深基坑降水优化方法及应用研究

1、硕士研究生学位论文摘 要i摘要随着经济的发展，深基坑工程越来越多，作为深基坑工程的一个重要组成部分，深基坑降水正受到越来越多的重视。深基坑降水能保证基坑开挖的顺利进行及整个基坑的安全，而且，科学合理的降水方案能够节约工程投资。然而，关于优化深基坑工程降水设计计算方面的研究还很不成熟，而且不便于工程应用。因此，需要在这个方面进行更多的探索和研究。首先，本文综述了深基坑工程的发展概况，阐述了降水的重要性、各种降水方法及其适用条件，介绍了渗流理论及涌水量的计算方法，指出了目前深基坑降水方面存在的问题。针对深基坑降水问题，利用实测数据，在经典渗流理论假设的前提下，分析了均质含水层稳定流潜水非完整井基坑

2、涌水量随地下水位的变化趋势及降水形成的无水区体积随地下水位的变化趋势，引入涌水量比例系数和体积比例系数的概念，利用回归分析的方法对试验结果进行拟合，在保证满足工程要求精度的基础上给出了涌水量及降水形成的无水区体积与地下水位之间关系的较为科学合理的表示方法。然后，根据基坑进出水量差与无水区孔隙体积变化相等，给出了控制基坑地下水水位的公式，在公式中充分体现了涌水量、地下水水位、井群排水量与时间的动态可调关系。可以根据工程实际情况，采取适当措施，科学降水。最后，结合工程实例，根据降水过程的观测结果，合理选择计算参数对水位上升速度进行预测和控制，节约了工程投资，验证了本文中分析方法和计算方法的正确性。

3、通过本课题的研究，得出了强渗透性深基坑涌水量与水位变化规律，提出了控制地下水位的分析方法和计算方法，对深基坑工程实践具有参考价值和实用价值。关键词：深基坑，回归分析，降水，水位控制，优化设计iiabstract硕士研究生学位论文abstractalong with the development of economy, more and more deep foundation pit projectsappear. as an important constituent of the deep foundation pit projects, drainage deserves morere

4、searches. the foundation pit drainage can guarantee the excavation of foundation be carried onsmoothly and the security of whole foundation pit. moreover, a scientific and reasonabledrainage plan can save the investment. however, the researches on optimization design andcalculation of the deep found

5、ation pit are not mature and not easy for application. therefore,more explorations and the research in this aspect need to be carried on.firstly, this article summarized the deep foundation pit development survey, elaborated theimportance of foundation pit drainage, dewatering methods and their suit

6、able condition, andpointed out the question of deep foundation pit drainage.secondly, in view of the questions of deep foundation pit drainage, under the classicaltransfusion theory supposition premise, the changing tendency of water inflow and the volume ofcone of depression along with the groundwa

7、ter table of the deep foundation pit with non-complete steady flow well in isotropic water-bearing stratum is analyzed. in order to simply theanalysis, the concepts of water inflow ratio and volume ratio is introduced. and the regressionanalysis method is used in fitting test results. a scientific a

8、nd reasonable expression method ofwater inflow and the volume of cone of depression along with the groundwater table of the deepfoundation pit is given while required accuracy is satisfied.then, according to that the difference of groundwater recharge and discharge is equal to thehole difference of

9、cone of depression, water table control formula is given. finally, afteranalyzing the observation results of foundation pit drainage carefully, the computation parameterwas cho sen reasonably and was used to forecast and the control to the ascending velocity ofwater table, and much investment was sa

10、ved. it has proved the accuracy the analysis method andthe computational method.through this research, the rule of water inflow along with the ground water level changingof strong permeable deep foundation pit is obtained, the analysis and the computational methodof controlling subsoil water table i

11、s given., the analysis and the computational method is usefuland worth referring to in practice。keywords: deep foundation pit, regression analysis, drainage, control of groundwater table,optimized design声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作过

12、的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解沈阳建筑大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。学位论文作者签名：导师签名：日期：日期：硕士研究生学位论文第一章 绪论1第一章 绪论1.1 基坑工程概述基坑工程是一个古老而又具有时代特点的岩土工程课题，可以追溯到远古时代的放坡开挖和简易的木桩围护。直到本世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不

13、断增多，对基坑工程的要求越来越高，出现的各种问题也越来越多，促使相关的工程技术人员不断地去探索和研究这一古老的课题，使得许多新的经验和理论研究方法不断出现和成熟。1.1.1 基坑工程发展背景本世纪 30 年代，太沙基(terzaghi,1943)等人就已经开始研究基坑工程中的岩土工程问题。40 年代，提出了沿用至今的预估挖方稳定和支撑荷载大小的总应力法。50 年代，bjerrum和 eide 提出了分析基坑底板隆起的方法。60 年代，在奥斯陆等地的基坑开挖中开始进行施工监测。从 70 年代起世界上许多国家先后出台了相关的法规12。而在我国，有关于深基坑工程方面的广泛而深入的研究是从 80 年代

14、开始的。随着我国经济的蓬勃发展，我国各地高层建筑、超高层建筑大量出现总数已超过 6000 栋，基础埋深也在不断增加；北京、上海等地基坑开挖深度达到了 8m3。90 年代，我国的高层、超高层建筑如雨后春笋般拔地而起，其建造数量由 80 年代的 1000 多栋猛增到 9000 多栋4。另外，由于城市地上空间日益拥挤，许多城市兴建了许多大型地下市政设施、地下商场地铁等。基坑开挖深度也更深，很多都超过了 10m，甚至更深,如上海经贸大厦主楼基坑深达 32m5，基坑的开挖面积也越来越大，许多基坑的开挖面积超过了 10000 ，而上海的港汇广场大厦基坑开挖面积达到了 50000 6；随着城市的发展城市人口

15、越来越密集，可用场地狭小，地价上涨，地上可用面积越来越小导致人们不断开发地下空间。为提高地下空间的利用率，地下停车场、地下商城及机房、仓库等服务设施不断增多，人防设施的要求，城市地铁，尤其是多层地铁站的兴建、地下竖井或工作井的兴建、地下储槽及污水处理厂的兴建都要涉及到基坑开挖。1.1.2 深基坑的破坏形式在深基坑工程中，事故较多，其中包括设计的原因和由施工方面的原因。基坑破坏会带来很严重的后果，如影响附近道路交通，地下管线的断裂或正常使用，周围建筑物的倾2第一章 绪论硕士研究生学位论文斜或出现裂缝等。整体失稳会导致结构地下部分不能正常施工。所以，无论施工和设计都必须充分注意可能出现的隐患，特别

16、是施工时一定要加强监测，实施信息化施工，加强监测和动态管理，以确保施工的顺利进行3。支护结构破坏形式可分为：（1）稳定性破坏a. 失稳包括由于围护结构入土深度太小或撑锚系统失效造成基坑边坡整体滑动以及由于墙体截面太小引起的整体移动。对内撑式和拉锚式支护结构插入深度小或坑底土质差，被动土压力小造成支护结构踢脚失稳破坏。b. 坑内隆起在软土地基中，开挖后应力释放会引起坑底隆起，可通过加深墙体入土深度和加固基坑土来防止。c. 管涌和流土当基坑渗流引起流土，是被动土压力减小或丧失，造成支护体系破坏，称为流土破坏。地基中存在承压水，当基坑底土层不能承受承压水的顶托力时基坑底产生突涌导致破坏。可通过降低地

17、下水位、加深墙体深度以增加渗径或改善墙体及地基土的抗渗性能来避免。（1）强度破坏a. 支撑系统破坏包括围护桩墙和支撑杆件的破坏。破坏原因有：围护桩墙纵向尺寸太小或跨度太大，支撑杆件截面不够或计算长度太大。b. 围护墙体破坏包括围护墙体强度不够、截面太小或配筋不当等。（2）变形破坏支护结构变形较大，引起周围地面沉降和水平位移较大。这种变形对支护本身除变形太大外没有带来更大的危害，但对临近构筑物或地下管线造成不良影响。例如：引起临近建筑物开裂或倾斜，路面开裂或下陷，管道裂缝漏水等。1.2 基坑工程中的降水随着近年来水利建设工程的地质、水文条件越来越复杂，大型水利基坑工程的设计和施工是一个不容忽视的

18、话题。同时由于高层建筑、地铁、隧道、地下工事等工程的深开挖，硕士研究生学位论文第一章 绪论3深基础工程和地下空间的开发和利用已日益成为建筑工程中一个引人注目的技术难点和热点问题。无论是水利基坑，还是建筑基坑，深基础工程的设计和施工是一个涉及工程、水文、地质、工程结构、工程施工、工程管理的系统工程，是融岩土工程、结构工程、工程施工、工程管理的系统工程，是建筑、水利行业科技步和发展的标志之一。尤其是近十年来我国基坑工程得到迅猛发展6，大量的工程实践大大丰富和提高了我国在基坑工程领域内的技术水平。但是，基坑工程是实用性、经验性极强的学科，是随着工程实践不断提高的学科，近 10 余年的工程实践既有大量

19、成功的经验，也有失败的教训，更有一系列有待进一步解决的问题7、8，如基坑开挖过程中，由于土的含水层被切断，地下水不可避免地会不断渗入到基坑内，由此引来了基坑降水方面的问题，如何控制好地下水，减小其对基坑开挖和周围环境的负面影响己成为深基坑开挖与支护工程中一个十分重要的方面，成为现代城市高层建筑和水利枢纽建设的重要岩土工程问题之一，而且基坑降水的成功与否，将关系到整个工程的进展，同时也关系到施工人员的性命与安危，对地下水处理的好坏，是决定基坑工程成败的重要因素，是深基础地下建筑物施工中一个重要而又较难妥善解决的施工环节，如果基坑降水失败，轻则可能造成施工进度缓慢、影响工程工期、增加工程投资，重则

20、造成基坑报废，甚至人员伤亡，因此基坑降水应引起高度重视。1.2.1 降水的重要性基坑开挖施工时，无论是采用支护体系的垂直施工还是放坡开挖，如果施工地区的地下水位较高，为了保证土方开挖和地下室施工处于“干”状态，常需要通过降低地下水位或配以设置止水帷幕使地下水位在基坑底面 0.5m1.0m 以下，降低地下水位不仅有利于施工，而且有利于基坑围护结构的稳定性，防止流土、管涌、坑底隆起引起破坏。当开挖面低于地下水位时，土体的含水层被切断，地下水便会从坑外或坑底渗入基坑内，另外在基坑开挖期间由于下雨或其他原因，可能会在基坑内积水，这样会使坑底地基土强度降低，压缩性增大。这样，从基坑开挖安全的角度出发，对

21、于采用支护体系的垂直开挖坑内被动区土体由于含水量增加导致强度、刚度降低，对控制支护体系的稳定性、强度都是很不利的；对于放坡开挖来讲，也增加了产生流砂和边坡失稳的可能性3。坑内的大量积水还会严重影响施工的顺利进行，因此必须进行降水。如果对地下水治理不当，将会造成工程事故。这类工程事故往往具有如下特征：（1）具有突发性；（2）多数事故会造成支护结构及地基的变形，危害性很大。与地下水治理不当相关的工程事故多发生在以下三个部位：挡土结构、基坑底面和基坑周边。4第一章 绪论硕士研究生学位论文对于发生在挡土结构上的事故，可能是挡土结构未做止水帷幕或虽设置止水帷幕，但挡土结构或止水帷幕存在缺损，在地下水作用

22、下，水携带土颗粒从挡土结构的背部流入基坑，如果情况严重将会造成坑壁坍塌。另外，在挡土结构设计时，期望通过基坑底部的排水工法来降低挡土结构背部的侧向水压力，而实际施工中，由于不透水夹层或竖向透水性小的土层的存在，如果不能很好地降水，使得实际水位比设计水位高很多，就会造成挡土结构产生较大变形。在软土地区，当坑内工程桩或挡土桩均采用打入式或压入式桩时，如果基坑降水措施不力，形成的超静水压力短期内不会消散，基坑开挖时将改变坑内土体应力平衡，将促使淤泥质土流动并引起桩产生水平位移。在无粘性土中开挖基坑后，当地下水的向上渗流力（动水压力）大于土的浮重力密度时，在挡土墙结构近端的基坑底面处就会出现“管涌”，

23、而其结果将会使坑的出现“流砂”状态。造成此类事故的原因可能是由于挡土结构插入深度不够造成地下水流路长不足或是降水时水位降低不够。深基坑降水时常会带出很多土颗粒，同时使软弱土层产生固结沉降，加之基坑挖土将引起基坑周围一定范围和不同程度的工程环境变化。若处理不当，严重者将使基坑附近的建筑产生位移、沉降甚至破坏，其中最普遍的是地面建筑和地下建筑（地下室、地下储水池和地下停车场等）的沉降变形、水平位移和倾斜，道路及各种地下管沟开裂或错位，以及边坡失稳等。1.2.2 降水方案的适用条件及降水的作用由于降水使地下水位降低，在水位下降的范围内土体的重度会从浮重度增加到接近于饱和重度，土体内部应力增大，这样将

24、导致水位影响范围内地面及周边一定范围内建(构)物产生附加沉降。鉴于降水带来的不利影响，在采取降水方案之前，必须认真分析，慎重考虑。降水方案一般适用于以下情况和条件：（1）（2）（3）（4）（5）地下水位较浅的砂石类土和粉土类土层。对于透水性差的粘性土层一般施工时无需降水；周围地面允许一定沉降；止水帷幕密闭，坑内降水时坑外水位下降不大；基坑开挖深度与抽水时间均不大，或施工期较短；可以采取有效措施保证邻近地面沉降控制在容许值内；硕士研究生学位论文第一章 绪论5（6）具有地区性的成熟经验，可以保证对周围环境不产生大的不良影响。在基坑开挖过程中采取降低地下水位措施的作用是：1基坑坡面和坑底渗水，保持坑

25、底“干燥”，确保施工顺利进行。2增加边坡和坡底的稳定性，防止边坡上或基底的土层颗粒流失。这是因为基坑开挖至地下水位以下时周围水会向坑内渗流，从而产生渗流压力，对边坡和基地稳定产生不利影响，此时采用井点降水的方法可以把基坑周围的地下水面降到开挖面以下，不仅保持坑底干燥便于施工，而且消除了渗流力的影响，防止流砂产生，增加了边坡和基地的稳定性。3减少土体含水量，有效提高土体物理力学性能指标，对于放坡开挖而言可提高边坡稳定性；对于支护开挖可增加被动区土抗力，减小主动区土体侧压力，从而提高支护体系的稳定和强度保证，减小支护体系的变形。4提高土体固结程度，增加地基抗剪强度。降低地下水位，减少土体含水量从而

26、提高土体固结度，减少土中孔隙水压力，增加土中有效应力，相应的土体抗剪强度也可得到增长，因而降低地下水位也是一种有效的地基加固方法。科学的降水方案不仅能为工程带来上述好处还能降低工程造价。1.2.3 降水引起的问题基坑开挖是一个复杂问题，地下水位以下出现的很多问题无疑给施工带来很多不便。由降水带来的主要问题有如下几方面。(1) 坑底流砂、隆起或地下水突涌。在软粘土地基中开挖基坑时，由于上部土体的卸荷，形成基坑内外地基土体的压力差，当这一差值超过基坑底面以下地基的承载力时，地基的平衡状态就破坏，从而发生支护结构背侧的土体塑性流动，坑底有被承压水顶破而发生涌砂、坑底隆起的危险。这是因为当基坑开挖成型

27、后，地下水渗流状态被全面改变的结果。(2) 基坑周围地面的不均匀沉降、位移和塌陷以及基坑降水带来的环境问题。如果基坑内布置的降水井点结构不合理，当抽汲地下水时带出大量细颗粒物质，造成基坑地面塌陷:或者因围护结构的防渗条件较差，引起坑外水土流失，造成地层的位移和沉降。基坑降水引起地面变形的机理在于降水引起浮力减少，自重应力增加；降水过程中，自上而下的动水压力作用；抽水时细粒土被带出，引起潜蚀；粘性土中抽出水体积与压缩量几乎相当。解决因基坑降水而引起的地面不均匀沉降的办法之一就是设置回灌井，其中关键是确定一6第一章 绪论硕士研究生学位论文个地下水水位报警值，通过观测孔的水位监测，调整回灌水压力及回

28、灌水量，使地下水在报警值上下浮动。(3)支护结构破坏及基坑塌陷。作用在围护结构上的土压力和静水压力过大而引起土体滑动使结构变形，甚至造成结构破坏，导致基坑坍塌。因此，基坑工程中降水问题的研究目的主要包括三个方面：保证基坑开挖和施工时坑内底板不积水，便于施工；保证不因渗流场和应力场的改变而产生坑内坑外土体的渗透变形、塌陷和位移以及支护结构的变形和破坏；消除地下水对建筑物的顶托力。1.2.4 降水方法在基坑工程中通过降、排水使地下水位在基坑底 0.5m1.0m 以下。若有承压水应使深部承压水不致引起坑底突涌破坏。在降、排水过程中应不影响周围道路、建筑物及地下管线的正常使用，必要时应进行回灌。目前，

29、降水方法可分为集水井降水和井点降水。集水井降水属于重力降水，是在基坑开挖时沿基坑的周围开挖排水沟，每隔一定距离设集水井，使基坑内挖土时渗出的水经排水沟流向集水井，然后由水泵抽排到坑外。排水沟与集水井保持一定高差，集水井比排水沟应低 0.5m1.0m，排水沟底比挖土面应低 0.3m0.5 m，随基坑开挖逐步加深，沟底和井底均保持这一深度差。集水井一般设置在基坑角或每 30m40m 设置一个，其半径一般为 0.7m0.8m，深 1.0m。井壁可用挡土板、水泥管或砖作临时支护，井底铺 0.3 m 厚的砾石，以防泥砂堵塞水泵。抽水设备多用潜水泵，此法设备简单、施工方便、费用低廉，在施工现场应用得最为普

30、遍。但是这种方法的缺点是，地下水沿边坡面或坡脚或坑底渗出，使坑底软化或泥泞;当坑底开挖深度较大时，如果土的颗粒较细，在地下水动水压力的作用下，还可能引起流砂、管涌、坑底隆起和边坡失稳，因此，集水明排在深基坑工程中单独使用有一定的条件，在高水位地区基坑边坡支护工程中，这种方法往往作为阻挡法或其他降水方法的辅助降水措施，它主要排出潜水、施工用水和雨水，在地下水较丰富地区，若仅单独采用这种方法降水，由于基坑边坡面渗水较多，坡面稳定难于保证。因此，这种降水方法一般不单独应用于高水位地区基坑边坡支护中，但当基坑不深、涌水量不大、坑壁土体比较稳定、不易产生流砂、流土、潜蚀、管涌、掏空和坍塌等现象的粘性土、

31、砂土、碎石土的地层时，可以在低水位地区或土层渗透系数很小及允许放坡支护的工程中单独应用。当基坑开挖深度较大，地下水的动水压力有可能造成流砂、管涌、基底隆起或边坡失硕士研究生学位论文第一章 绪论7稳时宜采用井点降水。井点降水是地下水位较高地区基础工程施工的重要措施，属强制式降水。我国于 1952年由上海市工务局技术处开始将井点系统用于实际工程。它能有效克服流砂现象稳定基坑边坡，降低地下水位，防止坑底隆起并加速土体固结，使天然地下水位以下的开挖施工能够顺利进行。井点降水是在基坑周围利用排水井，把地下水位降低到基坑底面的降水方法。当地下水位较高而基坑深度较大，尤其是坑壁底层为松散的粉细砂、粉土或透水

32、性较强的砂砾或卵石等地层，地下水补给来源较充足，采用明沟排水易发生坍塌和流砂等现象，影响施工，可采用井点降水。对于深基坑降水，多采用井点降水方法。井点降水包括轻型井点（单级、多级轻型井点）、喷射井点、电渗井点、管井井点和深井井点等。(1)(2)(3)(4)轻型井点：轻型井点系统由井点管、连接管、集水总管及抽水设备等组成。轻型井点的降水系统施工简单、安全、经济，特别适用于基坑面积不大，降低水位不深的场合。当要求水位降低较大时，可采用多级轻型井点降水系统，形成阶梯式接力迭加降深。喷射井点：根据工作流体的不同，喷射井点可分为喷水井点和喷气井点两种。两者的工作原理是相同的。喷射井点系统主要是由喷射井点

33、、高压水泵（或空气压缩机）和管路系统组成。在较粗的砂粒中，由于出水量较大，循环水流就显得不经济，这时宜采用深井泵。喷射井点的抽水系统和喷射井管较复杂，运行故障率较高，能量消耗大，运行费用较高。电渗井点：电渗井点一般与轻型井点或喷射井点结合使用，利用轻型井点或喷射井点管本身作为阴极，以金属棒作为阳极，埋设在井点管内侧。通入直流电后，带有负电荷的土颗粒向阳极移动，而带有正电荷的水则向阴极方向移动集中，产生电渗现象。通过电渗与井点管内的真空双重作用，强制粘土中水由井点管快速排出，井点管连续抽水，从而地下水位逐渐降低。用一般井点不可能降低地下水位的粉质粘土、粘土的含水层中，尤其适用于饱和的淤泥质粘土中

34、。这时，单纯利用井点系统的真空产生的抽吸作用可能较难降水从土体中抽走，利用粘土的电渗现象和电泳作用特性，一方面加速土体固结，增加土体强度；另一方面也可以达到较好的降水效果。管井井点：管井井点就是沿基坑每隔一定距离设置一个管井，或在坑内降水时在一定范围设置一个管井，利用管井进行重力集水，在地面上用一台离心8第一章 绪论硕士研究生学位论文泵或在井内用小型潜水泵不断抽取管井内的水来降低地下水位。管井井点具有排水量大、排水效果好、设备简单、易于维护等特点，可代替多组轻型井点作用。这种方法一般多用于潜水层降水。（5）深井井点：深井井点降水的工作原理是利用深井进行重力集水，在井内用长轴深井泵或井用潜水泵进

35、行排水以达到降水或降低承压水压力的目的。它适用于渗透系数较大（k10-3cm/s）、涌水量大、降水较深（可达 50）的砂土、砂质粉土，及用其它井点降水不易解决的深层降水，可采用深井井点系统。深井井点的降水深度不受吸程限制，由水泵扬程决定，在要求水位降低 5以上，或要求降低承压水压力时，排水效果好。井距大，对施工平面布置干扰小。各种井点的适用范围不同，在实际工程中应用时可根据土层的渗透系数，要求降水深度等实际情况，经过技术经济比较后确定。表 1 给出了各类型井点及其适用范围。表 1各类型井点及其适用范围1.3 基坑渗流与降水的研究现状1.3.1 基坑渗流研究现状关于土中水的渗流的理论研究要追溯到

36、 19 世纪22，1856 年，法国工程师达西通过长期试验得出水流通过均质砂的渗流规律，即 darcy 定律。该定律是对地下水运动规律定量化研究的开始，成为以后有关地下水运动研究的理论基础。dupuit 根据达西定律研究了地下水一维稳定流动和水井的二维稳定运动规律。p.forchheimer 等又研究了更为复杂的地下水渗流问题，从而奠定了地下水稳定渗流理论的基础。稳定渗流不包括时间变量，只能用于描述一定条件下地下水所能达到的一种暂时的、相对的平衡状态，不能反映不断发展变化的地下水的实际运动状态。在这个阶段，一些学者利用一般的有关连续介质力学的概念井点类型土层渗透系数cm/s降低水位深度m单（多

37、）层轻型井点-4 -21.0×10 5.0×1036(612)喷射井点-4 -21.0×10 5.0×10820电渗井点-4<1×10<6管井井点-4>1035深井井点-3>3×10>15硕士研究生学位论文第一章 绪论9建立了以研究水井渗流问题为特征的古典水动力学渗流理论。1904 年，j布新奈斯克(jboussinesq)提出了地下水非稳定流的偏微分方程式，它与一般的热传导方程式相似；o.e.meinzer 研究了地下水的不稳定性及承压水层的贮水性质；c.v.theis 在此基础上提出了地下水承压水井的

38、非稳定流公式，并将热传导方程式的求解技术应用到地下水运动规律的研究领域，开创了现代地下水运动理论的新纪元。? 斯特里热夫（1946）对液体在可压缩地层中渗流理论的物理基础作了定性论述。描述了地应力作用下地下水流动的基本特征和岩土介质孔隙度和渗透率的降低、岩土骨架局部不可逆变形的基本性质。在此基础上，前苏联学者建立起了完整的弹性方式渗流理论和弹性塑性方式渗流理论。盖尔谢瓦诺夫和 ? 帕里申（1948），福劳林（1953）在研究岩土介质固结理论的过程中，将其渗透率看作土的孔隙度的函数，且孔隙度本身随着外加荷载作用而变化。哈万斯基（1953）则认为岩土介质的孔隙度是压力的等势函数。boulton n

39、.s.（1954），hantush m.s.（1955），neuman s.p.(1969)等进行了各种条件下地下水非稳定渗流运动的解析公式，这些基于求解非稳定流的解析法不仅推广了 theis 公式，而且建立了地下水跃流理论和潜水含水层的非稳定流理论。总之，在这个阶段出现了各种严格定量的水动力学方法38、39，从宏观研究入手，用连续介质力学方法对均质液体的各种渗流问题进行了大量理论研究。其中包括：分离变量法、积分变换法、保角映射法、格林（ green）函数法、镜像法等各种解析方法得到广泛的应用。二十世纪 50 年代到 60 年代前期以电脑网络模拟为代表的模拟技术逐渐成为研究地下水渗流问题的主要

40、手段，60 年代后期以计算机为基础的数值模拟技术又使人们在分析地下水问题上取得突破性进展。1.3.2 基坑降水研究现状降水工程设计应进行多方案对比分析后选择最优降水方案，降水工程设计应重视工程环境问题，防止产生不良工程环境影响。由此最优化方法广泛运用于基坑降水工程的设计中16、18、33。最优化设计是在现代化计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术，是根据最优化原理和方法综合各方面的因素，以人机配合的方式或用自动搜索的方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以选出在现有工程条件下的最好设计方案的一种现代设计方法。目前，在国内降水井群方案布置的优化设计方面己有多人进行过研究920，滕凯、柳10

41、第一章 绪论硕士研究生学位论文宝田16等以基坑降水的总费用最小建立目标函数，从而对基坑井群降水进行优化；虎维跃18以总疏水量最小为目标函数，以井位和疏干水量为决策变量对矿井疏干井群进行优化设计；秦四清5在基坑降水中给出不同井距和井深及相同井深不同井距的 n 个降水设计方案，通过计算机模拟实现设计方案的优化，从中选出最优方案。可见考虑的出发点不同，往往所建立的目标函数也不相同，从而得到的降水方案也有所区别。目前还没有形成一个考虑比较全面的方案来确定目标函数2430。1.4 本文主要研究内容根据基坑降水研究现状，本文结合工程实际对降水方案优化问题进行了研究，具体研究内容如下：1在经典渗流理论和水井

42、理论的假设前提下，分析水位变化对影响半径和涌水量的影响，利用水量平衡分析了排水量、水位值与时间的关系，给出用于控制水位的优化降水公式；2通过抽水试验分析不同水位时的涌水量与设计深度时涌水量的比例关系及不同水位时降水漏斗的体积与设计深度时降水漏斗体积的比例关系，运用回归分析方法对试验成果进行拟合分析，找出其中的规律；3结合工程实例，运用本文中的分析方法及给出的公式解决实际问题，验证本文中得出公式的正确性和有效性。硕士研究生学位论文第二章 渗流理论及水井渗流计算11第二章 渗流理论及水井渗流计算2.1 土的渗透性及达西定律水在土体中的流动现象很复杂，人们根本无法针对个别流体质点进行研究，而且这样的

43、研究也没有实用价值。因此，人们研究土体中的渗流问题时主要是研究水的平均运动，把握平均渗透规律。实质上就是用和真实水流属于同一流体的、充满整个含水层的假想水流来代替仅仅在孔隙中运动的真实水流，通过研究假想水流的平均渗透规律来了解真实水流的渗流情况。而假定假想水流具有如下性质：（1）通过任意断面的流量与真实水流通过同一断面的流量相等；（2）在某断面上的水压力应等于真实水流的压力；（3）在任意土体或岩体体积内所受阻力应等于真实水流所受到的阻力。具有这样性质的水流被称为渗流。土的渗透性一般是指水流通过土中孔隙难易程度的性质，或者称为透水性。地下水的补给与排泄条件，以及在土中的渗透速度与土的渗透性有关。

44、地下水的运动一般可分为层流和紊流两种形式。地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度连续渗透属于层流运动；而在岩石裂隙或空洞中流动时速度较大，会发生紊流。法国工程师达西43（darcy）于 1856 年通过试验提出了著名的达西渗透定律。 v = ki基准面 （2-1）图 2-1水的渗流式中， v 水在土中的渗透速度，cm/s，它不是地下水的实际流速，而是在单位时间内流过单位土截面的水量；12第二章 渗流理论及水井渗流计算硕士研究生学位论文i 水力梯度，i =h1 h 2l，即土中 a1 和 a2 两点的水头差于两点的流线长度之比，如图 2-1 所示；k 土的渗透系数，cm/s，它的值的大小反映土

45、体渗透性的强弱。实验证明：在砂土中水的流动符合达西定律（如图 2-2 所示）；而在粘性土中只有当水力梯度超过所谓起始梯度后才开始发生渗流（如图 2-2 所示）。砂土粘性土图 2-2 渗透速度 v 与水力梯度 i 的关系土的渗透系数可以通过室内渗透试验或现场抽水试验来测定。表 2-1 给出了各种土的渗透系数变化范围。表 2-2各种土渗透系数参考值土的名称致密粘土粉质粘土粉土、裂隙粘土渗透系数/cms-1<10-710-6 10-710-4 10-6土的名称粉砂、细砂中砂粗砂、砾石渗透系数/cms-110-2 10-410-1 10-2102 10-12.2 渗流的基本理论2.2.1 渗流连

46、续性方程渗流连续性方程的得出是假设水在介质中流动的过程中质量既不增加也不减少。如图2-3，取出一个微小六面体进行研究。六面体的各边长度分别为 x 、 y 、 z ，且与相应坐标轴平行。沿坐标轴方向的渗透速度分量和液体的密度分别为 v x 、v y 、v z 和 表示。则在 t 时间段内通过 abcd 面流入六面体的液体的质量可表示为：qx t = v x yzt（2-2）硕士研究生学位论文第二章 渗流理论及水井渗流计算13式中， qx 沿 x 轴方向进入六面体的流量。图 2-3渗流单元体从六面体的 面流出的液体的质量为：(qx )x(v x )xxyzt（2-3）则在沿 x 轴方向流入和流出六面体的液体质量差为：(v x )x(v x )xxyzt（2-4）同理，沿 y 轴和 z 轴方向流入与流出六面体的液体质量差可分别表示为： (v y )xyzty z所以，在 t 时间段内，流入与流出六面体的液体总质量差为：（2-5） +(v y )y+(v z )z xyzt（2-6）用 n 表示六面体土块的孔隙率，则六面体内液体的质量为 nxyz ，在时间段 t 内液体的质量变化为：t