超大面積深基坑深井降水干涉井群計算方法研究

王翠英，蔣 宇，朱 健

(湖北工業大學土木工程與建筑學院武漢，湖北 武漢 430068)

超大面積深基坑深井降水干涉井群計算方法研究

王翠英，蔣 宇，朱 健

(湖北工業大學土木工程與建筑學院武漢，湖北 武漢 430068)

闡述了干涉井群的另一種計算方法“水力削減法”。依據有觀測孔的單井抽水試驗數據，得出各干涉井在預期點處的水位削減值、涌水量減少系數。根據涌水量函數關系不變原理，即各干涉井涌水量減少系數隨水位降深增大而近似保持為一常數α，采用多井系統理論，推導出干涉井群各種水文地質計算公式。結合工程實際，根據推導的計算公式，得出降水計算結果。通過與工程實例對比，計算結果與實測數據較為吻合。該成果為類似地層超大型深基坑的干涉井群降水設計提供了借鑒。

干涉井群； 減少系數； 水力削減

在基坑工程施工中常用的降低地下水位的方法是深井降水。由于地下水理論計算的復雜性及影響因素的多樣性，使得目前的計算理論及軟件有很多不完善的地方，設計結果與實際運行的井數相差甚遠。本文依據井群相互干涉原理，采用干涉井群的另一種計算方法“水力削減法”，根據有觀測孔的單井抽水試驗資料，進行各干涉井的水文地質計算，設計降水井數為55口(77m3/h)。基坑大面積開挖到地面下13 m時，實際抽水井運行了55口，從觀測孔水位得知，基坑各點處水位低于基坑底1 m, 基坑開挖工作進展順利，降水效果良好，且大幅降低工程造價。

1 干涉井群降水設計基本理論

如果在一個含水層中有兩口或是多口井共同工作，當井與井的間距小于影響半徑時，它們之間就要相互影響，多井系統中的每口井為干擾井。當有n個井，分別以Qi的涌水量抽水時，對任意點M來說，勢方程[1]為

式中ri為M點到各抽水井的距離。如果每個井的抽水強度相等，Q是總涌水量。則

在井群的補給邊界上的勢為φk，如果是圓形補給邊界，在各個方向上井群中心到補給邊界的距離R均相等。則

潛水含水層中M點的水頭公式為

承壓含水層中M點的水頭公式為

潛水井群的總涌水量方程式為

承壓井群的總涌水量方程式為

干涉井群的另一種計算方法是“水力削減法”，這種方法最初是阿利托夫斯基在40年代提出來的。水力削減法是在實地進行抽水試驗得到一些數據的基礎上進行計算的。根據有觀測孔的單井抽水試驗資料，即可進行各種干涉井群的水文地質計算，而不必進行干涉井群抽水試驗，降低降水成本，其結果與實際相符。

1.1 水流疊加原理

(1)

在穩定的層流運動條件下，承壓抽水井的涌水量和觀測孔的水位削減值近似成比例關系

(2)

將q0(近似為一常數)稱為觀測孔引用單位流量。

1.2 井群相互干涉原理

井群相互干涉的程度可用涌水量減少系數α表示；在同樣的降深條件下，因井群相互干涉的結果而使水量減少的部分

(3)

由此可見，在兩井相互作用下，水位降深S1和S2并不完全起出水作用，在S1中包括著2號井抽水對1號井造成的有效水位削減值ta1在內；同樣在S2中包括著ta2在內。對1號井來說，真正起出水作用的是S1-ta1=Sa1；對2號井來說是S2-ta2=Sa2，Sa(Sa1,Sa2)叫做有效水位降深。

1.3 涌水量函數關系不變原理

當單井抽水時，各井涌水量和水位降深函數關系，即Q=f(S)近似成直線關系時，則各干涉井涌水量減少系數隨水位降深增大而近似保持為一常數[3]。因此，可取各次降深涌水量減小系數的平均值作為計算依據。

1.4 干涉井群的水量計算

在進行抽水試驗期間，對各降水井只進行單獨抽水，觀察并記錄所布置觀測井水位削減值，然后根據水流疊加原理，按式(1)計算預期地點的設計總水位降低值為S時相應的疏干井群總干涉涌水量∑Qi,這樣就減少了疏干井群同時抽水的大規模試驗工作量。

1)先按設計降深S，求得干涉試驗孔在單井抽水時的水位削減值t。

由于含水層等厚、均質(或接近等厚均質)，如果兩個干涉試驗孔的口徑相同(半徑均為r0)，在同樣的降深S下，涌水量Q應該基本上相等，在另一孔中形成的水位削減值t也應該相等。

2)換算不同距離的水位削減值

兩個干涉孔間的距離為r，單孔抽水時的涌水量

如果在ri的距離上，另有一個觀測孔，其水位削減值為ti，則

3)計算各設計孔的水位削減值和涌水量減少系數

將影響半徑范圍內各設計孔與抽水試驗孔間的距離ri代入式(3)中，便可求得在不同距離ri處的設計孔，在單孔抽水時對抽水試驗孔的水位削減值，各個設計孔水位削減總值，即為這些削減值之和∑ti。

在共同抽水時，各設計孔的有效水位削減總值∑tai可按式(4)求得

(4)

按式(5)，可求得各設計孔的涌水量減少系數

(5)

4)計算各設計孔的干涉涌水量

按式(2)，多井干涉時，且各井的水位降深相等，則

qi為單位涌水量，Sa為有效水位降深，Sa=S-∑tai，因此

總干涉水量即為各設計孔干涉水量之和。

2 工程實例

湖北潛江高石碑船閘大型基坑深井降水工程是引江濟漢的基礎性工程，場地位于漢江的一級階地，承壓含水層厚度約57m，船閘基坑長約260m，寬70m。地下水是承壓水，地下水位在地面下1～2m,基坑開挖深度為13m。基坑開挖至10m時已揭穿承壓含水層(細砂層)；高石碑船閘超大型深基坑大面積開挖，承壓含水層厚度大(57m)，考慮到施工期間地下水位應在開挖基底下至少1m處，故設計降深為13.5m。

2.1 抽水試驗

施工抽水井2個，孔徑0.5m，井管直徑0.3m,井深30m,相距30m，其中一個作為抽水井，另一口井作為觀測井，抽水井做三次降深試驗，分別采用80t/h、60t/h、50t/h的水泵進行抽水試驗，測得48h后的穩定水位(表1)。

表1 抽水試驗成果表

井壁外降深為井管內降深扣除水躍值

從抽水試驗成果分析，涌水量和水位降深函數關系近似成直線關系，則各干涉井涌水量減少系數隨水位降深增大而近似保持為一常數。

2.2 多井系統理論計算

沿基坑周圍布置55口井，當1#井以降深(井壁外降深)3m,涌水量86.9t/h(單位涌水量29t/h)單獨抽水時，在2號井中的水位消減值為0.80m,計算在影響半徑范圍內(與1#相距250m)各設計降水井在1#井處的水位削減值ti及涌水量減少系數αi，因αi隨水位降深增大而近似保持為一常數，因此可計算得降深13.5m時，在影響半徑范圍內的各設計降水井在1#井處的水位削減值(表2)。

表2 各設計降水井在1#井處的水位削減值 m

井號與1#間距t1t1+Sααs1-αti214.11.1133.570.3124.2090.6886.115326.60.853.6180.2353.1720.7654.146439.80.6833.6750.1862.5090.8143.082555.90.5423.790.1431.9310.8572.253669.60.4513.40.1331.7910.8672.065788.40.3513.40.1031.3940.8971.5548105.20.2793.4440.0811.0940.9191.1909125.70.2053.4540.0590.8010.9410.85210143.90.1493.4760.0430.5790.9570.605

同理，可計算任意預期點處設計降深為13.5m時所需井數(以該預期點為園心，在影響半徑范圍內各設計降水井)。試算基坑范圍內角點、中心點(A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M)及任意預期點處設計降深為13.5m時，布置55口井所需各設計孔干涉涌水量(表3)。由計算結果知，因各降水井相互干涉的結果，降水后地下水位形成以基坑中心點為中心的降落漏斗，故按布置55口井計算各預期點處所需涌水量時，基坑范圍內角點處所需各設計孔干涉涌水量比基坑中心點處要大(在基坑中心處最小，為46.8t/h；幾個角點處最大，為75.3t/h)。為保證基坑開挖后基坑內每個點處的水位低于基坑底1.0m，故選取80t/h的水泵(80t/h>76t/h)。采用多井系統理論進行計算，結果是：需要55口井。因第一次采用多井系統理論進行方案設計，出于安全考慮，實際工程施工了60口井，大面積全部開挖到基坑底時，實際運行了55口井(80t/h)，與計算結果相吻合，降水井平面布置圖見圖1。

表3 任意預期點水位降至設計降深所需干涉涌水量 t

圖 1 降水井布置圖

3 結論

國家規范設計的降水方案未考慮全國各區域地層的實際情況，湖北天漢軟件設計的降水方案，未能考慮干擾井群相互影響的問題。實際工程中，必須依據井群相互干涉原理，采用干涉井群的另一種計算方法“水力削減法”，根據有觀測孔的單井抽水試驗資料，進行各干涉井的水文地質計算,并推導出干涉井群在預期點處的水位削減值及總干涉涌水量等水文地質公式，才能成功應用于工程實踐。

[1] 苑蓮菊,李振栓,武勝忠，等. 工程滲流力學與應用[M].北京：中國建材工業出版社，2001:25-45.

[2] 施普德.井水量計算的理論與實踐[M].北京：地質出版社，1977(02).322-366.

[3]RourkeTDO′,MerberASCE.Fieldbehaviorofexcavationstabilizedbydeepsoilmixing[j].journalofgeotechnicalandgeoenvironmentengineering[J]. 2000,126(05):420-428.

[責任編校： 張巖芳]

Study on Calculation Method for Interferential Well Broup of Large Foundation Pit Dewatering

WANG Cuiying, JIANG Yu, ZHU Jian

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

This paper presents a new method for the calculation of interferential well group, the ‘hydraulic weaken’ method. Using pumping test data of single well with observation wholes, we can calculate the hydraulic weakening value and water flow decreasing coefficient α of each interferential well at anticipated points. Based on the invariant principle of water flow function, as water drawdown increases in interferential wells, the water flow decreasing coefficient approximately keeps constant. Using the theory of multiple-well system, hydrogeology formula of interferential well group was deduced. The calculated results of practical engineering examples are in good agreement with the measured data, which provides beneficial reference to large foundation pit dewatering design of interferential well group of similar layers. Therefore, this method has high practical value.

interferential well group；water flow decreasing coefficient；hydraulic weakening

2015-01-14

王翠英(1965-)，女，內蒙古包頭人，工學博士，湖北工業大學教授，研究方向為深基坑支護與深井降水

1003-4684(2015)04-0043-04

TU94

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