一种预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法技术

技术编号:20390077 阅读:16 留言:0更新日期:2019-02-20 02:56
本发明专利技术提供一种预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法,包括:确定单井以恒定流量抽水时承压含水层中任意一点水位降深;利用叠加原理对水位降深进行叠加,得到群井抽水时承压含水层中任意一点水位降深;利用有效应力原理求得群井抽水引起的有效应力的增加;利用单向压缩公式求得承压含水层任意一点压缩量;根据群井抽水试验测得的抽水井流量和地表沉降数据,对地表沉降表达式中的待定系数拟合求参,求得地表沉降的预测公式进而用于预测承压含水层减压降水引发的地表沉降。本发明专利技术充分考虑场地实际工程条件,摆脱对精确土体参数的依赖,实现对承压含水层局部减压降水引发地表沉降准确预测。

【技术实现步骤摘要】
一种预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法
本专利技术涉及土木工程的地表沉降预测
,具体地,涉及一种利用承压含水层群井抽水试验数据对地表沉降进行预测的方法。
技术介绍
在上海、天津等沿海或沿江的城市,土体含水量量高,承压水头埋深浅,当基坑开挖深度较大时,承压含水层上覆土体不足以抵消承压水头的顶托作用时,就会引发突涌、坑底隆起、支护结构变形甚至塌方滑坡等基坑工程事故。因此,实际工程常采用抽水降压的方式消除承压水头对基坑工程的不利影响。承压含水层局部抽水降压改变了地下水渗流场,引起基坑周围下卧承压含水层水头的降低和有效应力的增加,使承压含水层发生固结压缩进而引发地面沉降。如何准确预测承压水层局部减压降水诱发的土体沉降变形,对于降低降水诱发的环境影响、保护场地周边建筑具有重要意义。目前,许多学者对于预测承压含水层局部减压降水诱发的地表沉降进行过研究。2008年张勇等在《岩土力学》(2008,No.6,pp.1593-1596)中发表的“基坑降水引起地面沉降的实测预测”一文中利用非稳定流的水位降深公式、单向固结原理以及分层总和法编制计算降水引发地面沉降的计算程序。2008年李文广等在《地下空间与工程学报》(2008,No.1,pp.181-184)中发表的“深基坑降水引起的地面沉降预测”一文中首先利用Merchant流变模型求得降水诱发的深层土体的压缩变形,随后借助随机介质理论计算地面沉降的空间分布规律。2011年龚晓南等在《岩土工程学报》(2011,No.1,pp.145-149)中发表的“承压水降压引起的上覆土层沉降分析”一文中利用承压含水层完整井流理论和Mindlin基本解推导了承压水降压附加应力作用下的地面沉降公式。2013年王春波等在《同济大学学报(自然科学版)》(2013,No.3,pp.361-367)中发表的“非稳定承压水降水引起土层沉降分布规律分析”一文基于Mindlin位移解推导了承压含水层减压降水引起的土体沉降的公式。利用上述方法均可求出承压含水层局部减压降水诱发的地表沉降,但在应用方面仍存在一些局限:一方面、上述方法均是建立在理想模型上的计算方法,不能充分反映场地实际的工程条件;另一方面、上述方法的求解对土体的压缩模量、泊松比、渗透系数等工程地质和水文地质参数具有较强的依赖性,目前精确测得上述参数还存在一定困难。因此,提出一种既能反映现场实际的工程条件又能避免过分依赖精确的土体参数的地表沉降预测方法,具有重要的工程意义。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷,本专利技术的目的是提供一种预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法,该方法既能反映现场实际的工程条件,又能避免过分依赖精确的土体参数。为实现以上目的,本专利技术提供一种预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法,所述方法利用地下水流向完整井的非稳定流理论的Theis近似解、叠加原理、有效应力原理、单向压缩公式,确定地表沉降的表达式,并利用抽水试验测得的抽水井流量与地面沉降观测点沉降量通过拟合的方式,确定地表沉降表达式中的待定系数,从而用于预测承压含水层减压降水引发的地表沉降。所述方法包括如下步骤:步骤一、基于地下水动力学的流向完整井的非稳定流理论,确定单井以恒定流量抽水时承压含水层中任意一点的水位降深;步骤二、利用叠加原理,将步骤一求得的水位降深进行叠加,获得群井抽水时承压含水层中任意一点的水位降深;步骤三、利用有效应力原理,将步骤二计算所得承压含水层中任意一点的水位降深转化为有效应力的增加,得到附加有效应力;步骤四、将步骤三的附加有效应力带入单向压缩计算公式,得到承压含水层任意一点的压缩量的表达式,即为地表沉降的表达式;步骤五、根据群井抽水试验测得抽水井流量和地表沉降数据,对步骤四得到的地表沉降表达式中的待定系数进行拟合,以确定地表沉降的最终公式,用该公式进行承压含水层减压降水引发的地表沉降的预测。优选地,步骤一中,当抽水流量不变时,单井非稳定流运动满足的数学模型为:上式中:r为计算点到抽水井距离,m;t为抽水井工作时间,h;s为水位降深,m;Q为抽水流量,m3/h;S为储水系数;T为导水系数,满足T=KM,其中:K为渗透系数,m/h;M为含水层厚度,m。更优选地,求解所述数学模型得Theis公式,即其解表示为:上式中:称为Theis井函数,其中为积分变量。更优选地,当抽水时间较长、t足够大之后,所述Theis公式近似表示为:上式中:s为水位降深,m;Q为抽水流量,m3/h;T为导水系数,满足T=KM,其中:K为渗透系数,m/h;M为含水层厚度,m;S为储水系数;t为抽水井工作时间,h;r为计算点到抽水井距离,m。优选地,步骤二中,根据叠加原理,群井抽水在任意一点引起的水位降深等于各个单井抽水对该任意一点引起的水位降深的叠加,表示为:上式中:s为水位降深,m;Qi为第i号抽水井的平均抽水流量,m3/h;T为导水系数,满足T=KM,其中:K为渗透系数,m/h;M为含水层厚度,m;S为储水系数;t为抽水井工作时间,h;ri为计算点到第i号抽水井的距离,m;n为抽水井的数量。优选地,步骤三中,承压含水层中有效应力的增加量等于承压含水层孔压的减少量,表示为:上式中:Δp为水位下降引起的有效应力增量,KPa;γw·为水的重度,kN/m3;Qi为第i号抽水井的平均抽水流量,m3/h;T为导水系数,满足T=KM,其中:K为渗透系数,m/h;M为含水层厚度,m;S为储水系数;t为抽水井工作时间,h;ri为计算点到第i号抽水井的距离,m;n为抽水井的数量。优选地,步骤四中,所述单向压缩计算公式表示为:式中,ΔS为承压含水层任意一点的压缩量,m;E为压缩模量,KPa;Δp为水位下降引起的附加有效应力,KPa;H为承压含水层的厚度,m。更优选地,将式(5)带入到式(6),地表沉降的表达式为:上式中:Ji、Ki、Li分别为与抽水流量Q、导水系数T、压缩模量E、含水层厚度H、储水系数S有关的待定系数。优选地,步骤五中,群井抽水试验的历时不小于7天,以保证能够获得足够稳定的流量监测数据和充足的沉降监测数据。更优选地,在群井抽水试验过程中,实时监测各抽水井的抽水流量,计算平均流量并求得Ji、Ki、Li的对应关系,即待定系数Ji、Ki、Li满足:J1:J2:…:Jn=K1:K2:…:Kn=L1:L2:…:Ln=Q1:Q2:…:Qn且Ki=2Ji。更优选地,在群井抽水试验过程中,对各地表沉降监测点的沉降量进行监测,根据实测地表沉降数据按照步骤四求得的地表沉降表达式进行拟合,求得地表沉降表达式中的待定参数。更优选地,所选用的所述沉降监测数据的起始时刻t足够大,以保证:其中:r为计算点至抽水井的距离,m;S为储水系数;T为导水系数,m2/h;t为抽水井工作时间,h。更优选地,所选用的所述沉降监测数据不少于三个时刻,以保证所测数据能反应沉降发展的时间分布特性。更优选地,所选用的所述沉降监测数据不少于三个位置,以保证所测数据能反应沉降发展的空间分布特性。本专利技术提出的预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法,假设承压水层压缩与地表沉降相等,将单个完整井的非稳定流运动方程的近似解进行叠加求得群井抽水是的水位降深分布,并结合有效应力原理和单向压缩公式确定了地表沉降的表达式,本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法,其特征在于,所述方法基于抽水试验,包括:步骤一、基于地下水动力学的流向完整井的非稳定流理论,确定单井以恒定流量抽水时承压含水层中任意一点的水位降深;步骤二、利用叠加原理,将步骤一求得的水位降深进行叠加,获得群井抽水时承压含水层中任意一点的水位降深;步骤三、利用有效应力原理,将步骤二计算所得承压含水层中任意一点的水位降深转化为有效应力的增加,得到附加有效应力;步骤四、将步骤三的附加有效应力带入单向压缩计算公式,得到承压含水层任意一点的压缩量的表达式,即为地表沉降的表达式;所述单向压缩计算公式为:

【技术特征摘要】
1.一种预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法,其特征在于,所述方法基于抽水试验,包括:步骤一、基于地下水动力学的流向完整井的非稳定流理论,确定单井以恒定流量抽水时承压含水层中任意一点的水位降深;步骤二、利用叠加原理,将步骤一求得的水位降深进行叠加,获得群井抽水时承压含水层中任意一点的水位降深;步骤三、利用有效应力原理,将步骤二计算所得承压含水层中任意一点的水位降深转化为有效应力的增加,得到附加有效应力;步骤四、将步骤三的附加有效应力带入单向压缩计算公式,得到承压含水层任意一点的压缩量的表达式,即为地表沉降的表达式;所述单向压缩计算公式为:式中,ΔS为承压含水层任意一点的压缩量,m;E为压缩模量,KPa;Δp为水位下降引起的附加有效应力,KPa;H为承压含水层的厚度,m;所述地表沉降的表达式为:上式中:Ji、Ki、Li分别为与抽水流量Qi、导水系数T、压缩模量E、含水层厚度H、储水系数S、水的重度γw有关的待定系数;t为抽水井工作时间;ri为计算点到第i号抽水井的距离;n为抽水井的数量;步骤五、根据群井抽水试验测得抽水井流量和地表沉降数据,对步骤四得到的地表沉降表达式中的待定系数进行拟合,确定地表沉降的最终公式,用该公式进行承压含水层减压降水引发的地表沉降的预测。2.根据权利要求1所述的一种预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法,其特征在于,步骤一中,当抽水流量不变时,单井非稳定流运动满足的数学模型为:上式中:r为计算点到抽水井距离,m;t为抽水井工作时间,h;s为水位降深,m;Q为抽水流量,m3/h;S为储水系数;T为导水系数,满足T=KM,其中:K为渗透系数,m/h;M为含水层厚度,m。3.根据权利要求2所述的一种预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法,其特征在于,求解所述数学模型得Theis公式,即其解表示为:上式中:称为Theis井函数,其中为积分变量。4.根据权利要求3所述的一种预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法,其特征在于,当抽水时间较长,t足够大之后,所述Theis公式近似表示为:5.根据权利要求1所述的一种预测承压含水层减压降水引发地表沉降的方法,其特征在于,步骤二中,根据叠加原理,群井抽水在任意一点引起的水位降深等于各个单井抽水对该任意一点引起的水位降深...

【专利技术属性】
技术研发人员:李炯李明广王大发陈锦剑
申请(专利权)人:上海交通大学
类型:发明
国别省市:上海,31

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