深厚覆盖层坝基水文地质结构控渗机理研究

厚度大且为强-弱-强渗透性组合的覆盖层在我国西南河流中分布较广。为研究此类夹层型水文地质结构覆盖层中坝基渗流场的特征及其影响因素,利用Visual MODFLOW模拟了给定覆盖层厚度下强弱渗透性层组的不同渗透性比值、不同厚度比值,和变覆盖层厚度下不同弱透水层厚度这两种类型16种工况下的渗流场,通过监测坝基渗流场中弱透水层顶底板的水头差和水力坡度,研究弱透水层渗透性和厚度对渗流场的影响。结果表明:强-弱-强夹层型水文地质结构的坝基平面渗流场受上层强透水覆盖层性质控制;给定覆盖层厚度工况中,弱透水层顶底板的水头差与强弱透水层渗透性比值相关,两者先表现出正相关的关系,当强弱透水层渗透性比值大于500时,弱透水层顶底板的水头差变化不再明显;变覆盖层厚度工况中,弱透水层顶底板的水头差也呈现出先增大后趋于稳定的趋势,转折点发生在弱透水层厚度20m的工况条件下;变覆盖层厚度工况中水力坡度则有着随着弱透水层厚度增大而变小的规律。综上所述,在夹层型水文地质结构中,弱透水层厚度与渗透性对渗流场起控制作用。研究结果可为深厚覆盖层河谷区的水电水利工程坝基水害防治提供依据。     

基坑降水对声纳渗流检测精度的影响分析

随着声纳渗流检测技术在水文地质勘探中的应用,其测量结果精度的高低对获取的水文地质参数的准确性起着至关重要的作用。文章依托南宁某基坑工程,采用现场试验方法,同时考虑天然流场和人工流场,分三个阶段对基坑止水帷幕进行声纳渗流检测,对比不同阶段渗漏缺陷暴露的情况,同时根据渗透流速量级变化判断其检测结果精度的高低,并在实际工程中验证其准确性。研究结果表明:不同降水阶段的渗透流速大小变化显著,基坑地下水位降深每增加10 m,声纳检测到的渗透流速平均提高1~2个量级。其原因为降水导致基坑内外水头差增大,水力坡度的增加使渗漏缺陷附近的渗流场发生变化,高水头作用下渗透流速变化明显,渗漏缺陷定位更加精准,声纳检测精度也越高。可见,抬高基坑内外水头差对墙体渗漏缺陷的精准定位十分必要。因此,在对基坑止水帷幕采取声纳渗流检测时,建议将地下水位降至基坑底板以下,以提高检测结果的精度,有效探测止水帷幕渗漏风险。     

边坡负压排水非稳定流研究

自启动负压排水方法是一种新兴的间歇性波动排水方法,为对该方法的实现机理进行理论研究,建立了可供解析研究的负压排水模型。先引入狄拉克函数表述负压排水模型中点汇的数理特性,并对此模型推求出潜水剖面二维流运动方程及潜水面边界条件;再使用二维傅里叶正逆变换求解负压排水模型的定解问题,得到负压排水渗流场解析解。设置两种工况分别计算了自启动负压排水方法下数值模拟和理论解得到的边坡浸润线曲线,并进行了对比分析。结果表明：在不同排水孔位置工况的3组条件中,排水孔位置越深,理论解误差越大,其中排水孔位置为（24,10）时,靠近排水孔区域理论解与数值模拟结果误差最大;在排水孔位置固定、不同初始水头高度工况的3组条件中,左、右水头越高,理论解误差越大,其中左水头为28 m、右水头为8 m时,理论解与数值模拟结果误差最大。该自启动负压排水渗流场解析解在简化条件下的浸润线理论解与数值模拟结果吻合度较高。     

悬挂式帷幕基坑底侧突涌的坑内水头抬升研究

基坑采用悬挂式帷幕减压降水时,因隔水帷幕局部存在缺陷,而导致坑内承压含水层水头抬升所诱发的基坑底侧突涌事件常有发生。为研究这种现象,以某地铁线风井基坑为范例,建立了三维非稳定流的地下水数值模型,重点考虑了渗透系数的各向异性,对隔水帷幕无缺陷,28~33m、33~38m、38~43m深度的缺陷,加大流量抽取等7种情况,进行了模拟和比较分析。研究结果表明,悬挂式帷幕降水帷幕无缺陷时,帷幕内外的水头差在含水层顶最大,并沿帷幕向下递减;在帷幕缺陷形成的渗流通道附近,渗流场的等势线非常密集,补给的地下水抬升了坑内水头,并加剧了坑外的水头下降;经缺陷处的渗流通道流入坑内的地下水,渗流速度矢量以水平向为主;帷幕缺陷位于渗透系数较大的含水层时,相应补给量也较大;加大流量抽取,可以减小水头抬升的平面范围,但缺陷附近过大的流速也会诱发地层流土;缺陷位置与帷幕底竖向距离越远,坑内水头的抬升率越大,缺陷位置与帷幕底竖向距离越近,抬升率越小。研究成果对分析承压水底侧突涌的致灾机制、预测预警以及基坑动态风险评估等有一定的参考意义。     

悬挂式止水帷幕涌水量计算数值模拟及验证

在基坑工程中,为合理保护地下水资源和节约工程成本,悬挂式止水帷幕在工程中的应用越来越广泛。为更好地研究悬挂式止水帷幕基坑涌水量及影响半径的影响范围,依托北京市东城区第一人民医院基坑项目,进行了悬挂式止水帷幕基坑涌水量的数值模拟,并现场进行数据监测,从而对数值计算结果进行验证。结果表明:(1)利用有限元数值模拟软件分析的基坑内涌水量与实际监测的数值趋势相同,日涌水量可以达到1970 m3;(2)设置悬挂式止水帷幕的基坑,原基坑降水影响半径不再适用,降水影响半径比原来有所减小;(3)随着距离止水帷幕距离的增加,基坑外水头值越来越大;随着距离止水帷幕距离的越来越大,基坑外水头值增加的趋势越来越小。     

悬挂式止水帷幕深基坑减压降水的简化计算方法

采用悬挂式止水帷幕结合坑内减压降水的墙-井系统可有效减小坑内降水量或坑外水头降深。将基坑按面积相等等效为井壁进水的大直径承压水非完整井,幵令流入井内的水量等于止水帷幕内坑底承压水含水层内的竖直向渗流量,以此建立坑内减压抽水量与坑外承压水头降深的关系式。该理论公式计算结果在止水帷幕插入比大于0.6且基坑半径与承压含水层厚度之比小于2.0时与有限元计算结果比较接近。因未考虑渗流方向变化时的水头损失,数值计算结果和工程案例实测数据均表明理论公式计算结果偏大。利用参数分析研究承压含水层渗透系数各向异性、基坑平面面积、止水帷幕插入长度等因素对减压降水的影响规律。坑内减压抽水量或坑外水头降深与墙-井系统三维渗流场有关,渗流场越接近竖向渗流,坑外水头降深越小,水位接近初始状态。相比数值分析,理论公式简便直观,可用于减压降水的初步分析。     

基坑降水—回灌共同作用下地下水浸润曲线求解研究

基坑工程中,通常采用地下水回灌措施降低降水对周边地质环境产生的不良影响,然而目前基坑降水—回灌的相关设计理论仍处于探索阶段。本文通过引入平面二维流势函数理论和叠加原理,分别求解得到了无止水帷幕工况下潜水完整井和承压完整井在降水—回灌共同作用下的地下水浸润曲线方程;此外,本文通过空间汇点原理和镜像原理分别求得基坑内降水和基坑外回灌对基坑外地下水位的影响,并运用叠加原理得到了有止水帷幕工况下,深基坑降水—回灌作用下的地下水浸润曲线解析式。本文利用得到的解析式探讨了在具有止水帷幕条件下回灌井距基坑围护结构的距离、渗透系数等主要因素对浸润曲线的影响,为基坑降水—回灌设计提供了参考依据。     

露头处具有淤泥层的滨海含水层系统中海潮引起的水头波动

滨海地区社会与经济的发展引发了各种各样的水文地质问题, 因此对滨海地区的水文地质条件, 尤其是地下水与海水之间的水力联系的研究尤为重要.本文考察了海底露头处具有淤泥层的滨海含水层系统中由海潮引起的水头波动.该系统由潜水含水层、承压含水层和介于其间的弱透水层构成.建立了该系统的数学模型, 得到了该模型的解析解.该解析解包含2个无量纲参数: 弱透水层的相对越流系数和淤泥层的相对透水系数.解析解表明, 淤泥层使各处的水头波幅被缩小了一个常数倍(波幅缩减因子), 并使各处的波动相位产生了一个不超过45°的正位移常数(时滞).该时滞对半日潮不超过1.5h, 对全日潮不超过3h.波幅缩减因子和正位移常数只与弱透水层的相对越流系数和淤泥层的相对透水系数有关.当这两个无量纲参数取某些特殊值时, 本次研究的解和前人考虑的几种较简单情形所对应的解一致.承压含水层中水头波幅随着淤泥层的相对透水系数的递增而严格递增, 随弱透水层的相对越流系数的递增而严格递减; 波动相位随着这2个无量纲参数的递增均严格递减.分析表明弱透水层的越流和淤泥层的存在均对承压含水层水头波动有显著影响.      

悬挂式帷幕基坑涌水量计算及插入深度影响效应研究

为确定悬挂式止水帷幕插入深度和基坑内涌水量、基坑外最大水位降深的关系,从而得出在预定基坑外最大水位降深和基坑内涌水量下的较优悬挂式帷幕的插入深度,根据达西定律和大井简化的均质含水层潜水非完整井的基坑涌水量计算公式,推导出帷幕插入深度、基坑涌水量、基坑外最大水位降深的关系式。将推导的公式进行基坑实例计算并与大卫登可夫和佛兰克的方法进行对比,分析两种计算方法结果的异同点。采用室内模型试验和Midas/GTS/NX数值模拟对悬挂式帷幕基坑地下水渗流进行模拟,对公式推导的结果进行验证,证明文中提出的计算公式与实际情况更接近,并得出结论:基坑外最大水位降深随着帷幕插入深度的增加略有降低,但变化不大,基坑涌水量随着帷幕插入深度的增加逐渐减小。     

地下结构对渗流场阻隔问题的解析~半解析法

针对当前地下空间开发引起的地下水渗流场变化量化评价需要,本文就渗流场受地下结构阻隔后的稳定流状态下的流量及各部位(上游段、阻隔段和下游段)的水位计算公式进行了探讨,分别导出了上、下阻隔两种情况下的承压水问题的解析解和潜水问题的半解析解,并利用数值试验直观解释了一些阻隔现象,以及获得了小水力梯度条件下潜水问题半解析解可以用同条件下的承压水问题解析解来近似的结论。     

止水帷幕对基坑环境效应影响的有限元分析

采用Biot固结理论分析了止水帷幕对基坑工程环境效应的影响,包括止水帷幕不同打设深度的效果,以及两种封闭式止水帷幕发生漏水意外时对地下水位和坑外土体位移的影响等。在有限元编程中,将开挖土体置为空气单元可以简化处理过程。算例分析结果表明,深厚透水地基中增加竖向止水帷幕的深度并不能有效减小对周围环境的影响;漏水部位周围土体的渗流等势线较为密集,渗流速度较大,容易诱发扩大破坏;竖向封闭式止水帷幕漏水引起的坑边土体的沉降和地表土体的侧移相对较大,水位下降迅速等。其结果可供基坑工程漏水事故环境效应的评价和对策研究时参考。     

悬挂式止水帷幕地下水渗流数值模拟

悬挂式止水帷幕在基坑工程中得到了广泛应用。采用地下水渗流软件GMS对室内地下水渗流模型试验进行数值模拟,数值模拟结果与试验结果相互对比,进而验证地下水数值模拟软件的可靠性。在确定软件准确性的基础上,进一步研究在相同悬挂式止水帷幕插入深度下,不同形状基坑中地下水渗流变化规律,为实际工程降水设计提供参考依据。结果表明:数值模拟的计算结果与实际监测到的坑外涌水量以及坑外水位变化较为吻合;不同形状的基坑,帷幕插入深度的增加对坑外水位影响并不明显,但在相同的帷幕插入深度下,不同形状的基坑的涌水量差异较为明显,具体表现为正方形基坑涌水量最大,矩形基坑次之,圆形基坑的涌水量最小。     

深基坑降水中不同的地质模型有限元应用研究

分析水-土耦合场相互作用时,将岩土视作弹塑性材料。在非线性本构关系下,考虑渗透作用,得出岩土体有限元方程,建立了基坑降水的三维水-土耦合的数学模型。对基坑降水中不同的地质模型潜水、承压水及有越流补给和实际工程条件井管、过滤管、止水帷幕分别进行了计算处理,并以武汉国际证券大厦降水工程为实例,对其降水过程进行了三维有限元计算。应用三维数值模拟方法,能很好地模拟基坑防渗帷幕、非均质和各向异性、承压-无压等一些解析法难以处理的实际工程条件和地质模型。     

悬挂式止水帷幕条件下深基坑开挖变形特性研究

降水条件对基坑开挖的变形特性具有重要影响。为了研究悬挂式止水帷幕结合承压非完整井组成的墙井系统条件下基坑开挖过程中的变形问题,以某悬挂式止水帷幕深基坑为例,通过定义降水井和地表渗流边界条件建立了考虑分级降水和基坑开挖实际工况的三维流固耦合有限元数值分析模型,使用现场监测数据与数值模拟结果互相验证的方法研究了悬挂式止水帷幕情况下基坑开挖过程中地下连续墙变形和地表沉降的变化特征,对比分析了悬挂式止水帷幕和落底式止水帷幕条件下的地表沉降。结果表明：在不同分级降水情况下,降水深度初次达到场地第一承压水含水层降水期间产生的地下连续墙水平位移增量最大,地表沉降也主要在这一期间产生;悬挂式止水帷幕情况下的地表沉降最大值约为落底式止水帷幕的2.7倍,最大值位置距地下连续墙边缘的距离比落底式止水帷幕大0.85 m;地下连续墙水平位移峰值处,降水期间产生的位移占28%,地表沉降峰值处,降水期间产生的沉降占49%;使用悬挂式止水帷幕时,距地下连续墙边缘12倍开挖深度处,地表沉降与地表沉降峰值的比值为0.1、该距离比落底式止水帷幕大13 m左右。研究成果对确定深基坑降水方案、保证深基坑开挖施工安全具有一定的参...     

落底式止水帷幕条件下深基坑群井试验研究

通过武汉绿地中心深基坑群井抽水试验,探讨武汉长江一级阶地地区落底式止水帷幕条件下深基坑涌漏的组成及其渗流规律,并提出了新的数学模型,计算基坑侧壁涌漏量。试验及分析计算结果表明:落底式止水帷幕条件下深基坑涌水量的组成除封闭基坑内含水层所含孔隙水之外,还有基坑侧壁的涌漏和基坑底部涌漏两部分,其中以基坑底部涌漏为主。基坑底部涌漏又包括基岩裂隙水和以基岩裂隙为通道绕渗补给的孔隙水。在涌漏初期地下水通过基坑侧壁涌漏点进入坑内时,在水平方向上以某一弧度的扇形模式扩散;基坑底部基岩裂隙水及坑外地下水通过基岩裂隙通道垂直向上补给。当存在涌漏点时,基坑内外水位变化会出现明显的异常。     

岩体裂隙网络渗流变水温影响分析

考虑岩体裂隙渗流变水温影响,推导单裂隙变水温水流近似解析解和有限元解,在此基础上分别建立裂隙二维网络变水温渗流数值求解方程,分别对应裂隙网络变水温渗流分析的近似解析法和子结构法。分析变温水流运动规律发现：（1）单裂隙内水流水头与水力坡降成非线性关系,当水流由高温区向低温区流动时,水头分布曲线为凸曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏小;当由低温区向高温区流动时,水头分布曲线为凹曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏大。（2）单裂隙内,高水温处水力坡降小,低水温处水力坡降大;裂隙平均水温越高,流速越快;裂隙网络内存在与裂隙宽度相似的温度偏流效应,即交叉节点水流有偏向水流温度高的裂隙流动的趋势。在温度较高和温度梯度较大的区域,应该考虑水流温度变化对渗流场的影响。     

基坑开挖中渗流-应力耦合模拟

根据基坑工程施工实际情况,基于地下水渗流的基本规律以及岩土体受力的本构模型,建立了在应力场和渗流场耦合作用下基坑受力的力学模型,通过有限元方法模拟了基坑开挖过程中周围应力场及渗流场的变化规律。计算结果表明：在设置挡土墙并及时排水情况下,随着开挖的进行,基坑周围的土体变形增大,挡土墙前的土体发生沉降,墙体最终发生变形,基坑底部土体向上隆起,在基坑角落处水头梯度较大,发生应力集中,容易导致工程事故,必须谨慎处理。另外,基坑在降水时内外水头差过大将会引起墙体承受过大压力,基坑周围沉降会更大,这样不利于墙体和周围建筑安全。     

软土地层浅埋圆形隧道非达西渗流场解析研究

软土在低水力坡降下的渗流会偏离达西定律,即为非达西渗流模式。假设孔隙水渗透服从指数渗流模式,采用镜像法原理推导了浅埋单孔和双孔圆形隧道非达西渗流场的解析解。结合算例,对浅埋圆形隧道非达西渗流解析解与达西渗流解析解进行了对比分析与验证,并对非达西渗流指数、隧道周围土体与衬砌渗流系数比值对隧道渗流场的影响进行了讨论。结果表明：非达西渗流指数、渗流系数比值对隧道渗流量和周围土体孔压均有较大的影响;随着渗流指数逐渐增大,土体内水头损失加快,隧道周围土体孔压及渗流量逐渐减小;随着土体与衬砌渗流系数比值逐渐增大,衬砌排水能力增强,隧道渗流量逐渐增大,隧道周围土体孔压减小更大。     

软土地基渗透性条件对基坑预降水过程中支护墙侧移的影响研究

最新工程案例表明,在基坑开挖前,现场预降水可引起支护墙发生显著初始侧移。依托工程实测资料,建立并验证了数值分析模型,通过一系列参数分析研究了软土地基渗透性条件对基坑开挖前预降水过程中支护墙侧移的影响规律及机制。结果表明,基坑预降水深度范围内土层渗透系数越大,渗透性各向异性越明显;在相同的预降水时间内,被降水土层中将会发生更大程度的孔隙水压力减小;在更强的墙-土界面总压力重分布下,预降水引起的支护墙侧移更大。预降水过程中支护墙侧移沿深度的分布范围与预降水深度底部及其以下土层渗透性有关,若为渗透性较差的深厚弱透水层,则当预降水深度位置不超过0.5倍该弱透水层厚度位置时,支护墙侧移将主要发生在预降水深度范围内;若为渗透性较好的透水层,预降水引起的支护墙侧移深度范围可能达到该层以下的另一弱透水层单元位置处。另外,当预降水深度底端紧邻透水性较好土层时,再增大预降水深度会引起支护墙发生较大增量的侧移,此时,应严防"超降";当预降水深度底面以下为深厚弱透水层时,再增大预降水深度引起的支护墙侧移增量并不明显。     

渗透各向异性圆形围堰稳态渗流场解析解

对渗透各向异性土层中的圆形围堰渗流场进行解析研究。将圆形围堰周围渗流场分为3个区域,通过坐标变换以及将边界条件齐次化后,用分离变量法分别得到柱坐标系下3个区域的水头分布级数解形式,结合区域间的连续条件,并利用贝塞尔函数正交性得到渗透各向异性土层中圆形围堰稳态渗流场的显式解析解,与Plaxis2D软件的计算结果进行对比,验证了解析解的正确性。基于解析解,进一步推导出了涌水量、出逸比降公式,并与不同方法的计算结果作了对比,最后对稳态渗流情况下的水压力进行了计算分析。结果表明：相比于其他近似法,解析解求取的流量、出逸比降以及渗流情况下水压力与数值计算结果高度吻合;渗流水压力会随着围堰半径、纵横向渗透系数比值的增大而减小,而后逐渐趋近于一个稳定值。