基坑工程地下水回灌控沉数值模拟★

曾超峰 薛秀丽 闻 婷 罗 鹏

(湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

·岩土工程·地基基础·

基坑工程地下水回灌控沉数值模拟★

曾超峰 薛秀丽 闻 婷 罗 鹏

(湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

针对回灌井回扬抽水引起基坑周围地面沉降问题，开展了双回灌井组合回灌控沉的数值模拟,研究了双回灌井的开启顺序及开启时间差对沉降控制效果的影响，并提出合适的主、副回灌井开启原则，以为工程设计提供参考。

深基坑，地面沉降，回灌，有限元计算

0 引言

基于沉降控制的地下水回灌措施在基坑工程中的应用已逐渐增多，尤其对于采用悬挂式止水帷幕的工程[1-3]。由于基坑工程中承压水降水的周期较长，因此回灌井必须保持较长时间的工作状态。但是回灌井工作时很容易发生井管或过滤层堵塞，其原因有回灌水中掺杂悬浮颗粒、 岩土化学作用及微生物繁殖并产生沉淀堆积在过滤层等。

为解决回灌井长期运行过程中发生的井管堵塞的问题，工程中常采用对回灌井进行周期性回扬抽水的办法来清洗井管及过滤层，以清理掉可能造成井管及过滤层堵塞的物质，回扬抽水的持续时间常为若干小时。显然，若多口回灌井同时进行回扬抽水，则类似于基坑群井降水，将引起地面沉降[4,5]。因此，若采用地下水回灌作为控制基坑降水引起的坑外地面及建筑物沉降的方法， 应额外采取措施克服回灌井回扬抽水阶段引起的地面及建筑物沉降的问题。

郑刚等提出了一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法[6]，该方法提出在基坑与受保护建筑之间设置主回灌井，再在主回灌井与受保护建筑之间设置副回灌井，让副回灌井在主回灌井回扬抽水时进行回灌，以弥补因主回灌井回扬抽水而引起的地下水位的下降和地面沉降。针对这一方法，主、副回灌井的开启先后顺序及开启时间差的不同显然对最后的控沉效果有较大影响，因此，本文将针对这一问题开展研究，并提出合适的主、副回灌井开启原则，以为工程设计提供参考。

1 地下水回灌数值模型

1.1模型概化

本文选用有限元软件 ABAQUS 建立数值模型，进行二维的流固耦合的数值模拟，主回灌井到受保护建筑之间的距离为D、副回灌到受保护之间的距离为d，双回灌井与被保护建筑间位置关系见图1。显然，在主回灌井回扬抽水过程中，若副回灌井回灌量合适的话，可以防止主回灌井回扬抽水引起的受保护建筑位置处发生水位下降，从而防止受保护建筑发生沉降。

1.2模型建立

采用天津某地铁车站基坑场地条件[7]建立本文数值模型(工程地质详细背景在此不赘述)，土体采用修正剑桥模型模拟，土体参数见文献[7]。主、副回灌井的深度均为24 m，过滤管位于埋深19 m～24 m位置处，即，向第④层土砂质粉土扬水、灌水，模型中通过在主、副回灌井埋深19 m～24 m位置处施加流量来模拟扬水和灌水过程。主、副回灌井直径均设置为 0.4 m，并采用线弹性模型来模拟。

模型有限元网格如图2所示。在初始分析步把模型两边水平方向固定，底部固定水平和竖直两个方向，并且把土与井接触的土的面和井的面固定水平和竖直两个方向；模型两边加一个斜率为10随土层深度线性增大的孔压，模型顶部节点的孔压为零。

1.3计算工况

本文主要分析主、副回灌井开启时间差(Δt)对双回灌井组合回灌控沉的影响，并寻求不同条件下使得受保护建筑不发生沉降时的副回灌井回灌量的取值规律。本文中，Δt的取值分别考虑0 h,1 h,6 h,12 h,24 h进行计算，其分别代表副回灌井提前相应时间开始预回灌，随后让主回灌井进行回扬抽水。特别地，当Δt取0时则代表主、副回灌井同时回扬回灌。为了简化问题，本文针对D=12 m，d=3 m的工况开展分析，主回灌井回扬抽水量保持为Q=1 m3/h不变。

2 计算结果与分析

2.1Δt=0 h时的影响

图3为不同副回灌井回灌量(q)的条件下主、副回灌井同灌同扬过程中被保护建筑变形量时程曲线(变形量正值代表隆起，负值代表沉降，下同)，当q<0.85 m3/h时，建筑物将发生沉降，且q越小，沉降越大，说明此时副回灌井回灌引起的土体回弹变形不足以抵抗主回灌井回扬时引起的土体沉降。当q>0.85 m3/h时，建筑物将发生隆起，且q越大，隆起越大，说明此时主回灌井回扬引起的土体沉降不足以抵抗副回灌井回灌引起的土体隆起。当q=0.85 m3/h时，建筑物既不出现隆起也不出现沉降，因此，在本文主、副回灌井布置与土质条件下，当副回灌井的预回灌时间Δt=0 h时，即主、副回灌井同扬同灌条件下，要使地面不发生隆沉的副回灌井最优回灌量是q=0.85 m3/h。

2.2Δt=1 h时的影响

图4为不同副回灌井回灌量(q)的条件下主、副回灌井先灌后扬过程中被保护建筑变形量时程曲线，从图4中可以明显的发现既不发生沉降也不发生隆起的副回灌井回灌量q相对于Δt=0 h出现了减小，即q=0.82 m3/h，这是由于副回灌井相对于主回灌井先运行1 h，因而相对于Δt=0 h的情况下会首先引起更大的土体隆起(因为建筑物更靠近副回灌井，因此，首先是隆起，待双井渗流场逐渐稳定后，建筑物开始出现沉降)。因此，当副回灌井的预回灌时间Δt=1 h时，要使地面不发生隆沉的副回灌井最优回灌量是q=0.82 m3/h。

2.3Δt=6 h时的影响

图5为不同副回灌井回灌量(q)的条件下主、副回灌井先灌后扬过程中被保护建筑变形量时程曲线，从图5中可以明显的发现既不发生沉降也不发生隆起的副回灌井回灌量q相对于Δt=1 h出现了进一步减小，即q=0.80 m3/h，这是由于副回灌井相对于主回灌井先运行6 h，因而相对于Δt=1 h的情况下会首先引起更大的土体隆起，待双井渗流场逐渐稳定后，建筑物开始出现沉降增量，最终变形稳定。因此，当副回灌井的预回灌时间Δt=6 h时，要使地面不发生隆沉的副回灌井最优回灌量是q=0.80 m3/h。

对于Δt=12 h和24 h的情况，使得建筑物既不发生隆起也不发生沉降的副回灌井回灌量将进一步减小，分别为q=0.794 m3/h和q=0.788 m3/h，其机理与上述分析相同，在此不做赘述。

2.4副回灌井最优回灌量与Δt的关系对于所有工况，将副回灌井最优回灌量与Δt的变化关系绘制于图6中。由图6可以看出，副回灌井最优回灌量随预回灌时间的延长呈非线性减小，当预回灌时间大于6 h后，副回灌井最优回灌量变化不大，因此，对于采用双回灌井组合回灌控沉的工程，副回灌井的预回灌时间不要超过6 h，因为超过6 h后，使得建筑物不发生隆沉的副回灌井的预回灌量减小幅度很小，对水资源的节约有限。

3 结论与建议

本文针对双回灌井组合回灌的方法，研究了主、副回灌井的开启先后顺序及开启时间差对建筑物变形控制效果的影响。本文主要结论如下：

1)在主回灌井回扬抽水过程中，若副回灌井回灌量合适，可以防止主回灌井回扬抽水引起的受保护建筑发生水位下降，从而防止受保护建筑发生沉降。

2)主、副回灌井开启顺序及开启时间差对建筑物变形控制效果有较大影响，要使建筑物不发生沉降，先灌后扬比同灌同扬所需要的副回灌井回灌量要小，且随着预回灌时间的增大，副回灌井的最优预回灌量越小，但是当预回灌时间超过6 h后，副回灌井最优预回灌量减小的幅度很小，进一步延长预回灌时间将引起水资源浪费。因此，对于采用双回灌井组合回灌控沉的工程，副回灌井的预回灌时间不要超过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] 郑 刚,曾超峰,刘 畅,等.天津首例基坑工程承压含水层回灌实测研究[J].岩土工程学报,2013,35(S2):491-495.

[4] 郑 刚,曾超峰,薛秀丽.承压含水层局部降压引起土体沉降机理及参数分析[J].岩土工程学报,2014,36(5):802-817.

[5] 曾超峰,郑 刚,薛秀丽.大面积基坑开挖前预降水对支护墙变形的影响研究[J].岩土工程学报,2017,39(6):1012-1021.

[6] 郑 刚,曾超峰,薛秀丽.一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法:中国专利,201410027014.2[P].

[7] 郑 刚,曾超峰.基坑开挖前潜水降水引起的地下连续墙侧移研究[J].岩土工程学报,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★:国家自然科学基金资助(编号：51708206,11602083)；湖南省自然科学基金项目(编号：2016JJ6044)；湖南省教育厅资助项目(编号：15C0557)

曾超峰(1987- )，男，博士后，硕士生导师

TU463

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