基坑工程地下水回灌控沉數(shù)值模擬★

曾超峰 薛秀麗 聞 婷 羅 鵬

(湖南科技大學(xué)巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

基坑工程地下水回灌控沉數(shù)值模擬★

曾超峰 薛秀麗 聞 婷 羅 鵬

(湖南科技大學(xué)巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

針對回灌井回?fù)P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(shù)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(shè)計(jì)提供參考。

深基坑，地面沉降，回灌，有限元計(jì)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(yīng)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(tài)。但是回灌井工作時很容易發(fā)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(xué)作用及微生物繁殖并產(chǎn)生沉淀堆積在過濾層等。

為解決回灌井長期運(yùn)行過程中發(fā)生的井管堵塞的問題，工程中常采用對回灌井進(jìn)行周期性回?fù)P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(zhì)，回?fù)P抽水的持續(xù)時間常為若干小時。顯然，若多口回灌井同時進(jìn)行回?fù)P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(yīng)額外采取措施克服回灌井回?fù)P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(hù)建筑之間設(shè)置主回灌井，再在主回灌井與受保護(hù)建筑之間設(shè)置副回灌井，讓副回灌井在主回灌井回?fù)P抽水時進(jìn)行回灌，以彌補(bǔ)因主回灌井回?fù)P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(shè)計(jì)提供參考。

1 地下水回灌數(shù)值模型

1.1模型概化

本文選用有限元軟件 ABAQUS 建立數(shù)值模型，進(jìn)行二維的流固耦合的數(shù)值模擬，主回灌井到受保護(hù)建筑之間的距離為D、副回灌到受保護(hù)之間的距離為d，雙回灌井與被保護(hù)建筑間位置關(guān)系見圖1。顯然，在主回灌井回?fù)P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?fù)P抽水引起的受保護(hù)建筑位置處發(fā)生水位下降，從而防止受保護(hù)建筑發(fā)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(shù)值模型(工程地質(zhì)詳細(xì)背景在此不贅述)，土體采用修正劍橋模型模擬，土體參數(shù)見文獻(xiàn)[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(zhì)粉土揚(yáng)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(yáng)水和灌水過程。主、副回灌井直徑均設(shè)置為 0.4 m，并采用線彈性模型來模擬。

模型有限元網(wǎng)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(jié)點(diǎn)的孔壓為零。

1.3計(jì)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(hù)建筑不發(fā)生沉降時的副回灌井回灌量的取值規(guī)律。本文中，Δt的取值分別考慮0 h,1 h,6 h,12 h,24 h進(jìn)行計(jì)算，其分別代表副回灌井提前相應(yīng)時間開始預(yù)回灌，隨后讓主回灌井進(jìn)行回?fù)P抽水。特別地，當(dāng)Δt取0時則代表主、副回灌井同時回?fù)P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?fù)P抽水量保持為Q=1 m3/h不變。

2 計(jì)算結(jié)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(yáng)過程中被保護(hù)建筑變形量時程曲線(變形量正值代表隆起，負(fù)值代表沉降，下同)，當(dāng)q<0.85 m3/h時，建筑物將發(fā)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?fù)P時引起的土體沉降。當(dāng)q>0.85 m3/h時，建筑物將發(fā)生隆起，且q越大，隆起越大，說明此時主回灌井回?fù)P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(dāng)q=0.85 m3/h時，建筑物既不出現(xiàn)隆起也不出現(xiàn)沉降，因此，在本文主、副回灌井布置與土質(zhì)條件下，當(dāng)副回灌井的預(yù)回灌時間Δt=0 h時，即主、副回灌井同揚(yáng)同灌條件下，要使地面不發(fā)生隆沉的副回灌井最優(yōu)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(yáng)過程中被保護(hù)建筑變形量時程曲線，從圖4中可以明顯的發(fā)現(xiàn)既不發(fā)生沉降也不發(fā)生隆起的副回灌井回灌量q相對于Δt=0 h出現(xiàn)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(yùn)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?yàn)榻ㄖ锔拷被毓嗑虼?，首先是隆起，待雙井滲流場逐漸穩(wěn)定后，建筑物開始出現(xiàn)沉降)。因此，當(dāng)副回灌井的預(yù)回灌時間Δt=1 h時，要使地面不發(fā)生隆沉的副回灌井最優(yōu)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(yáng)過程中被保護(hù)建筑變形量時程曲線，從圖5中可以明顯的發(fā)現(xiàn)既不發(fā)生沉降也不發(fā)生隆起的副回灌井回灌量q相對于Δt=1 h出現(xiàn)了進(jìn)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(yùn)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(wěn)定后，建筑物開始出現(xiàn)沉降增量，最終變形穩(wěn)定。因此，當(dāng)副回灌井的預(yù)回灌時間Δt=6 h時，要使地面不發(fā)生隆沉的副回灌井最優(yōu)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(fā)生隆起也不發(fā)生沉降的副回灌井回灌量將進(jìn)一步減小，分別為q=0.794 m3/h和q=0.788 m3/h，其機(jī)理與上述分析相同，在此不做贅述。

2.4副回灌井最優(yōu)回灌量與Δt的關(guān)系對于所有工況，將副回灌井最優(yōu)回灌量與Δt的變化關(guān)系繪制于圖6中。由圖6可以看出，副回灌井最優(yōu)回灌量隨預(yù)回灌時間的延長呈非線性減小，當(dāng)預(yù)回灌時間大于6 h后，副回灌井最優(yōu)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(yù)回灌時間不要超過6 h，因?yàn)槌^6 h后，使得建筑物不發(fā)生隆沉的副回灌井的預(yù)回灌量減小幅度很小，對水資源的節(jié)約有限。

3 結(jié)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(jié)論如下：

1)在主回灌井回?fù)P抽水過程中，若副回灌井回灌量合適，可以防止主回灌井回?fù)P抽水引起的受保護(hù)建筑發(fā)生水位下降，從而防止受保護(hù)建筑發(fā)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(fā)生沉降，先灌后揚(yáng)比同灌同揚(yáng)所需要的副回灌井回灌量要小，且隨著預(yù)回灌時間的增大，副回灌井的最優(yōu)預(yù)回灌量越小，但是當(dāng)預(yù)回灌時間超過6 h后，副回灌井最優(yōu)預(yù)回灌量減小的幅度很小，進(jìn)一步延長預(yù)回灌時間將引起水資源浪費(fèi)。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(yù)回灌時間不要超過6 h。

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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.

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1009-6825(2017)28-0060-03

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

曾超峰(1987- )，男，博士后，碩士生導(dǎo)師

TU463

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