深基坑降水回灌对地面沉降的影响研究
张宏洲;李亚楠
【摘 要】通过回灌技术在基坑中的应用,结合理论计算法和数值模拟技术对典型工程进行研究,用理论计算进行初步设计,用数值模拟进行复核,验证模型的科学性,并对不同工况下回灌对地表变形的影响进行了研究. 【期刊名称】《廊坊师范学院学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2019(019)001 【总页数】4页(P72-75)
【关键词】深基坑降水;回灌法;地面沉降;数值模拟 【作 者】张宏洲;李亚楠
【作者单位】廊坊师范学院,河北廊坊065000;河北三骐工程项目管理有限公司,河北廊坊065000 【正文语种】中 文 【中图分类】TU46+3 0 引言
深基坑工程往往不但要考虑降水，还要考虑把降水的影响控制在一定范围内，这就催生了降水井和回灌井联合降水法。该方法不但可以保证坑内水位降低，也可以利用回灌井使得基坑外侧地下水位基本保持不变，从而有效保证基坑邻近建筑物的安全，预防和减少各类灾害的发生。
为了解决降水井和回灌井联合降水过程中的施工技术问题，本文依托中石油中心医院综合医疗楼项目，对降水、回灌技术进行系统研究。 1 回灌技术原理
回灌法的工作原理是在井点降水的同时，将抽出的地下水通过回灌井重新灌入含水层，回灌水向井点周围渗透，形成一个和降水曲线相反的倒降落漏斗，使降落漏斗的影响半径超过回灌井所在位置，这样回灌井点就形成一道隔水帷幕，阻止回灌井点外侧建筑物下方地下水的流失，并使回灌井外地下水位基本保持不变，含水层应力状态基本维持原状，有效防止基坑降水对周围建筑物的影响［1］。工作原理如图1所示。
图1 降水回灌工作原理 2 回灌系统设计
先得出井点抽水后（未回灌）基坑周围的大致水位降深曲线，然后获得各保护对象在降水后的地下水位标高［2］，由此确定回灌井滤管顶标高，要求在降水水位曲线下至少1m。回灌井滤管长度应大于抽水井滤管的长度，通常为2～2.5m。 2.1 抽-注水群井的地下水位计算
以完整抽-注水井为基础，设在水平含水层中有n个抽水井、m个注水井，水井群的水位曲线方程［2］为：
回灌井群的水位曲线方程为∶
式中∶z-基坑内某一点的水头值 (m )； k-土层渗透系数 (m s); H-含水层厚度（m）；
Qc-抽水井群的涌水量杯（m3/s），
R-井群的影响半径（m）；
r1…rn-基坑内某一点到各抽水井距离（m）； H0-回灌水位影响半补以外的地下水位（m）； …-基坑内某一点到各回灌井距离（m）； -回灌井群的回灌量（m3/s）。 2.2 回灌井群的回灌量计算
因抽水井的涌水量可按现行规范提供的公式计算，但回灌井的回灌量无具体公式可作为参考［3］，可跟据以下算法求得。
根据降水曲线方程式（1）选取水位最高点和最低点（假设分别对应的水位值为和），此两点对应在回灌井群作用下的水位分别为Z1和Z（2未降水后的地下水位叠加）。回灌通常要求回灌前后的地下水位基本一致，可得∶
抽水井群的涌水量Qc可按下式计算∶
式中∶S-基坑降水水深（m）
R0-基坑等效半径（m），不规则块状基坑等效半径，A为基坑而积，圆形基坑的等效半径即为基坑半径。式中其余参数同（1）式。 群桩的影响半径R可按下式计算∶
式中参数同上式。
可将Z1和Z2分别代入到（2）式中联立式（3）可求出末知量Z1和Z2和Q2。 2.3 工程概况及降水回灌参数
中石油中心医院综合医疗楼项目位于廊坊市新开路和建国道路口东北角，采用基础、钻孔灌注桩基础，基坑开挖深度7.65～10.15m，西侧、北侧为既有建筑物，
基坑边缘距既有建筑最近不足6m，而且周边建筑中存放了大量医疗设备。有一层地下水，水位埋深2.3～2.8m，如何保证在有效降水的前提下保证基坑的安全，保证既有建筑物的安全是迫切需要解决的问题［4］。
基坑降水影响半径为500m，含水层累计厚度35.3m，含水层自上而下分别为杂填土、粉质粘土、粉土、粉沙、粘土，各含水层水文地质参数参见表1。 表1 土层情况表土层粉质粘土粉土粉砂厚度（m）2.4 3.3 6 K（zm/d）0.012 0.8 1.4 kx=k（ym/d）0.047 1.32 4.51 S（s10-2m）0.283 0.062 0.012
设计基坑中心地下水位需降至基坑底板以下0.5m，设计水位降深7.85m，经计算抽水影响半径R=150.32m.总涌水量Qc=1356.6m3/d。沿板墙外边界等间距布置50眼降井，本次设计降水井为水泥滤管井，成孔直径为600mm，成井直径为400mm，井深14.5m，回灌井距离降井3m，间距1.8m，井深16.5m。在基坑四边中点断面位置，距坑边分别为30m、60m、90m、120m、150m ，A、B、C、D 点和基坑北边线处分别布设沉降观测点C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，如图2所示。进行沉降观测，观测周期为10d。 图2 基坑监测布置图 3 回灌数值模拟 3.1 数学模型
以基坑为中心，东西南北各扩展至500m作为本次模拟计算区域，四周均按定水头边界处理。据基坑场地水文地质条件特征，将计算区垂直方向自上而下剖分成5层。在模型研究区域范围内，采用等间距有限差分离散法进行自动剖分，网格大小为5m，对涉及深基坑周边区域网格进行加密，加密区网格大小1m，采用pmwin软件，对本文所建模型进行降水沉降数值模拟［1］。 3.2 成果对比
降水50天达到设计水位降深后，得到基坑及其周围一定范围内地表沉降等值线图，
并取图中北部断面沉降观测点 C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8数值，此时地表沉降实测模拟值数据绘制沉降对比如图3、图4所示，表明模拟值与实测值拟合关系较好，pmwin软件所建模型有一定可靠度，降水回灌初步设计是合理的。 图3 地表沉降实测模拟值数据对比图 图4 基坑侧布点下沉对比图 3.3 设计方案优化
为优化设计参数，寻求降水最优参数，使用所建模型，通过更改回灌参数，研究在不同回灌方案下地表变形的变化趋势。主要讨论在回灌井距离降井3m、8m，回灌速度分别为6m3h、10m3h、14m3h、时地表的变形情况，具体工况如表2所示。根据六种工况下地表沉降的变化趋势，得到北部断面处地表变形的变化趋势，如图5所示。
图5 地表变形的变化趋势 3.4 结果分析
（1）随着回灌井距基坑边距离增加，在回灌速度不变的情况下，回灌井降井距离越大，相应地表沉降越小，说明在一定范围内远离基坑边处的回灌效果优于近处，可见，回灌点布置应尽可能靠近保护对象［5］。
（2）随着坑边距的增加，回灌参数的变化对地表沉降影响很小。
（3）随着回灌速度增加，在回灌井距基坑边距离不变的情况下，回灌速度越大，相应地表沉降越小，但达到议定值后变化不明显。说明无地增加回灌速度对控制沉降影响有限，回灌过多反而有可能引起地表隆起，浪费资源。
（4）设置回灌井可以减小回灌点附近地面的总沉降量，但对于不均匀沉降量而言，随着回灌井远离基坑边，不均匀沉降呈现明显减小趋势，而回灌点靠近基坑方向，则出现先减小后明显增加的趋势，可能是回灌点至基坑边之间的含水层受到了抽水和回灌的多重作用，致使含水层不均匀性增加，增大了地表的不均匀沉降。
表2 具体工况工况 1工况4工况井距（m）回灌速率（m3/h）3 6工况2 3 10工况3 3 14 8 6工况5 8 10工况6 8 14 4 结论与讨论
通过回灌技术在基坑中的应用，结合理论计算法和数值模拟技术对典型工程进行研究，用理论计算进行初步设计，用数值模拟进行复核，验证模型的科学性，并对不同工况下回灌对地表变形的影响进行了研究，得到了一些结论。通过分析可知，回灌点布置应尽可能靠近保护对象；无地增加回灌速度对控制沉降影响有限；随着坑边距的增加回灌参数的变化对地表沉降影响很小，对回灌问题有积极意义。 该工段于4月29日开始布设降水及回灌井点系统，4月30日开始抽水、回灌，开始抽水时水量较大，水位下降明显，之后水位降落逐渐缓慢，3天后水位保持稳定。5月2日开始土方开挖，开挖后的基坑干燥，边坡保持稳定，挡土墙底板砼、墙身2 m浆砌块石、墙后2 m高范围内回填土相继顺利完成，5月14日停止了抽水、回灌。从施工期及之后1个月的观测数据看，观测井水位相对稳定，沉降观测点标高没有变化，民房墙壁上设置的裂缝观测标志值亦无增大现象，民房的质量及居民的正常生活与安全得到了保证。应用结果表明，本次轻型井点降水结合井点回灌方案设计及施工是成功的。
在今后研究过程中，有待将理论计算与模型模拟更充分地联系在一起。另外，本文在考虑地表下沉的过程中，单纯考虑了地下水的问题，未能将地基土的变形因素考虑进去，有待进一步研究［6］。 ［参考文献］
【相关文献】
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