基坑降水的优化设计方法分析.docx

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基坑降水的优化设计方法分析

第三部分

基坑降水的优化设计方法分析

摘要基坑工程快速发展的今天，作为基坑工程重要组成部分的基坑降水工程自然而然的也要与时俱进，无论是从经济还是从施工安全角度来看，对基坑降水工程的优化都有着重要的意义。

由三维数值模拟模拟发展而来的软件，对土层水的渗流能做到很好的分析，从而方便了基坑降水方案的优化，目标函数法的引入为基坑降水方案的优化提供了一种有效地方法所谓“优化设计”无非就是考虑通过何种降水措施，既要保证基坑地板的稳定性，又要保证不使周围地面因为基坑降水引起超出标准的沉降，很明显这是一对矛盾，一个要求尽量降低水位，另一个要求尽量减少对原有水文地质情况的扰动。

所谓优化就是要在这对矛盾中寻找一个平衡，以一个或者多个目标作为优化的方向，在保证基坑底板不发生突涌的前提下，使降水方案最大化的实现目标的要求。

关键字基坑降水；优化；数值模拟；约束条件；目标函数

1绪论

1.1基坑降水工程发展中的障碍

随着城市建设规模的一步步扩大，高层及超高层建筑在基坑工程实践中，不可避免的成为基坑降水与开挖时必须考虑的关键。

然而基坑周边受基坑降水的影响程度差异性很大，在不同的施工阶段，建筑与以及周边环境的变形也有所不同，时空效应明显，受影响区域具有局部性和方向性。

与一般均匀地址中的理论分析差别很大。

深基坑降水工程是一项极其复杂的工程，有很多因素会对基坑的施工质量产生影响，同时基坑降水本身就是一个矛盾的平衡体，工程中降水没有达到设计要求，会造成基坑底板不稳定的问题。

而降水过超过设计标准时，又会对周围环境造成不利的影响，如地面的沉降以及建筑物因不均匀沉降发生开裂等等。

由上面可知，基坑降水的程度需要严谨的把握，综合考虑基坑工程本身的施工需求以及降水工程对周围环境的的影响。

运用系统的成熟的理论方法，统筹基坑的整体与局部、基坑与周围环境的关系，在矛盾以及相互制约中寻求基坑降水的优化方法[1]。

1.2国内外的发展现状

对于基坑降水理论与方案的研究伴随着地下工程的大发展，也在快速的进步，取得了一大批重要的成果。

国外对于地下水渗流理论的研究起步较早，从19世纪中叶到20世纪初，地下水流模拟的研究看是起步，直到20世纪50年代，对于含水层和不规则边界条件的研究仍然是毫无进展[18]。

60年代以来，利用数值模拟的方法对地下水渗流情况进行模拟的方法快速发展起来，首先兴起的二维数值模拟模型，能够对单层地下水的渗流进行很好地分析，三维渗流模型的建立为各种地下水渗流模拟软件的发展提供了理论依据，耦合模型的出现使地下水的活动与地面沉降之间建立了数学上的理论关系[19]。

比较典型的是三维渗流模型或准三维渗流模型包括R.Bravo（美国）等做的休斯顿模型和A.Rivera（法国）等做的墨西哥模型[2]。

我国学者对地下水数值模拟的研究起步较晚，但是起点高，周志芳教授、朱宏高教授等人通过对具体工程的研究提出了双层结构变参数降水理论计算方法在工程实践中取得了良好的效果。

在基坑降水与地面沉降变形的模拟计算中，学者骆祖江、刘金宝等人建立了三维地下水渗流场与应力场耦合数学模型，运用这种理论方法，可以同步求解出地下水位值以及土体的变形位移量。

该理论考虑了土体的非线性特征及渗透性与应力之间的相互影响，似的人们在研究过程中对土体变形的刻画能够更切合实际。

同时与理论相伴的是各种相应分析软件的出现，如基于常密度地下水的三维流动基本方程设计的可视化三维地下水流动模拟软件VisualModflow[17]，该软件实现了基坑降水过程的可视化、预期化[3]，在工程实践中得到了很好的应用。

1.3基坑降水优化设计的基本思路

总的来说，所谓“优化设计”无非就是考虑通过何种降水措施，既要保证基坑地板的稳定性，又要保证不使周围地面因为基坑降水引起超出标准的沉降，很明显这是一对矛盾，一个要求尽量降低水位，另一个要求尽量减少对原有水文地质情况的扰动。

这个目标可以尽量减少周围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响因素

2.1基坑降水的作用

基坑降水方案的合理与否直接决定着整个基坑工程的成败，其对于基坑工程的作用可见一斑。

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，降低了基坑内外渗透水头差，从而把渗透水里梯度控制在合理范围内，能够消除渗透力的影响,防止流沙的产生。

（2）地下水位的下降，对于降水范围内的土层，其含水量因为降水而显著减小，容量从浮容重度提高到饱和容重，从而这部份土层发生固结，土体的各项工程指标得到改善，抗剪强度得到增强，减少土中孔隙水压力,增加土中有效应力。

（3）基坑降水使土层发生固结作用，从而降低了土层的水含量和孔隙率，这样就能减少甚至杜绝基坑坡面和基底的深水，对与基坑围护结构也是一种保护。

这样工程施工能有一个更有利的环境，也能防止工程事故的发生。

（4）对于基坑工程而言，基坑降水是减少土体含水量的有效方法，从而能够改善土体的性能指标。

不论对于放坡开挖的基坑还是支护开挖的基坑，都可以有效地提高施工条件。

在放坡开挖的基坑中，由于土体固结，使边坡的稳定性得到显著提高。

对于支护开挖的基坑，土层的固结，可显著提高被动区的被动抗力，从而也使围护结构的稳定性得到大大提高。

2.2基坑降水方案选择的影响因素

基坑降水方案的确定主要由施工场地的水文地质条件、基坑的开挖和围护方案来确定，降水方案要整体与局部相结合，综合考虑各方面因素，方案的选择要达到综合效益的最大化。

降水方案的选择主要受一下条件的制约。

2.2.1场地条件

任何施工方法都是以施工对象为服务对象的，也就是说作为基坑降水方案服务的对象的施工场地才是一切问题考虑的中心。

场地本身的条件是我们制定具体降水方案的原始条件，场地的条件包括场地的工程地质与水文地质条件，以及周围的环境包括周围已建建筑物距离基坑的距离、建筑物的体量，还有周围地下分布的管线等这些都是降水方案选择是不可忽略的影响因素[5]。

当然基坑本身的开挖尺寸以及分布等自身条件以及相关的规范要求等等。

综合这些因素，统筹进行考虑，才能确定基坑降水所用的方案。

2.2.2地质情况

基坑场地的工程地质情况对于降水方案的选择是极其重要的，施工场地的工程地质情况包含多方面的内容，这些土层的地质工程资料决定着基坑降水方案的选择。

个人认为由地质情况决定降水方法的这一问题上，没有太多优化的点，因为现代降水方法已经较为成熟，对于不同的地质情况也都有了基本较为适用的方法，真正的难点在于工程地质资料的准确性。

降水方法的选择在工程地质层面上，现在基本考虑的最重要的因素就是土层的渗透性，然而土层的渗透性在同一场地的不同深度不同地点，甚至在不同气候条件下也往往是不同的，具有极强的时空效应，一般的工程地质资料提供的土层渗透性往往具有很大的误差，只能作为参考，现场抽水实验才是确定降水方案的必要途径。

2.2.3场地地下水情况

基坑降水方案的设计，不言而喻，当然要考虑场地地下水的情况，再对降水方案进行确定。

地下水主要分为潜水和承压水两种[6]。

对于基坑工程来说，各部分需要的关注的点不同。

在工程实践中，基坑底板最常见的是发生突涌等工程事故，这种工程事故的产生就与分布于不透水层之间的承压水有着直接的关系，承压水液面与自由水头之间较大的水头差，有时能将基坑底板击穿，从而发生基坑底板突涌渗流等工程灾害。

基坑周围地面的沉降以及建筑物发生的沉降及不均匀沉降主要与地下潜水的扰动有很大关系。

地下水另一个需要着重考察的情况是补给水源的情况，包括补给水源的位置、距离基坑的距离、水源的大小等等，因为是选择坑内降水还是坑外降水方法需要考虑补给水源的问题。

综合来看，为了确定较为准确的基坑降水方法，首先要有较为准确的工程地质资料，即透水土层以及不透水层的位置，这样可对潜水及承压水的位置和分布有个较为准确的掌握。

同时查明补给水源的相关资料，大的补给水源的存在对于基坑降水来说简直就是灾难，可能造成基坑降水完全无效。

3基坑降水分析的理论方法

3.1传统的解析法（以地下水动力学为基础）

传统的解析法主要包括有“大井”法、疏干法等[4]。

解析法运用地下水动力学对基坑降水相关数据进行计算，这在早期的不太复杂的基坑降水工程中还能适用，但在基坑降水条件日益复杂的今天，已经很难再使用了。

解析法中最为常用的就是“大井法”，该方法简单易懂，对于简单基坑降水的设计计算基本适用。

大井法的主要思想就是将场地范围内所有的降水井看成一个整体，即所谓的大井。

降水井群所有的降水井总的降水量相加即为该打井的降水量。

大井中水位的下降量运用常见的叠加法进行计算，即为每一口降水井在指定点出的降深的总和。

从大井法的基本理论可以很容易看出，解析法将场地范围内的土层的工程地质情况过于理想化的处理了，计算是限制条件太多，很难适用于复杂基坑的降水。

其具体缺陷如下[7]：

（1）由于地下水动力学中还没有非稳定流条件下的干扰井群变流量井流计算方法，而在实际中，基坑降水问题属于典型的定降深变流量问题，显然传统的解析法不能反映基坑实际渗流场随时间的变化情况；

（2）传统的解析法在进行计算以前要对场地范围内的地质条件进行理想化处理，这种处理对于简单地质以及在小范围内还是可以接受的，不会产生较大的误差，但是对于复杂场地，该方法的计算结果很可能是南辕北辙，完全对不上实际情况。

前面已经说过，土层渗透性具有明显的时空效应，大范围的概化处理完全忽视了可观的渗流规律，因而误差往往十分惊人。

（3）地下水的渗流是在三维平面内进行的，对于三维渗流问题用解析法很难处理。

3.2复合单元法

复合单元法[4]是对岩土体中水体渗流分析的一种新近发展出来的理论研究方法，学者胡静运用工程实例证明，复合单元法在地下岩土体的水体渗流描述方面具有工程实践价值。

该方法的是将降水井虚拟化至于一个独立的岩土体单元内部，运用与常规有限元理论方程式相同的插值函数对单元体进行理论分析，该函数是以节点水头为变量。

复合单元法，总体来说就是建立在有限元理论基础上的分析方法，通过该方法可以从理论上对比同一地质条件下不同的降水方法的效果，从而为基坑降水方案的优化设计提供一种理论上的分析方法，是一种有益的探索。

3.3阶梯流量法

基坑降水工程中阶梯流量法[4]也是较常见的一种基坑降水方法，该方法具有较强的现场实验的性质，因而要求对基坑水位的监测较为全面。

阶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，同时监测地下水位的变化情况以及地下水位稳定后的情况，与设计水位进行对比。

依次增加抽水井的个数。

反映在抽水量上，很容易理解就是一个阶梯状上升的过程。

而地下水位的呈现出来的谱线必然是成阶梯状的历时下降，知道最后一口井投入使用，地下水位稳定后满足基坑施工的设计要求。

此后，地下水位保持稳定状态，可以进行基坑的开挖等后续工程。

3.4双层结构计算方法

双层结构计算方法[4]是前苏联专家提出的一种比较经典的地下水渗流计算理论。

该理论充分考虑了第一不透水层以上的潜水层与不透水层以下的承压水层的之间的相互关系。

该理论假设认为潜水层与承压水层有着共同的自由水头，同时对适用对象也做了明确的说明，即潜水层的土层渗透系数远远小于承压水层的土层渗透系数。

在这一假设、一前提条件下，该理论可以很好地解决对应工程地质条件下的基坑降水工程的设计问题，具有较好的工程实践性。

但是该理论还是有着明显的缺陷的。

首先，其前提条件为上层土层的渗透系数要远小于下层土层的渗透系数，这一条件将双层计算理论的应用范围限制在了一定的范围内，使该理论不具有通用性。

然后，该理论假设承压水的自由水头与潜水的水头相同，这在工程实际中几乎是不可能的。

实际工程中，下层土层渗透系数大，排水井在对应层面上需设置过滤器，以减少出水量。

上部弱透水层需布置死管，这样就造成地下水渗流场在承压水层呈水平状，而在浅水层则呈现垂直流动，这样两层很难统一起来，因而会有一定的误差。

针对浅水层与承压水层各有独立水头的问题，相关学者对双层结构理论进行合理化的改进，提出了双结构地下水运动的数学模型和计算方法，该理论很好的解决了降水——固结过程中土层物理性质变化的内在联系以及非线性变化过程，很好的刻画了相关参数的空间变化过程。

3.5遗传算法

遗传算法[4]是由人工智能理论发展而来的一种对工程设计进行优化设计的理论方法。

该方法模拟自然界的自然进化模式，针对基坑降水工程这一具体问题，该方法将场地范围内地质情况以及周围的环境等各个要素与基坑降水方案的联系用多个相应的数学模型建立起来，形成系统的数学模型，当然该数学模型明显是一个未知量多于方程数的方程组，能够有一个合理的解空间，通过不断地进行数据分析与计算，总能从解空间里最终找到一个相对最优化的解。

该方法具有很强的适用性，能够解决一些其他理论难以解决的问题，是系统优化方法的一次有益的尝试。

学者刘金伟等将该方法运用到实际的基坑降水方案的设计中，找到很好的基坑降水设计方案，证明了该方法的实用性。

3.6地下水三维非稳定渗流数值模拟法

地下水三维非稳定渗流数值模拟法[4]不同于传统的解析计算，是当今研究基坑降水工程研究的主流计算方法。

该方法要求要充分做好施工场地的地质勘探工作。

包括要有明确的计算范围和边界条件；确定的初始水位。

数值模拟法具有高度的仿真性和可靠性。

在计算机的支持下，应用地下水三维非稳定渗流数值模拟理论发展而来的软件对基坑降水方案进行评价，其计算和修改十分方便、计算结果直观。

在基础资料齐备的条件下，适用于所有的的降水方案的仿真模拟。

尤其是对于工程地质条件复杂、边界形状不规则或者降水要求较高的基坑降水方案的评价具有很强的适用性。

4基坑降水方法简介

在实际的基坑工程中，对于场地范围内的地下水我们采用不同的方法进行处理，主要包括降水和截水[8]等方法。

顾名思义，它们的内涵就不多做赘述，在此只对基坑降水方法进行简要的介绍。

基坑降水方法伴随着地下工程的大发展，也有了长足的进步，方法众多，设备先进，有相关的理论做支撑。

下面会做叙述，在此不多说。

各种降水方法有其特点和适用情况，基坑在降水方法的选定上模式已经比较固定，个人认为降水方式的选择上进行优化的余地已经不多，优化的主要方向在降水井的布排。

一些比较常见的降水方式如下：

4.1明沟加集水井降水

明沟加集水井[6]是一种较为传统的人工降水方法，该方法的最大优点是施工方便，用具简单，费用低廉，因而该方法在施工条件的允许的情况下，往往作为首要的选择，所以在众多的基坑工程中，明沟加集水井方法比较常见。

当然，这种方法在复杂基坑中，几乎不可能作为主要的降水方法，一般作为辅助的基坑降水方法。

该方法的使用很有针对性，特别是在基坑开挖过程中，底板处因为降雨或者潜水渗流而集聚较多的水的时候，明沟集水可以快速的对基坑底进行疏干。

明沟排水虽然具有较多的优点，然而缺点并不是单单只有适用范围小这一个。

很容易想象，在基坑中明沟排水往往造成基坑中一直是泥泞不堪的状态，对于其他工程的部分的施工将是很大的干扰，因而对施工组织的要求就较高。

4.2轻型井点降水

所谓轻型井点降水[6]就是利用降水系统中的真空状态形成内外压力差，以抽取地下水从而实现基坑的降水的方法。

实际在基坑降水工程中，我们又把该方法叫做一级轻型井点降水法，主要适用于降水深度小，基坑范围有限的降水工程。

这种限制是有着明显的客观现实的，因为该基坑降水方法，是利用系统内外压力差进行降水的，若要对大深度、广范围的进行基坑降水，很明显需要降水系统中有着更高的真空度，这对系统的密封程度提出了很高的要求，因为降水范围越大，设备越难做到密封。

同时该方法的降水设备比较笨重，要求有较大的空间来进行安装，因而限制条件较多。

4.3喷射井点降水

喷射井点降水法[6]是目前工程中正在逐步推广的一种较为先进的基坑降水方法。

该方法是以轻型井点降水法为基础进行的改进，需要的在降水井的底部提供250mm水银柱额真空度。

该机坑降水方法的有点事明显的，降深能达到惊人的20m，其他的基坑降水方法很难做到这一点。

然而利弊相生，降深的巨大是以高真空度的保持为前提，这就给系统的保障工作提出了很高的要求。

同时，为了维持高的真空度，需要耗费大量的电量，投入高于其他的降水方法。

4.4电渗井点降水

电渗井法[6]一般不是一种可以单独使用的降水方法，该方法主要用于渗透系数很低的土层进行地下水的收集，然后再通过降水方法将其抽出。

电渗井法是利用电渗现象使渗透系数很小的细颗粒土中的水发生定向移动，该降水方法明显的会消耗大量的电能，因而成本较高，但是却是对低渗透土层降水的首选。

4.5管井井点降水

管井[6]是一种自流排水井，很明显的这种降水方式在低渗透性的土层中式完全不适用的。

该降水方法仅仅适用于高渗透性、水量大的土层的基坑降水，且降水量大，一般适用于潜水层，因而降深较小，深基坑一般不会采用。

4.6深井井点降水

深井井点降水法[6]在当今的基坑降水工程中越来越多的被采用，现代地下工程越来朝着深大的方向发展，这就要求基坑降水的范围大、降深大这也就意味着伴随着抽水量大，深井井点降水法的特点很好的适应了这样的要求。

深井井点既然能到达大抽水量的要求，一般也对施工的土层有一定的限制，即该种方法适应的土层是渗透系数大的土层，同时透水层也要厚度大，可以最大有15m的降深，既可布置在基坑内进行坑内降水，也可以布置基坑外围进行坑外降水，可以有效地防止基坑底突涌和流砂，在特定土层中具有无可比拟的优势。

当然该方法也有自己的缺陷，深井井点降水降水量大，速率高，降水曲线陡峭，这往往造成周围环境发生快速的沉降，不均匀沉降也比较严重，对于周围环境的控制比较困难。

从岩土体的降水深度、渗透系数以及结合各个降水方法的各自的优缺点，可以对不同工程地质和水文地质条件的基坑工程降水方案进行最优化的选择。

在综合各方面的因素时，安全作为第一位的，经济因素作为重要的影响因素。

为了更直观的进行比较，如表4.1。

表1　降水技术方法适用范围、优点、缺点对比表

方法名称

土类

渗透系数（m/d）

降水深度

优点

缺点

水文地质特征

明排井（沟）

粘性土、砂土

<0.5

<0.2

施工简单,费用低廉

坡面易失稳

上层滞水或水

量不大的潜水

轻型井点

填土、粘土、粘性土、砂土

0.1~20.0

单级<6,多级<20

设备简单,轻巧;施工污染小,对场地无要求

长时间降水时,对供电、抽水设备要求较高

喷射井点

<20

降水深度大

地面管网复杂,工作效率低,成本高

电渗井点

粉土、粘性土

<0.1

井类型决定

提高渗透性,缩短降水时间,提高降水效果

受土层的导电能力影响大,耗电多

引渗井点

粘性土、砂土

0.1~20.0

地质条件决定

缩短时间,省电、快速、低成本

只有满足引渗降水地层结构条件,才能使用

弱透水层下有厚强导水含水层

管井

粉土、砂土、碎土、可溶岩、破碎带

1~200.0

大面积,大降深的降水

只适用中、强透水层

含水丰富的潜水、承压水、裂隙水

辐射井点

粘性土、砂土

0.1~20.0

<20

占用面积少,便于管理与维修

一般只适用渗透性较好的含水层[

大口井

砂土、碎石土

20~200.0

<20

成本低

只适用于浅基坑降水;有时作为辅助方法布置于基坑底部

5基坑降水方案主要参数的计算

5.1基坑降水影响半径

基坑降水工程中，需要考虑布井的个数，同时也要考虑降水对周围环境的影响，这些都要求确定一个基本参数，即基坑降水的影响的半径[9]，这对于任何计算理论方法都一样，无论是传统的解析法还是数值模拟方法。

5.1.1对于没有隔水帷幕的情况下影响半径的确定[9]

；

其中

还有一种特殊情况，就是当基坑有侧向补给水源是，基坑降水井的影响半径由基坑边境形状还有降水井距离边界的距离决定。

5.1.2有隔渗帷幕时[9]

水位降深、点距降水井的距离以及总降水量三者的关系：

5.2．基坑涌水量[9]

5.2.1潜水含水层

非完整井：

；

。

5.2.2承压水含水层

非完整井：

基坑底进水

5.3单井出水量[10]

单井出水量的计算一般采用单井抽水实验进行确定；当没有实验条件时，可以用公式进行估算：

；

;

。

6基坑降水优化设计方法在实例中的运用

对于基坑降水方案的优化设计，无论在降水理论方面还是在具体的基坑降水方法上，限于只是储备的有限，目前我都很难有新的见解。

在本文中，我将在原有理论方法的基础上，进行统筹安排组合，提出有些新的见解地基坑降水方案的优化设计方法。

常规步鄹包括[11]：

（1）尽量全面的掌握降水工程的背景资料，这其中包括降水基坑的工程地质和水文地质资料，为了评估基坑降水对周围环境的影响还要掌握基坑周围建筑物的分布、管线的分布以及它们对于沉降的要求等；

（2）要确定最优化的数学模型，需要有相应的目标函数进行优化目标的指导，由基本的参数出发验算得到优化后的方案；

（3）基坑工程的施工过程，从头至尾都离不开实时的量测，任何既定的降水方案都不能完全的适应工程的需要，这就需要现场的量测结果来对既定方案进行现场的随时的协调、改变、再设计，来达到优化基坑降水方案的的目的；

（4）基坑降水工程结束以后，还需要对周围环境，特别是周围重要建筑物进行持续的监测，直到这些建筑物稳定并保证不会再因为已产生的沉降与变形发生破坏为止。

下面，我们将以上海市人民广场的地下变电站作为基坑降水的实例，套优化方法在该工程中实际运用。

6.1资料系统的分析和优化问题的提出

该地下变电站围护结构为外径62.4m，内径58.0m，入土深度38.5m的圆形筒体。

开挖土体深度24.0m，含水层厚度以及地下水位均按照最不利条件进行简化。