基坑工程地下水回灌控沉數值模擬★

曾超峰 薛秀麗 聞 婷 羅 鵬

(湖南科技大學巖土工程穩定控制與健康監測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

·巖土工程·地基基礎·

基坑工程地下水回灌控沉數值模擬★

曾超峰 薛秀麗 聞 婷 羅 鵬

(湖南科技大學巖土工程穩定控制與健康監測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

針對回灌井回揚抽水引起基坑周圍地面沉降問題，開展了雙回灌井組合回灌控沉的數值模擬,研究了雙回灌井的開啟順序及開啟時間差對沉降控制效果的影響，并提出合適的主、副回灌井開啟原則，以為工程設計提供參考。

深基坑，地面沉降，回灌，有限元計算

0 引言

基于沉降控制的地下水回灌措施在基坑工程中的應用已逐漸增多，尤其對于采用懸掛式止水帷幕的工程[1-3]。由于基坑工程中承壓水降水的周期較長，因此回灌井必須保持較長時間的工作狀態。但是回灌井工作時很容易發生井管或過濾層堵塞，其原因有回灌水中摻雜懸浮顆粒、 巖土化學作用及微生物繁殖并產生沉淀堆積在過濾層等。

為解決回灌井長期運行過程中發生的井管堵塞的問題，工程中常采用對回灌井進行周期性回揚抽水的辦法來清洗井管及過濾層，以清理掉可能造成井管及過濾層堵塞的物質，回揚抽水的持續時間常為若干小時。顯然，若多口回灌井同時進行回揚抽水，則類似于基坑群井降水，將引起地面沉降[4,5]。因此，若采用地下水回灌作為控制基坑降水引起的坑外地面及建筑物沉降的方法， 應額外采取措施克服回灌井回揚抽水階段引起的地面及建筑物沉降的問題。

鄭剛等提出了一種基于雙井組合式回灌的沉降控制方法[6]，該方法提出在基坑與受保護建筑之間設置主回灌井，再在主回灌井與受保護建筑之間設置副回灌井，讓副回灌井在主回灌井回揚抽水時進行回灌，以彌補因主回灌井回揚抽水而引起的地下水位的下降和地面沉降。針對這一方法，主、副回灌井的開啟先后順序及開啟時間差的不同顯然對最后的控沉效果有較大影響，因此，本文將針對這一問題開展研究，并提出合適的主、副回灌井開啟原則，以為工程設計提供參考。

1 地下水回灌數值模型

1.1模型概化

本文選用有限元軟件 ABAQUS 建立數值模型，進行二維的流固耦合的數值模擬，主回灌井到受保護建筑之間的距離為D、副回灌到受保護之間的距離為d，雙回灌井與被保護建筑間位置關系見圖1。顯然，在主回灌井回揚抽水過程中，若副回灌井回灌量合適的話，可以防止主回灌井回揚抽水引起的受保護建筑位置處發生水位下降，從而防止受保護建筑發生沉降。

1.2模型建立

采用天津某地鐵車站基坑場地條件[7]建立本文數值模型(工程地質詳細背景在此不贅述)，土體采用修正劍橋模型模擬，土體參數見文獻[7]。主、副回灌井的深度均為24 m，過濾管位于埋深19 m～24 m位置處，即，向第④層土砂質粉土揚水、灌水，模型中通過在主、副回灌井埋深19 m～24 m位置處施加流量來模擬揚水和灌水過程。主、副回灌井直徑均設置為 0.4 m，并采用線彈性模型來模擬。

模型有限元網格如圖2所示。在初始分析步把模型兩邊水平方向固定，底部固定水平和豎直兩個方向，并且把土與井接觸的土的面和井的面固定水平和豎直兩個方向；模型兩邊加一個斜率為10隨土層深度線性增大的孔壓，模型頂部節點的孔壓為零。

1.3計算工況

本文主要分析主、副回灌井開啟時間差(Δt)對雙回灌井組合回灌控沉的影響，并尋求不同條件下使得受保護建筑不發生沉降時的副回灌井回灌量的取值規律。本文中，Δt的取值分別考慮0 h,1 h,6 h,12 h,24 h進行計算，其分別代表副回灌井提前相應時間開始預回灌，隨后讓主回灌井進行回揚抽水。特別地，當Δt取0時則代表主、副回灌井同時回揚回灌。為了簡化問題，本文針對D=12 m，d=3 m的工況開展分析，主回灌井回揚抽水量保持為Q=1 m3/h不變。

2 計算結果與分析

2.1Δt=0 h時的影響

圖3為不同副回灌井回灌量(q)的條件下主、副回灌井同灌同揚過程中被保護建筑變形量時程曲線(變形量正值代表隆起，負值代表沉降，下同)，當q<0.85 m3/h時，建筑物將發生沉降，且q越小，沉降越大，說明此時副回灌井回灌引起的土體回彈變形不足以抵抗主回灌井回揚時引起的土體沉降。當q>0.85 m3/h時，建筑物將發生隆起，且q越大，隆起越大，說明此時主回灌井回揚引起的土體沉降不足以抵抗副回灌井回灌引起的土體隆起。當q=0.85 m3/h時，建筑物既不出現隆起也不出現沉降，因此，在本文主、副回灌井布置與土質條件下，當副回灌井的預回灌時間Δt=0 h時，即主、副回灌井同揚同灌條件下，要使地面不發生隆沉的副回灌井最優回灌量是q=0.85 m3/h。

2.2Δt=1 h時的影響

圖4為不同副回灌井回灌量(q)的條件下主、副回灌井先灌后揚過程中被保護建筑變形量時程曲線，從圖4中可以明顯的發現既不發生沉降也不發生隆起的副回灌井回灌量q相對于Δt=0 h出現了減小，即q=0.82 m3/h，這是由于副回灌井相對于主回灌井先運行1 h，因而相對于Δt=0 h的情況下會首先引起更大的土體隆起(因為建筑物更靠近副回灌井，因此，首先是隆起，待雙井滲流場逐漸穩定后，建筑物開始出現沉降)。因此，當副回灌井的預回灌時間Δt=1 h時，要使地面不發生隆沉的副回灌井最優回灌量是q=0.82 m3/h。

2.3Δt=6 h時的影響

圖5為不同副回灌井回灌量(q)的條件下主、副回灌井先灌后揚過程中被保護建筑變形量時程曲線，從圖5中可以明顯的發現既不發生沉降也不發生隆起的副回灌井回灌量q相對于Δt=1 h出現了進一步減小，即q=0.80 m3/h，這是由于副回灌井相對于主回灌井先運行6 h，因而相對于Δt=1 h的情況下會首先引起更大的土體隆起，待雙井滲流場逐漸穩定后，建筑物開始出現沉降增量，最終變形穩定。因此，當副回灌井的預回灌時間Δt=6 h時，要使地面不發生隆沉的副回灌井最優回灌量是q=0.80 m3/h。

對于Δt=12 h和24 h的情況，使得建筑物既不發生隆起也不發生沉降的副回灌井回灌量將進一步減小，分別為q=0.794 m3/h和q=0.788 m3/h，其機理與上述分析相同，在此不做贅述。

2.4副回灌井最優回灌量與Δt的關系對于所有工況，將副回灌井最優回灌量與Δt的變化關系繪制于圖6中。由圖6可以看出，副回灌井最優回灌量隨預回灌時間的延長呈非線性減小，當預回灌時間大于6 h后，副回灌井最優回灌量變化不大，因此，對于采用雙回灌井組合回灌控沉的工程，副回灌井的預回灌時間不要超過6 h，因為超過6 h后，使得建筑物不發生隆沉的副回灌井的預回灌量減小幅度很小，對水資源的節約有限。

3 結論與建議

本文針對雙回灌井組合回灌的方法，研究了主、副回灌井的開啟先后順序及開啟時間差對建筑物變形控制效果的影響。本文主要結論如下：

1)在主回灌井回揚抽水過程中，若副回灌井回灌量合適，可以防止主回灌井回揚抽水引起的受保護建筑發生水位下降，從而防止受保護建筑發生沉降。

2)主、副回灌井開啟順序及開啟時間差對建筑物變形控制效果有較大影響，要使建筑物不發生沉降，先灌后揚比同灌同揚所需要的副回灌井回灌量要小，且隨著預回灌時間的增大，副回灌井的最優預回灌量越小，但是當預回灌時間超過6 h后，副回灌井最優預回灌量減小的幅度很小，進一步延長預回灌時間將引起水資源浪費。因此，對于采用雙回灌井組合回灌控沉的工程，副回灌井的預回灌時間不要超過6 h。

[1] PHIEN-WEJ N, GIAO P H, NUTALAYA P. Field experiment of artificial recharge through a well with reference to land subsidence control[J].Engineering Geology,1998,50(1-2):187-201.

[2] POWRIE W, ROBERTS T O L. Case history of a dewatering and recharge system in chalk[J].Géotechnique,1995,45(4):599-609.

[3] 鄭 剛,曾超峰,劉 暢,等.天津首例基坑工程承壓含水層回灌實測研究[J].巖土工程學報,2013,35(S2):491-495.

[4] 鄭 剛,曾超峰,薛秀麗.承壓含水層局部降壓引起土體沉降機理及參數分析[J].巖土工程學報,2014,36(5):802-817.

[5] 曾超峰,鄭 剛,薛秀麗.大面積基坑開挖前預降水對支護墻變形的影響研究[J].巖土工程學報,2017,39(6):1012-1021.

[6] 鄭 剛,曾超峰,薛秀麗.一種基于雙井組合式回灌的沉降控制方法:中國專利,201410027014.2[P].

[7] 鄭 剛,曾超峰.基坑開挖前潛水降水引起的地下連續墻側移研究[J].巖土工程學報,2013,35(12):2153-2163.

Numericalanalysisofartificialrechargeforsettlementcontrolindeepexcavation★

ZengChaofengXueXiuliWenTingLuoPeng

(HunanProvincialKeyLaboratoryofGeotechnicalEngineeringforStabilityControlandHealthMonitoring,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China)

Ground settlement can be induced by redevelopment of the recharge wells. To avoid this hazard, coupled recharge by twin wells is usually used. In this study, a series of numerical analyses are conducted to investigate the influence of run-time sequence and run-time difference of twin wells on the settlement control effect. The operating method of coupled recharge is proposed in order to provide reference to designers.

deep excavation, surface settlement, recharge, FEM analysis

1009-6825(2017)28-0060-03

2017-07-23★:國家自然科學基金資助(編號：51708206,11602083)；湖南省自然科學基金項目(編號：2016JJ6044)；湖南省教育廳資助項目(編號：15C0557)

曾超峰(1987- )，男，博士后，碩士生導師

TU463

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