悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法技术

本发明专利技术提供一种悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法，包括如下步骤：S1.根据研究域的地质、水文地质特征和含水层间的水力联系，建立深基坑降水水文地质概念模型；S2.根据水文地质概念模型，建立三维非稳定渗流数学模型和含水层土体压缩量的地面沉降数学模型，将三维非稳定渗流数学模型与地面沉降数学模型进行耦合，并通过有限元程序研制、求解；S3.通过抽水试验数据进行参数反演，获取优化的非稳定渗流与地面沉降三维耦合数值模型；S4.进行悬挂式止水帷幕和降水井过滤器不同组合深度的深基坑降水与地面沉降模拟计算，获取最佳深基坑高效降水技术方案。本发明专利技术构建的耦合模型满足一定精度和置信度，提高模型的计算速度和稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法


[0001]本专利技术属于地下工程基坑降水
，具体涉及一种悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法。

技术介绍

[0002]随着城市的建筑不断立体化发展，地下开挖深度不断加深，基坑底部距离含水层顶板越来越近。在进行深基坑工程施工时，了解地下含水层的分布及渗透性分析愈发重要，因此施工前一般要先进行基坑降水。由于深基坑降水会破坏原有的水土应力平衡、造成地下水资源严重浪费，因此，深基坑降水中广泛使用封闭式止水帷幕。而针对含水层厚度较大的地区时，由于封闭式止水帷幕技术难度大、造价成本高、实际工程应用效果不明确，因此采用悬挂式止水帷幕来达到止水的效果。
[0003]现有技术中，由于地下水渗流场变化及其复杂，具有明显的三维非稳定渗流特性，传统的解析模型难以满足深基坑降水的模拟预测需求，无法有效控制地面变形，减少地下水资源浪费。公开号为CN110263366B的专利公开了一种确定悬挂式止水帷幕插入降水含水层中深度的方法，所述方法根据工程概况、地质信息，结合抽水试验建立三维有限元模型，在给定降水井滤管长度的情况下，通过改变止水帷幕插入降水含水层中的深度，分析止水帷幕内外两侧的水力梯度及坑外地表沉降的变化规律，从而确定止水帷幕插入降水含水层中的合理深度，使之满足工程安全、环境效应及经济性的要求。但其只可计算悬挂式止水帷幕插入降水含水层中的深度，无法模拟完整的降水方案。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法，为基坑降水方案设计提供可靠的参考意见和计算依据。
[0005]本专利技术提供了如下的技术方案：
[0006]本申请提出一种悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法，包括如下步骤：
[0007]S1.根据研究域的地质、水文地质特征和含水层间的水力联系，建立深基坑降水水文地质概念模型；
[0008]S2.根据水文地质概念模型，取坐标X、Y和Z轴的取向与含水层介质各向异性的主方向一致，建立三维非稳定渗流数学模型和含水层土体压缩量的地面沉降数学模型，将三维非稳定渗流数学模型与地面沉降数学模型进行耦合，并通过有限元程序研制、求解，用于通过渗流场、应力场的耦合作用，完整模拟研究域地下水水位和地面沉降的动态趋势；
[0009]S3.根据非稳定渗流与地面沉降三维耦合数值模型，初始化模型参数，结合已知的地下水位观测值和地面沉降量观测值，通过抽水试验数据进行参数反演，获取满足预测精度和置信度且具有良好收敛性和稳定性的非稳定渗流与地面沉降三维耦合数值模型；
[0010]S4.进行悬挂式止水帷幕和降水井过滤器不同组合深度的基坑降水与地面沉降模拟计算，结合施工技术难度、成本、环境影响，获取最佳深基坑高效降水技术方案。
[0011]优先地，步骤S2具体包括如下步骤：
[0012]S21.以研究域中心海平面为坐标原点，根据研究域水文地质特性、研究域维护连续墙埋藏深度及抽水井滤水管设置位置，将研究域进行垂直分层；
[0013]S22.根据水均衡原理和达西定律，建立三维非稳定渗流数学模型，具体包括用于描述研究域地下水运动规律的偏微分方程和定解条件，并通过有限单元法求解；
[0014]S23.建立研究域地下水位下降引起的含水层土体压缩量的地面沉降数学模型，具体包括潜水含水层的弹性变形量、非弹性变形量和承压含水层的弹性变形量、非弹性变形量，并由各含水层的压缩量计算总地面沉降量；
[0015]S24.综合孔隙度、渗透系数和储水率的动态变化因素，将三维非稳定渗流数学模型和地面沉降数学模型通过水头项进行耦合，建立非稳定渗流与地面沉降三维耦合数值模型，并通过有限元程序研制求解。
[0016]优先地，步骤S22中，所述三维非稳定渗流数学模型包括控制方程和定解条件，控制方程如下：
[0017][0018]其中，(x，y，z)为空间位置坐标；k
xx
、k
yy
、k
zz
为各向异性主方向渗透系数；H为点(x，y，z)在t时刻的水头值；W为源汇项；t为时间；Ω为研究域；Ss为点(x，y，z)处的贮水率，具体为：S
S
＝ρ
w
g(α+nβ
w
)，n为土体的孔隙度，α为多孔介质的体积压缩系数，β
w
为水的体积压缩系数，即为水的密度，g为重力加速度；
[0019]定解条件包括初始条件和至少一种边界条件，将研究域由中心向外进行水平剖分，确定边界条件，其中，研究域内部边界为降水井点，外部侧向边界为第一类边界条件，底边界为第二类边界条件，顶部为自由面边界，
[0020]所述初始条件为：H(x,y,z,t)|
t＝0
＝H0(x,y,z,t0)，(x,y,z)∈Ω，t＝0；
[0021]所述边界条件包括第一类边界条件、第二类边界条件和自由面边界条件，其中：
[0022]第一类边界条件为：
[0023]第二类边界条件为：
[0024][0025]自由面边界条件为：
[0026]其中，H0(x，y，z，t0)为点(x，y，z)处的初始水头值，H1(x，y，z，t)为点(x，y，z)在t时刻第一类边界上的已知水头值，q(x，y，z，t)为t时刻第二类边界上单位面积的补给量，cos(n，x)、cos(n，y)、cos(n，z)分别为第二类边界外法线方向与坐标轴方向夹角的余弦，μ为饱和差或给水度，表示自由面改变单位高度下从含水层单位截面积上吸收或排出的水量，n
z
为自由面外法线方向向量n＝{n
x
,n
y
,n
z
}的第3个分量，Γ1、Γ2、Γ3分别为第一类边界、第二类边界和自由面边界。
[0027]优先地，步骤S22中，具体包括如下步骤：
[0028]S221.将研究域离散化，即将研究域剖分成多个单元体，单元体与单元体之间通过单元体顶点一节点相联系；
[0029]S222.在标准的单元体内建立任意一点的坐标与节点之间相互关系的形函数N
i
，既然满足在节点i，Ni＝1，在其他节点Ni＝0，在单元体内任意点上的形函数之和等于1；
[0030]S223.对于不规则的单元体利用等参变换，将单元体坐标的变换与单元体内水头插值函数采用相同数目的节点参数和相同的形函数进行变换，在空间上，使(ε，η，ζ)局部坐标系中形状简单、规则的标准单元体，在(x，y，z)整体坐标系中变换为具有曲线或曲面边界的形状复杂的单元；
[0031]S224.对三维非稳定渗流数学模型的边值问题的求解转化为对泛函I(h)的极值问题的求解，即泛函I(h)的偏导数为零，其中，泛函I(h)的表达式如下：
[0032][0033]单元泛函I
e
(h)的表达式如下：
[0034][0035]S225.对单元泛函I
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法，其特征在于：包括如下步骤：S1.根据研究域的地质、水文地质特征和含水层间的水力联系，建立深基坑降水水文地质概念模型；S2.根据水文地质概念模型，取坐标X、Y和Z轴的取向与含水层介质各向异性的主方向一致，建立三维非稳定渗流数学模型和含水层土体压缩量的地面沉降数学模型，将三维非稳定渗流数学模型与地面沉降数学模型进行耦合，并通过有限元程序研制、求解，用于通过渗流场、应力场的耦合作用，完整模拟研究域地下水水位和地面沉降的动态趋势；S3.根据非稳定渗流与地面沉降三维耦合数值模型，初始化模型参数，结合已知的地下水位观测值和地面沉降量观测值，通过抽水试验数据进行参数反演，获取满足预测精度和置信度且具有良好收敛性和稳定性的非稳定渗流与地面沉降三维耦合数值模型；S4.进行悬挂式止水帷幕和降水井过滤器不同组合深度的基坑降水与地面沉降模拟计算，结合施工技术难度、成本、环境影响，获取最佳深基坑高效降水技术方案。2.根据权利要求1所述的悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法，其特征在于：步骤S2具体包括如下步骤：S21.以研究域中心海平面为坐标原点，根据研究域水文地质特性、研究域维护连续墙埋藏深度及抽水井滤水管设置位置，将研究域进行垂直分层；S22.根据水均衡原理和达西定律，建立三维非稳定渗流数学模型，具体包括用于描述研究域地下水运动规律的偏微分方程和定解条件，并通过有限单元法求解；S23.建立研究域地下水位下降引起的含水层土体压缩量的地面沉降数学模型，具体包括潜水含水层的弹性变形量、非弹性变形量和承压含水层的弹性变形量、非弹性变形量，并由各含水层的压缩量计算总地面沉降量；S24.综合孔隙度、渗透系数和储水率的动态变化因素，将三维非稳定渗流数学模型和地面沉降数学模型通过水头项进行耦合，建立非稳定渗流与地面沉降三维耦合数值模型，并通过有限元程序研制求解。3.根据权利要求2所述的悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法，其特征在于：步骤S22中，所述三维非稳定渗流数学模型包括控制方程和定解条件，控制方程如下：其中，(x，y，z)为空间位置坐标；k
xx
、k
yy
、k
zz
为各向异性主方向渗透系数；H为点(x，y，z)在t时刻的水头值；W为源汇项；t为时间；Ω为研究域；Ss为点(x，y，z)处的贮水率，具体为：S
S
＝ρ
w
g(α+nβ
w
)，n为土体的孔隙度，α为多孔介质的体积压缩系数，β
w
为水的体积压缩系数，即为水的密度，g为重力加速度；定解条件包括初始条件和至少一种边界条件，将研究域由中心向外进行水平剖分，确定边界条件，其中，研究域内部边界为降水井点，外部侧向边界为第一类边界条件，底边界为第二类边界条件，顶部为自由面边界，所述初始条件为：H(x,y,z,t)|
t＝0
＝H0(x,y,z,t0)，(x,y,z)∈Ω，t＝0；所述边界条件包括第一类边界条件、第二类边界条件和自由面边界条件，其中：第一类边界条件为：
第二类边界条件为：自由面边界条件为：自由面边界条件为：其中，H0(x，y，z，t0)为点(x，y，z)处的初始水头值，H1(x，y，z，t)为点(x，y，z)在t时刻第一类边界上的已知水头值，q(x，y，z，t)为t时刻第二类边界上单位面积的补给量，cos(n，x)、cos(n，y)、cos(n，z)分别为第二类边界外法线方向与坐标轴方向夹角的余弦，μ为饱和差或给水度，表示自由面改变单位高度下从含水层单位截面积上吸收或排出的水量，n
z
为自由面外法线方向向量n＝{n
x
,n
y
,n
z
}的第3个分量，Γ1、Γ2、Γ3分别为第一类边界、第二类边界和自由面边界。4.根据权利要求2所述的悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法，其特征在于：步骤S22中，具体包括如下步骤：S221.将研究域离散化，即将研究域剖分成多个单元体，单元体与单元体之间通过单元体顶点一节点相联系；S222.在标准的单元体内建立任意一点的坐标与节点之间相互关系的形函数N
i
，既然满足在节点i，Ni＝1，在其他节点Ni＝0，在单元体内任意点上的形函数之和等于1；S223.对于不规则的单元体利用等参变换，将单元体坐标的变换与单元体内水头插值函数采用相同数目的节点参数和相同的形函数进行变换，在空间上，使(ε，η，ζ)局部坐标系中形状简单、规则的标准单元体，在(x，y，z)整体坐标系中变换为具有曲线或曲面边界的形状复杂的单元；S224.对三维非稳定渗流数学模型的边值问题的求解转化为对泛函I(h)的极值问题的求解，即泛函I(h)的偏导数为零，其中，泛函I(h)的表达式如下：单元泛函I
e
(h)的表达式如下：S225.对单元泛函I
e
(h)偏导数为零，得到分别对求偏导，并整理得出单元支配表达式为：集成后可得整体有限元支配表达式为：
并转化为时间差分格式，其中，[K]为总体渗透矩阵，由单元渗透矩阵[K]
e
集合而成；[S]为储水矩阵，由各单元储水矩阵[S]
e
迭加而得；[G]为流量补给矩阵，由自由面穿过的各单元流量补给矩阵[G]
e
迭加而得；{F}为节点流量矩阵，由各单元水量矩阵{F}
e
迭加而得；{h}为待求节点水头向量。5.根据权利要求4所述的悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法，其特征在于：步骤S225中，若是内部单元，则若为自由面边界单元，则若为有压渗流场，则针对自由面边界，6.根据权利要求4所述的悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐成华，骆祖江，于丹丹，成磊，张也，张兴旺，顾问，周玲玲，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：