超大面积深基坑深井降水干涉井群计算方法研究

王翠英，蒋 宇，朱 健

(湖北工业大学土木工程与建筑学院武汉，湖北 武汉 430068)

超大面积深基坑深井降水干涉井群计算方法研究

王翠英，蒋 宇，朱 健

(湖北工业大学土木工程与建筑学院武汉，湖北 武汉 430068)

阐述了干涉井群的另一种计算方法“水力削减法”。依据有观测孔的单井抽水试验数据，得出各干涉井在预期点处的水位削减值、涌水量减少系数。根据涌水量函数关系不变原理，即各干涉井涌水量减少系数随水位降深增大而近似保持为一常数α，采用多井系统理论，推导出干涉井群各种水文地质计算公式。结合工程实际，根据推导的计算公式，得出降水计算结果。通过与工程实例对比，计算结果与实测数据较为吻合。该成果为类似地层超大型深基坑的干涉井群降水设计提供了借鉴。

干涉井群； 减少系数； 水力削减

在基坑工程施工中常用的降低地下水位的方法是深井降水。由于地下水理论计算的复杂性及影响因素的多样性，使得目前的计算理论及软件有很多不完善的地方，设计结果与实际运行的井数相差甚远。本文依据井群相互干涉原理，采用干涉井群的另一种计算方法“水力削减法”，根据有观测孔的单井抽水试验资料，进行各干涉井的水文地质计算，设计降水井数为55口(77m3/h)。基坑大面积开挖到地面下13 m时，实际抽水井运行了55口，从观测孔水位得知，基坑各点处水位低于基坑底1 m, 基坑开挖工作进展顺利，降水效果良好，且大幅降低工程造价。

1 干涉井群降水设计基本理论

如果在一个含水层中有两口或是多口井共同工作，当井与井的间距小于影响半径时，它们之间就要相互影响，多井系统中的每口井为干扰井。当有n个井，分别以Qi的涌水量抽水时，对任意点M来说，势方程[1]为

式中ri为M点到各抽水井的距离。如果每个井的抽水强度相等，Q是总涌水量。则

在井群的补给边界上的势为φk，如果是圆形补给边界，在各个方向上井群中心到补给边界的距离R均相等。则

潜水含水层中M点的水头公式为

承压含水层中M点的水头公式为

潜水井群的总涌水量方程式为

承压井群的总涌水量方程式为

干涉井群的另一种计算方法是“水力削减法”，这种方法最初是阿利托夫斯基在40年代提出来的。水力削减法是在实地进行抽水试验得到一些数据的基础上进行计算的。根据有观测孔的单井抽水试验资料，即可进行各种干涉井群的水文地质计算，而不必进行干涉井群抽水试验，降低降水成本，其结果与实际相符。

1.1 水流叠加原理

(1)

在稳定的层流运动条件下，承压抽水井的涌水量和观测孔的水位削减值近似成比例关系

(2)

将q0(近似为一常数)称为观测孔引用单位流量。

1.2 井群相互干涉原理

井群相互干涉的程度可用涌水量减少系数α表示；在同样的降深条件下，因井群相互干涉的结果而使水量减少的部分

(3)

由此可见，在两井相互作用下，水位降深S1和S2并不完全起出水作用，在S1中包括着2号井抽水对1号井造成的有效水位削减值ta1在内；同样在S2中包括着ta2在内。对1号井来说，真正起出水作用的是S1-ta1=Sa1；对2号井来说是S2-ta2=Sa2，Sa(Sa1,Sa2)叫做有效水位降深。

1.3 涌水量函数关系不变原理

当单井抽水时，各井涌水量和水位降深函数关系，即Q=f(S)近似成直线关系时，则各干涉井涌水量减少系数随水位降深增大而近似保持为一常数[3]。因此，可取各次降深涌水量减小系数的平均值作为计算依据。

1.4 干涉井群的水量计算

在进行抽水试验期间，对各降水井只进行单独抽水，观察并记录所布置观测井水位削减值，然后根据水流叠加原理，按式(1)计算预期地点的设计总水位降低值为S时相应的疏干井群总干涉涌水量∑Qi,这样就减少了疏干井群同时抽水的大规模试验工作量。

1)先按设计降深S，求得干涉试验孔在单井抽水时的水位削减值t。

由于含水层等厚、均质(或接近等厚均质)，如果两个干涉试验孔的口径相同(半径均为r0)，在同样的降深S下，涌水量Q应该基本上相等，在另一孔中形成的水位削减值t也应该相等。

2)换算不同距离的水位削减值

两个干涉孔间的距离为r，单孔抽水时的涌水量

如果在ri的距离上，另有一个观测孔，其水位削减值为ti，则

3)计算各设计孔的水位削减值和涌水量减少系数

将影响半径范围内各设计孔与抽水试验孔间的距离ri代入式(3)中，便可求得在不同距离ri处的设计孔，在单孔抽水时对抽水试验孔的水位削减值，各个设计孔水位削减总值，即为这些削减值之和∑ti。

在共同抽水时，各设计孔的有效水位削减总值∑tai可按式(4)求得

(4)

按式(5)，可求得各设计孔的涌水量减少系数

(5)

4)计算各设计孔的干涉涌水量

按式(2)，多井干涉时，且各井的水位降深相等，则

qi为单位涌水量，Sa为有效水位降深，Sa=S-∑tai，因此

总干涉水量即为各设计孔干涉水量之和。

2 工程实例

湖北潜江高石碑船闸大型基坑深井降水工程是引江济汉的基础性工程，场地位于汉江的一级阶地，承压含水层厚度约57m，船闸基坑长约260m，宽70m。地下水是承压水，地下水位在地面下1～2m,基坑开挖深度为13m。基坑开挖至10m时已揭穿承压含水层(细砂层)；高石碑船闸超大型深基坑大面积开挖，承压含水层厚度大(57m)，考虑到施工期间地下水位应在开挖基底下至少1m处，故设计降深为13.5m。

2.1 抽水试验

施工抽水井2个，孔径0.5m，井管直径0.3m,井深30m,相距30m，其中一个作为抽水井，另一口井作为观测井，抽水井做三次降深试验，分别采用80t/h、60t/h、50t/h的水泵进行抽水试验，测得48h后的稳定水位(表1)。

表1 抽水试验成果表

井壁外降深为井管内降深扣除水跃值

从抽水试验成果分析，涌水量和水位降深函数关系近似成直线关系，则各干涉井涌水量减少系数随水位降深增大而近似保持为一常数。

2.2 多井系统理论计算

沿基坑周围布置55口井，当1#井以降深(井壁外降深)3m,涌水量86.9t/h(单位涌水量29t/h)单独抽水时，在2号井中的水位消减值为0.80m,计算在影响半径范围内(与1#相距250m)各设计降水井在1#井处的水位削减值ti及涌水量减少系数αi，因αi随水位降深增大而近似保持为一常数，因此可计算得降深13.5m时，在影响半径范围内的各设计降水井在1#井处的水位削减值(表2)。

表2 各设计降水井在1#井处的水位削减值 m

井号与1#间距t1t1+Sααs1-αti214.11.1133.570.3124.2090.6886.115326.60.853.6180.2353.1720.7654.146439.80.6833.6750.1862.5090.8143.082555.90.5423.790.1431.9310.8572.253669.60.4513.40.1331.7910.8672.065788.40.3513.40.1031.3940.8971.5548105.20.2793.4440.0811.0940.9191.1909125.70.2053.4540.0590.8010.9410.85210143.90.1493.4760.0430.5790.9570.605

同理，可计算任意预期点处设计降深为13.5m时所需井数(以该预期点为园心，在影响半径范围内各设计降水井)。试算基坑范围内角点、中心点(A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M)及任意预期点处设计降深为13.5m时，布置55口井所需各设计孔干涉涌水量(表3)。由计算结果知，因各降水井相互干涉的结果，降水后地下水位形成以基坑中心点为中心的降落漏斗，故按布置55口井计算各预期点处所需涌水量时，基坑范围内角点处所需各设计孔干涉涌水量比基坑中心点处要大(在基坑中心处最小，为46.8t/h；几个角点处最大，为75.3t/h)。为保证基坑开挖后基坑内每个点处的水位低于基坑底1.0m，故选取80t/h的水泵(80t/h>76t/h)。采用多井系统理论进行计算，结果是：需要55口井。因第一次采用多井系统理论进行方案设计，出于安全考虑，实际工程施工了60口井，大面积全部开挖到基坑底时，实际运行了55口井(80t/h)，与计算结果相吻合，降水井平面布置图见图1。

表3 任意预期点水位降至设计降深所需干涉涌水量 t

图 1 降水井布置图

3 结论

国家规范设计的降水方案未考虑全国各区域地层的实际情况，湖北天汉软件设计的降水方案，未能考虑干扰井群相互影响的问题。实际工程中，必须依据井群相互干涉原理，采用干涉井群的另一种计算方法“水力削减法”，根据有观测孔的单井抽水试验资料，进行各干涉井的水文地质计算,并推导出干涉井群在预期点处的水位削减值及总干涉涌水量等水文地质公式，才能成功应用于工程实践。

[1] 苑莲菊,李振栓,武胜忠，等. 工程渗流力学与应用[M].北京：中国建材工业出版社，2001:25-45.

[2] 施普德.井水量计算的理论与实践[M].北京：地质出版社，1977(02).322-366.

[3]RourkeTDO′,MerberASCE.Fieldbehaviorofexcavationstabilizedbydeepsoilmixing[j].journalofgeotechnicalandgeoenvironmentengineering[J]. 2000,126(05):420-428.

[责任编校： 张岩芳]

Study on Calculation Method for Interferential Well Broup of Large Foundation Pit Dewatering

WANG Cuiying, JIANG Yu, ZHU Jian

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

This paper presents a new method for the calculation of interferential well group, the ‘hydraulic weaken’ method. Using pumping test data of single well with observation wholes, we can calculate the hydraulic weakening value and water flow decreasing coefficient α of each interferential well at anticipated points. Based on the invariant principle of water flow function, as water drawdown increases in interferential wells, the water flow decreasing coefficient approximately keeps constant. Using the theory of multiple-well system, hydrogeology formula of interferential well group was deduced. The calculated results of practical engineering examples are in good agreement with the measured data, which provides beneficial reference to large foundation pit dewatering design of interferential well group of similar layers. Therefore, this method has high practical value.

interferential well group；water flow decreasing coefficient；hydraulic weakening

2015-01-14

王翠英(1965-)，女，内蒙古包头人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为深基坑支护与深井降水

1003-4684(2015)04-0043-04

TU94

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