻水時區(qū)域滲流量0.013 734 m³/s為滲流阻礙基準(zhǔn)（圖6中點劃參考線），計算得到各組變量條件下滲流量相對自然滲流量差值百分比，差值百分比越接近0說明該條件下滲流流出情況越接近無地下不透水結(jié)構(gòu)時的自然滲流?？梢钥吹降叵聺B流管的布設(shè)均明顯減小了地下結(jié)構(gòu)體的阻水影響。滲流阻礙基準(zhǔn)與自然滲流基準(zhǔn)差值百分比為4.33%，同等條件下，在地下結(jié)構(gòu)體下方沿滲流方向平行均勻間距布設(shè)3根半徑0.5 m、長200 m（即與地下結(jié)構(gòu)體等長）的鋼筋混凝土Ⅲ級管可將滲流被阻礙量下降到僅2.42%，阻水影響降低了44.11%。當(dāng)然采用更大半徑、更長長度的滲流管，會更好地減小地下結(jié)構(gòu)的阻水影響，但也會帶來經(jīng)濟性問題，并增大滲流破壞的風(fēng)險。

4 結(jié)果分析

基于達西滲流定律和滲流-管流耦合理論進行有限元數(shù)值模擬，從模擬結(jié)果中可以看到，地下滲流管結(jié)構(gòu)的長度、管徑、空間排列密度對其工作效果的影響都非常顯著，均表現(xiàn)出了正相關(guān)性，而埋深因素則影響有限。

采取等效滲透系數(shù)處理后的滲流管內(nèi)部管流在形式上符合達西滲流定律，因此從達西滲流定律角度對地下滲流管工作原理與各影響因素的影響原理進行分析具有一定的參考性。首先基于式（8）與表2，可以看到各種內(nèi)徑的地下滲流管等效滲透系數(shù)K_l為細(xì)砂土滲透系數(shù)K的10⁹～10¹¹倍，因此當(dāng)?shù)叵滤暇€性層流特性時，基于達西滲流定律，即使小內(nèi)徑的達西滲流管也較之同體積的土體滲透性有極大提升。

根據(jù)圓柱體體積計算公式，半徑r對滲流圓柱管體積的放大效果大于地下滲流管長度L，兩者的增大都會帶來地下滲透管體積的增大，提高了區(qū)域土體整體滲透能力。同時基于式（8），半徑的增大也會帶來滲流管等效滲透系數(shù)的增大，因此半徑的增大對滲流量增大的放大效果優(yōu)于長度。

但由于地下結(jié)構(gòu)對地下水滲流的阻礙作用，從地下結(jié)構(gòu)體下方的達西滲流速度場圖（圖7）中可以看到，越靠近地下結(jié)構(gòu)體投影幾何中心位置流速越快，到地下結(jié)構(gòu)體四周時，流速達到最低，這符合Zeng等^［7］研究中對于地下水繞過地下結(jié)構(gòu)體表面流動時，方向改變、路徑加長的描述，即原本的水平向流動被阻礙壓迫變?yōu)橄蓉Q直向下再水平向流動，然后豎直向上，最終恢復(fù)水平向流動（圖1）。這種滲流速度場分布規(guī)律可能是造成地下滲流管在相同總橫截滲流面積的情況下，選用密集均勻排列的較細(xì)管徑地下滲流管對滲流促進效果明顯優(yōu)于少量較粗管均勻松散排列的原因。

根據(jù)達西滲流定律，達西線性流滲流量變化僅與滲透系數(shù)、沿滲流路徑法向的滲流面積、滲流路徑長度和水頭差這4方面因素有關(guān)。當(dāng)滲流管埋深發(fā)生變化時，土體進出水面總水頭差并未發(fā)生改變，滲流管前后端水壓力差值因此不發(fā)生顯著變化，這可能是造成單向三維滲流條件下，埋深因素對地下滲流管促進滲流效果的影響有限的原因。

根據(jù)圖6匯總的模擬計算結(jié)果可以看到，地下滲流管半徑與長度并非越大越好，首先從恢復(fù)自然滲流目的來看，過長過粗的地下滲流管使得區(qū)域滲流流出量大于自然情況，可能造成更大的地面不均勻沉降風(fēng)險、流砂管涌破壞風(fēng)險和地下結(jié)構(gòu)體滲流破壞風(fēng)險；其次從經(jīng)濟適用性上考慮，通過改變滲流管空間布置的方式，采用密集排列的小半徑較短地下滲流管能在控制成本的前提下充分達到緩解地下結(jié)構(gòu)體滲流阻礙作用的效果。

5 結(jié) 論

（1） 本文基于達西滲流定律進行含水層滲流模擬，懸掛式不透水地下結(jié)構(gòu)體使得1 000 m×800 m區(qū)域單位時間地下水滲流總量削減4.33%，導(dǎo)致了地下水流動阻塞，削弱了海綿城市建設(shè)效果。

（2） 地下滲流管結(jié)構(gòu)修復(fù)含水層滲流場效果較為明顯。在長寬均為200 m，埋深20 m的不透水懸掛式地下結(jié)構(gòu)物下方0～3 m范圍內(nèi)沿滲流方向平行均勻間距布設(shè)3根半徑0.5 m、長200 m（即與地下結(jié)構(gòu)體等長）的地下滲流管后，相同區(qū)域內(nèi)單位時間地下水滲流總量僅削減2.42%，方形止水帷幕造成的地下水滲流阻塞被修復(fù)。

（3） 基于滲流-管流耦合模型與等效滲透系數(shù)理論的有限元模擬表明，地下滲流管作為一種導(dǎo)流措施，具有較好的恢復(fù)自然滲流的效果。后續(xù)研究或可通過比例模型試驗定量分析滲流管效果，進一步驗證滲流-管流耦合模型在該結(jié)構(gòu)中的可行性，以尋求更準(zhǔn)確的地下滲流管設(shè)計規(guī)則。

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（編輯：鄭 毅）

Design of underground seepage pipe in riverside area based on coupled

seepage-pipe flow model

TANG Hong，HUANG Yu，LI Chao，TIAN Daijia

（School of Urban Construction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China）

Abstract：The gap between the groundwater level and the river level during flood seasons along riverside areas is large，and the construction of underground structures destroys the natural seepage field of aquifers，resulting in poor groundwater infiltration and weak effect of sponge city and resilient city.In order to mitigate the influence of impermeable structures represented by deep foundation pits on groundwater obstruction，a coupled seepage-pipe flow model and the concept of equivalent permeability coefficient of pipe flow were introduced to construct a seepage FEM model.Taking the total amount of groundwater seepage as an evaluation index，we studied the influences of different designed parameters of the underground seepage pipe on restoring underwater seepage.The results showed that the reasonable placement of the underground seepage pipe was conducive to the restoration of the total groundwater seepage in the area around underground structures.An underground seepage pipe with dense arrangement，reasonable pipe length and radius can reduce the flow reduction ratio to groundwater flow from 4.33% to 2.42% in unit time，which demonstrates that the underground seepage pipe has positive effect on restoring natural underground seepage.

Key words：groundwater；seepage；underground seepage pipe；numerical simulation；underground structare；riverside city