基于地下水渗流模拟软件MODFLOW的基坑降水设计分析

李伟亭， 伍昌友

(1.河南省科达水利勘测设计有限公司，河南 郑州 450003；2.武汉科技大学,湖北 武汉 430081)

基于地下水渗流模拟软件MODFLOW的基坑降水设计分析

李伟亭1,2， 伍昌友2

(1.河南省科达水利勘测设计有限公司，河南 郑州 450003；2.武汉科技大学,湖北 武汉 430081)

在石门河倒虹吸降水设计计算中，通过对地下水模拟软件MODFLOW的应用，在降水前对各项方案进行分析计算，确定了合理的降水方案，并在后续施工取得较好的效果，建议该软件在降水工程设计计算中推广应用。

数值模型；基坑降水；方案设计

在石门河倒电工引工程中，根据施工开挖要求,采用数值模拟法对施工开挖降水问题进行多方案计算比较,推荐出经济、合理的降水方案并按计划组织实施,有效保证施工开挖的顺利进行。同时要求开挖范围地下水水位降至倒虹吸基底高程以下1m,即81.7m～81.9m。地基遇壤土夹层需要换填时,需要将基坑中心点的水位降至79.5m。

1 降水方案设计

1.1 基坑总排水量估算

本次拟将地下水位降低至79.5m高程,即基坑中心的降水水位至少大于9.5m。况且该含水层结构单一,从上至下均是砂卵砾石层,因此级配较差、含泥量较少,冲填物以砂或岩屑为主,该层未揭穿,其最大揭露厚度为36m。在80.0m～82.7m夹有最大厚度2.7m的夹中壤土土层,因此该层为弱透水层。

由于地质环境复杂,因此需要降水的范围较大,在进行基坑开挖降水过程中,通过概化大井法估算基坑的总排水量为基坑壁的涌水量和基坑底的涌水量之和。其计算公式如式(1):

(1)

其中,Q为总涌水量m2/h;K为综合渗透系数,m/h;Hm为有效含水层厚度,m;S为水位降深,m;R为影响半径,m;r0为井半径,m;m0为坑底到下卧不透水层距离。

采用式(1)对基坑总排水量进行了计算,其结果如表1所列。

表1 基坑总排水量计算成果表

1.2 数学模型的建立

为了合理确定基坑降水方案,配备合适的抽水设备,需对基坑降水各种指标等进行分析计算。

降水模拟计算采用技术成熟、计算精确且应用较广泛的地下水渗流模拟软件MODFLOW进行。开挖基坑形状为矩形,总长度约1050m,分期施工,、基坑中心处的地下水位需降深为9.5m(地下水位降至79.5m高程),因此管井降水为首选方案,井间距初步设定为8m,沿基坑马道边缘均匀布置,设计井深28m,全部布设滤管。

根据经验公式计算出基坑降水降深9.5m的影响半径约2500m,其影响半径以外可以认为抽水引起的地下水位变幅很小,可忽略不计,定为一类定水头边界;上部边界为自由水位边界,下部为隔水底板。由此得到的总计算范围东西方向宽5000m,南北方向长5000m,求得总面积为25km2,垂直厚度68米。基坑平面图如图1所示,含水层及井管结构如图2所示。

图1 基坑平面示意图

图2 含水层及井管构造示意图

1.3 单井开采量的试算确定

降水井处含水层垂直方向结构单一,设置为单层;水平方向,在倒虹吸基坑处的远方向考虑到计算的速度和精度,需采用较大的单元格(50m×50m)计算,在倒虹吸基坑近方向对单元格采取加密措施,采用10m×10m的单元格,在基坑处进一步细化为2m×2m的计算单元,根据计算可分成了49260个单元格,如图3所示。

图3 计算单元格剖分示意图

为寻找倒虹吸基坑中心降水降深达到9.5m时的单井抽水量,本次设计了6钟单井抽水量,输入MODFLOW模型进行计算,进行判断在达到稳定状态时倒虹吸基坑中心点的水位降深是否超过9.5m。

表2 基坑长度300m稳定流试算过程中不同单井抽水量条件下基坑中心处降深结果

由表2可见,基坑长度为300m时,在井间距8m条件下,当单井抽水量达到4800 m3/d(200m3/h),可满足工程要求,此时共布井78口。

在基坑长度为300m、宽度为40m、井间距为8m、单井抽水量为4800m3/d条件下,达到稳定状态时的地下水位等值线图如图4a所示,基坑处的地下水位降深等值线如图4b所示,X方向上的基坑处地下水位降落漏斗形态如图5所示,Y方向上的基坑处地下水位降落漏斗形态如图6所示。

图4a 单井抽水量4800m3/d达到温定状态时计算区地下水位等值线图

图4b 单井抽水量4800m3/d达到稳定状态时基坑处地下水降深等值线图

图5 单井抽水量4800m3/d达到稳定状态时基坑处地下水位降落漏斗(X方向)

1.4 单井开采量一定条件下基坑降水的非稳定模拟

从上述的单井抽水量试算结果得出,在单井抽水量不小于4800m3/d(200m3/h)条件下,地下水趋于稳定状态时,才能使基坑中心点的水位降深达到9.5m,但无法求得达到稳定状态所需时间,因此需要将开采量代入模型,利用非稳定流模拟以求取基坑中心水位降深达到9.5m时需要的时间。

本次计算采用单井抽水量4800m3/d、5040m3/d和5280m3/d分别输入模型,时间的剖分以每天为一个时段,共模拟90天,其它条件与稳定流计算时的条件相同。

分析4800m3/d、5040m3/d和5280m3/d开采时基坑中心的降深历时曲线分别如图7所示。从3条历时曲线可得出,不同单井抽水量条件下,地下水位历时曲线的形态基本相同,基坑地下水位在开采初期降幅较大,随着时间的推移,水位历时曲线逐渐趋于平缓,在抽水进行到60天以后,基坑中心点处前后两天的地下水位变幅小于0.01m,趋于稳定。3种不同单井抽水量条件下,所需时间是不同的,开采量越大,地下水位可以达到的降深越大,基坑中心水位降深达到9.5m所需的时间越短如表3所列。

表3 不同单井抽水量基坑中心水位降深情况及所需时间统计

图7 单井抽水量4800m3/d5040m3/d5040m3/d基坑中心地下水位降深历时曲线图

单井抽水量4800m3/d、5040m3/d和5280m3/d开采时基坑中心点处水位降深达到9.50m时的地下水水位等值线图分别如下:

图8单井抽水量4800m3/d时地下水位等值线及降深等值线图(31天末刻)

(1)单井抽水量4800m3/d。图8为单井抽水量4800m3/d条件下基坑中心水位降深9.5m计算区的地下水位等值线图,及基坑附近地下水位降深等值线图。

(2)单井抽水量5040m3/d。图9为单井抽水量5040m3/d条件下基坑中心水位降深9.5m计算区的地下水位等值线图,及基坑附近地下水位降深等值线图。

图9 单井抽水量5040m3/d时地下水位等值线及降深等值线图(20天末刻)

(3)单井抽水量5280m3/d。图10为单井抽水量5280m3/d条件下基坑中心水位降深9.5m计算区的地下水位等值线图,及基坑附近地下水位降深等值线图。

图10 单井抽水量5280m3/d时地下水位等值线及降深等值线图(15天末刻)

2 结 论

由上述计算可得,尽管在单井抽水量4800m3/d时,基坑中心点的水位降深可以达到9.5m,但实际降水时间可能比较长,而在实际工程降水中,为满足工期要求,因此在降水初期采取较大的开采量,使地下水位在短时间内达到工程需求降深,然后再采用较小的开采量使地下水位水位基本稳定在某一范围内,以保证工程的顺利进行。

根据前述的稳定和非稳定流计算,在考虑工期要求的情况下,可采用如下降水方案:工程降水初期利用5280m3/d的单井抽水量,在基坑中心水位降至9.5m后再将单井抽水量减少至4800m3/d,考虑到5280m3/d单井抽水量在突然减小为4800m3/d时地下水位会有所恢复,在5280m3/d单井抽水量抽水在第15天基坑中心点水位降深达到9.5m后再继续持续抽水5天,以保证在抽水量减少时地下水位仍能满足工程需要。

通过渗流模拟软件的应用分析,综合考虑工程区水文地质条件、降水要求、开挖断面设计特点、开挖方法、基坑降水涌水量估算结果等因素,并参考本工程降水试验段的试验降排水情况,降水井沿一级距马道内侧5.25m边坡上布置降水井可满足该工程降水要求。

[1] DB42/T830-2012,基坑管井降水工程技术规程[S]．

[2] JGJT 111-1998，建筑与市政工程降水技术规范[S]．

[3] 吴彬，刘磊，党建新.Modflow在石河子某工程基坑降水设计中的应用[J]．新疆农业大学学报，2010,(4):369-372.

(责任编辑 陈化钢)

Based on groundwater flow simulation software MODFLOW dewatering design and analysis of foundation pit

LI Wei-ting, WU Chang-you

(1.Henan Keda Water Conservancy Survey and Design Co. Ltd 2.Wuhan University of Science and Technology)

In the Shimen River Inverted Siphon Design precipitation, through the application of MODFLOW software simulation of groundwater, in front of the precipitation of the scheme for calculation and analysis to determine the reasonable program of precipitation, and in the subsequent construction achieved good results, recommend the software in design and calculation of precipitation engineering application.Key words:numerical model； dewatering of foundation pit；conceptual design

2016-09-23；

2016-10-17

李伟亭(1987-)，男，河南郑州人，武汉科技大学在读硕士，从事水利工程管理研究； 伍昌友(1966-)，男，湖北武汉人，教授，从事建筑学与城市规划方面的教学与研究。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.04.008

TV223.4

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1671-6221(2016)04-0023-05