CN105297753B - 一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法，所述方法是在获取土层信息及水文地质信息的基础上确定试验期间抽水井抽水量，以半对数坐标系记录试验期间观测井水位降深及对应时间，根据记录的降深时间曲线特征划分不同时段，分别对第二时段后期数据和第三时段数据进行直线拟合，记录第二时段截距以及第三时段斜率，从而确定含水层的水文地质参数。本发明所述方法为基坑降水设计提供了依据，为工程的安全及环境的保护提供了有效保障；本发明方法简单、实用，便于推广，具有很大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种建筑工程技术领域的方法，具体地，涉及一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法。
背景技术
随着我国经济飞速发展，城市化要求空前高涨，地下空间的合理开发与应用显得分外重要。近年来大量的深基坑工程不断涌现，同时地下水对基坑安全的影响非常大，尤其是承压水，是基坑安全施工的重要因素之一。承压含水层测压水头的顶托作用对坑底可能造成突涌现象，需要降低承压水水位，从而保证基坑的安全。目前广泛使用止水帷幕联合大口径井的方式来降低基坑内地下水水位。合理的基坑降水设计需要建立在了解含水层水文地质参数的基础上。对于承压含水层来说，一般采用现场抽水试验的方式来确定含水层的水文地质参数。然而在许多工程中，抽水试验常常在止水帷幕存在的情况下进行，而基坑止水帷幕的存在改变了地下水渗流环境，使得含水层厚度发生了不连续的、阶段性的变化，这就对水文地质参数的计算造成了困难。
经对现有技术文献检索发现，现有利用解析解法确定水文地质参数的方法，如Theis法、Cooper and Jacob法、Hantush-Jacob法，仅适用于无界承压含水层中，不能应用于含水层厚度不连续的情况。张楠于2011年在《地下空间与工程学报》中发表的《深基坑水文地质参数的确定及降水设计》一文中勉强利用Hantush-Jacob法对上海虹口商城基坑工程抽水试验进行了拟合，该工程地下连续墙部分或全部隔断上海市第I承压含水层，该作者利用抽水井所有时段观测数据进行拟合，结果显然是不合理的。目前，对于利用止水帷幕作用下的抽水试验求解水文地质参数，应用最为广泛的是数值反演法。如杨建民于2008年在《土木工程学报》上发表的《天津站抽水试验数值反演分析》，利用数值法求出了各含水层渗透系数、储水率。利用数值法能够确定含水层水平向及竖向渗透系数，但是建立数值模型进行计算比较复杂，耗时太长，对于现场工程师来说，难以直接利用数值法确定含水层的水文地质参数。因此，现有的技术文献尚不能提供可以直接确定止水帷幕作用下基坑内抽水时含水层水文地质参数的方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种简单、方便、可靠的在止水帷幕作用下基坑内抽水时含水层水文地质参数的确定方法，为地下工程的施工及环境保护提供更可靠的依据。
为实现以上目的，本发明提供一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法，所述方法是在获取土层信息及水文地质信息的基础上确定试验期间抽水井抽水量，以半对数坐标系记录试验期间观测井水位降深及对应时间，根据记录的降深时间曲线特征划分不同时段，分别对第二时段后期数据和第三时段数据进行直线拟合，记录第二时段截距以及第三时段斜率，从而确定含水层的水文地质参数。
所述方法包括如下步骤：
第一步，获取场地的土层信息及水文地质信息；
第二步，结合基坑设计及降水方案，确定基坑围护结构信息、降水井信息；
第三步，确定观测井的水位：
测量抽水试验期间观测井观测时间t及相应水位降深值，建立半对数坐标系，以时间t为横轴，水位降深s为纵轴，作出水位降深随时间变化的s-lgt散点图；
第四步，对水位降深进行分析，并将s-lgt散点图划分不同时段：
根据止水帷幕深度、降水井深度及s-lgt散点图变化趋势特征判断水位受止水帷幕和降水井的影响程度，并将水位随时间的变化分为四个不同的时段，即第一、第二、第三、第四时段；
所述第一时段是指：抽水试验初期，水位降深不受止水帷幕影响，在s-lgt散点图上表现为基坑内观测井水位降深小于一设定值(比如小于5％倍最大水位降深时的工程上可以忽略的数值)，且随时间缓慢增长，基坑外观测井水位降深为0，该时段持续时间很短；
所述第二时段是指：水位降深的变化受止水帷幕的影响，在s-lgt散点图上表现为水位降深随时间快速增长，水位降深增长速率及该时段持续时间受抽水井深度和止水帷幕进入承压含水层的深度影响，且该时段后期数据点拟合出一条直线，其延长线与横轴的交点与同等抽水条件下Cooper-Jacob直线的交点重合；
第三时段是指：水位降深的变化不受止水帷幕的影响，在s-lgt散点图上表现为水位降深随时间增长，其特征为不同止水帷幕深度下数据点拟合出的直线斜率与同等抽水条件下的Cooper-Jacob直线具有相同的斜率，且该斜率小于第二时刻拟合出的直线斜率，该时段持续时间与抽水井深度和止水帷幕进入承压含水层的深度有关；
所述第四时段是指:水位降深的变化不受止水帷幕的影响，在s-lgt散点图上表现为水位降深随时间缓慢增长，数据点拟合直线斜率为0。
第五步，根据第二时段与第三时段的水位降深数据点确定承压含水层的水文地质参数。
优选地，第一步中，所述的土层信息是指：通过钻孔取土获取基坑下方土样进行颗粒分析试验，确定土样各粒组土粒含量，并参考我国《土的分类标准(GBJ145-90)》确定土体类型；取土量根据试件量确定，以不少于三个试件为宜。
优选地，第一步中，所述的水文地质信息是指：含水层类型和承压含水层厚度b，通过钻孔取土获得的土层信息来判断。
更优选地，所述的含水层类型是指：无隔水顶板的潜水含水层和有隔水顶底板的承压含水层。
优选地，第二步中，所述的基坑围护结构信息是指：基坑止水帷幕深度。
优选地，第二步中，所述的降水井信息包括：降水井位置、降水井深度、降水井过滤器位置及长度、抽水井抽水层位、观测井观测层位和抽水井抽水量；其中：
所述的过滤器是指：降水井中安放在含水层中的、能透水的管；
所述的抽水井抽水层位是指：抽水井过滤器所在的层位；
所述的观测井观测层位是指：观测井过滤器所在的层位；
所述的抽水井抽水量是指：单个抽水井单位时间抽出的水量，记为Qw；所述抽水量由水表测量得到。
更优选地，所述的水表测量是指：在抽水井井口附近的排水管上安装水表，启动抽水泵，待排水管开始出水后记下水表的初始读数，计时t小时(t≥2)后，读出水表的实时读数，两个数的差值除以观测井观测时间t即为该抽水井每小时的抽水量。
优选地，所述的第三步中，所述的观测井的水位通过测绳测量。
更优选地，所述的测绳测量是指：将测绳放入观测井中测量，用于测量观测井内水位降深；进行水位测量时，在抽水试验抽水井开始抽水后的第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min进行测量，以后可每隔30min测量一次，直到结束，并记录对应时刻水位降深s。
优选地，所述的Cooper-Jacob直线是指：在天然状态下即承压含水层厚度不变的情况下，单井抽水时观测井水位降深及相应时间在半对数坐标s-lgt下的数据点拟合出的一条直线。
优选地，第五步中，所述的承压含水层的水文地质参数包括：承压含水层导水系数T、渗透系数k、储水系数S；
具体按以下方式确定：
(1)将第三时段水位降深数据点拟合为一条直线，该直线斜率记为is；
所述承压含水层导水系数T满足以下公式：
其中：Qw为抽水井抽水量，is为第三时段拟合直线斜率，所述is满足以下公式：
其中：s1、s2为第三时段拟合直线上任意两点水位降深；lgt1、lgt2分别为s1、s2对应时间；
所述渗透系数k满足以下公式：
其中，b为承压含水层厚度；
(2)将第二时段后期数据点拟合为一条直线段，延长该直线段与横轴交于一点，记为t0；
所述储水系数S满足以下公式：
其中：T为导水系数；t0为拟合直线延长线与横轴的交点；r为观测井与抽水井间距离，由钢尺测得。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供了一种基坑止水帷幕存在于承压含水层中的条件下，坑内抽水时，直接确定承压含水层水文地质参数的方法，为基坑降水设计提供了依据，为工程的安全及环境的保护提供了有效保障。本发明方法简单、实用，便于推广，具有很大的应用价值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例观测井水文地质参数确定原理图；
图2为本发明一实施例抽水井和观测井的位置关系图；
图3为本发明一实施例观测井水位降深曲线分时段拟合图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-图3所示，本实施例提供一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法，用于某上海轨道交通风井工程，基坑设计尺寸为边长49m×22.5m的长方形，基坑开挖深度28.15m，采用地下连续墙作为围护结构；所述方法包括如下步骤：
第一步，通过钻孔取土方法获取场地的土层划分信息及承压水信息。
通过钻孔取土并参考我国《土的分类标准(GBJ145-90)》获得自上而下的土层分布为：
埋深(0.00-1.82m)为杂填土；
埋深(1.82-14.12m)为灰色砂质粉土；
埋深(14.12-20.12m)为灰色淤泥质粘土；
埋深(20.12-24.12m)为灰色粘土；
埋深(24.12-27.32m)为暗绿-草黄色粉质粘土；
埋深(27.32-32.02)为草黄色砂质粉土；
埋深(32.02-65.00)为草黄～灰色粉细砂。
通过钻孔取土获得的土层信息，可确定埋深(0.00-1.82m)为杂填土和埋深(1.82-14.12m)的灰色砂质粉土为潜水含水层；埋深(27.32-32.02)的草黄色砂质粉土和埋深(32.02-65.00)的草黄～灰色粉细砂为承压含水层。根据土层信息可确定承压含水层厚度b为37m。
第二步，结合基坑设计及降水方案，确定基坑围护结构信息、降水井信息。
基坑围护结构信息：地下连续墙深度为48.6m。
降水井信息：抽水井位于基坑内，井深50m，过滤器位于承压含水层中，长17m，抽水井抽水层位为承压含水层，抽水井抽水量为744m3/d；观测井同样位于基坑内，井深43m，过滤器位于承压含水层中，长10m。
第三步，利用测绳测量抽水试验期间观测井水位降深值并记录相应观测时间t，建立半对数坐标系，以观测井观测时间t为横轴，水位降深s为纵轴，作出水位降深随时间变化散点图。如图3中所示观测值。
第四步，对s-lgt散点图进行分析，并划分不同时段。
根据水位降深随时间变化趋势特征，将s-lgt散点图划分为四个时段，如图3所示。前2分钟，水位降深小于0.58m(5％倍最大水位降深)，划分为第一时段；第2分钟至第59分钟，水位降深快速增长，划分为第二时段；第59分钟至第860分钟，水位降深较快增长，且可拟合为一条直线，划分为第三时段；第860分钟以后，水位降深几乎不变，划分为第四时段。
第五步，根据第二时段与第三时段的水位降深数据点确定承压含水层的水文地质参数。
(1)将第三时段水位降深数据点拟合为一条直线，如图3所示直线。
确定拟合直线斜率is：取拟合直线上两点(lg100，9.2)，(lg1000，11.9)，则直线斜率为：
承压含水层导水系数T为：
承压含水层的渗透系数k为：
(2)将第二时段后半段水位降深数据点拟合为一条直线，如图3所示虚线。
延长拟合出的这条直线段交横轴于一点t0，t0＝4.7min＝0.00326d；
如图2所示，用钢尺测得观测井与抽水井间的距离：r＝15m；
承压含水层的储水系数S为：
本发明所述的方法为基坑降水设计提供了依据，为工程的安全及环境的保护提供了有效保障。本发明方法简单、实用，便于推广，具有很大的应用价值。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
1.一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
第一步，获取场地的土层信息及水文地质信息；
第二步，结合基坑设计及降水方案，确定基坑围护结构信息、降水井信息；
第三步，确定观测井的水位：
测量抽水试验期间观测井观测时间t及相应水位降深值，建立半对数坐标系，以时间t为横轴，水位降深s为纵轴，作出水位降深随时间变化的s-lgt散点图；
第四步，对水位降深进行分析，并将s-lgt散点图划分不同时段：
根据止水帷幕深度、降水井深度及s-lgt散点图变化趋势特征判断水位受止水帷幕和降水井的影响程度，并将水位随时间的变化分为四个不同的时段，即第一、第二、第三、第四时段；
所述第一时段是指：抽水试验初期，水位降深不受止水帷幕影响，在s-lgt散点图上表现为基坑内观测井水位降深小于一设定值，且随时间缓慢增长，基坑外观测井水位降深为0，该时段持续时间短；
所述第二时段是指：水位降深的变化受止水帷幕的影响，在s-lgt散点图上表现为水位降深随时间快速增长，水位降深增长速率及该时段持续时间受抽水井深度和止水帷幕进入承压含水层的深度影响，且该时段后期数据点拟合出一条直线，直线延长线与横轴的交点与同等抽水条件下Cooper-Jacob直线的交点重合；
所述第三时段是指：水位降深的变化不受止水帷幕的影响，在s-lgt散点图上表现为水位降深随时间增长，其特征为不同止水帷幕深度下数据点拟合出的直线斜率与同等抽水条件下的Cooper-Jacob直线具有相同的斜率，且该斜率小于第二时刻拟合出的直线斜率，该时段持续时间与抽水井深度和止水帷幕进入承压含水层的深度有关；
所述第四时段是指:水位降深的变化不受止水帷幕的影响，在s-lgt散点图上表现为水位降深随时间缓慢增长，数据点拟合直线斜率为0；
第五步，根据第二时段与第三时段的水位降深数据点确定承压含水层的水文地质参数；
所述的承压含水层的水文地质参数包括：承压含水层导水系数T、渗透系数k、储水系数S；具体按以下方式确定：
(1)将第三时段水位降深数据点拟合为一条直线，该第三时段拟合直线斜率记为is；
所述承压含水层导水系数T满足以下公式：
<mrow>
<mi>T</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>2.30</mn>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mn>4</mn>
<msub>
<mi>&pi;i</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中：Qw为抽水井抽水量，is为第三时段拟合直线斜率，所述is满足以下公式：
<mrow>
<msub>
<mi>i</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>s</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>s</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>lgt</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>lgt</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中：s1、s2为第三时段拟合直线上任意两点水位降深；lgt1、lgt2分别为s1、s2对应时间；
所述渗透系数k满足以下公式：
<mrow>
<mi>k</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>T</mi>
<mi>b</mi>
</mfrac>
</mrow>
其中，b为承压含水层厚度；
(2)将第二时段后期数据点拟合为一条直线段，延长该直线段与横轴交于一点，拟合直线延长线与横轴的交点记为t0；
所述储水系数S满足以下公式：
<mrow>
<mi>S</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>2.25</mn>
<msub>
<mi>Tt</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
<msup>
<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mfrac>
</mrow>
其中：T为导水系数；t0为拟合直线延长线与横轴的交点；r为观测井与抽水井间距离，由钢尺测得。
2.根据权利要求1所述的一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法，其特征在于，第一步中：
所述的土层信息是指：通过钻孔取土获取基坑下方土样进行颗粒分析试验，确定土样各粒组土粒含量，并参考我国《土的分类标准(GBJ145-90)》确定土体类型；取土量根据试件量确定，不少于三个试件；
所述的水文地质信息是指：含水层类型和承压含水层厚度b，通过钻孔取土获得的土层信息来判断。
3.根据权利要求2所述的一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法，其特征在于，所述的含水层类型是指：无隔水顶板的潜水含水层和有隔水顶底板的承压含水层。
4.根据权利要求1所述的一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法，其特征在于，第二步中：
所述的基坑围护结构信息是指：基坑止水帷幕深度；
所述的降水井信息包括：降水井位置、降水井深度、降水井过滤器位置及长度、抽水井抽水层位、观测井观测层位和抽水井抽水量。
5.根据权利要求4所述的一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法，其特征在于，所述的降水井过滤器是指：降水井中安放在含水层中的、能透水的管；
所述的抽水井抽水层位是指：抽水井过滤器所在的层位；
所述的观测井观测层位是指：观测井过滤器所在的层位；
所述的抽水井抽水量Qw是指：单个抽水井单位时间抽出的水量，所述抽水量由水表测量得到。
6.根据权利要求5所述的一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法，其特征在于，所述的水表测量是指：在抽水井井口附近的排水管上安装水表，启动抽水泵，待排水管开始出水后记下水表的初始读数，计时t小时后，t≥2，读出水表的实时读数，两个数的差值除以观测井观测时间t即为该抽水井每小时的抽水量。
7.根据权利要求1所述的一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法，其特征在于，第三步中，所述的观测井的水位通过测绳测量，所述测绳测量是指：将测绳放入观测井中测量，用于测量观测井内水位降深；进行水位测量时，在抽水试验抽水井开始抽水后的第1min、2min、3min、4min、6min、8min、10min、15min、20min、25min、30min、40min、50min、60min、80min、100min、120min进行测量，以后每隔30min测量一次，直到结束，并记录对应时刻水位降深s。
8.根据权利要求1所述的一种在止水帷幕作用下水文地质参数的确定方法，其特征在于，所述的Cooper-Jacob直线是指：在天然状态下即承压含水层厚度不变的情况下，单井抽水时观测井水位降深及相应时间在半对数坐标s-lgt下的数据点拟合出的一条直线。
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Granted publication date: 20171024 Termination date: 20211016 |