地下水动力学 井点降水引起地面沉降计算分析.doc

地下水动力学井点降水引起地面沉降计算分析
安徽建筑工业学院
课程设计
专业勘查技术与工程
班级 09勘查(1)班学生姓名李
学号 09201030105 课题地下水动力学
指导教师
2 0 1 3 年 0 4 月 1 6 日
井点降水引起地面沉降计算分析
摘要:深基坑或地下构筑物的开挖过程中往往会遇到地下水位高于施工作业面的情况,为防止地下水涌入和流砂的产生,以及为了方便施工,往往需人工降低地下水位。井点降水,是人工降低地下水位的一种方法,就是在基坑开挖前,预先在基坑周围或者基坑内设置一定数量的滤水管。由于地下水位的下降引起土层中孔隙水压力降低,颗粒间有效应力增加,土层压密沉降。本文通过稳定渗流基本理论为基础,同时结合分层总和法提出了一种计算降水引起周围土体沉降方法,并且相应的给出了其计算步骤。
关键词:井点降水地面沉降稳定渗流分层总和法
1引言
出于对建筑物的安全的考虑,建筑物的稳定越来越被人们所重视。地
面沉降又是建筑物失稳的一大重要因素。由于基坑降水引起的地面沉降导致的建筑物失稳事引起了高度关注。本文通过稳定渗流基本理论为基础,同时结合分层总和法就井点降水引起的地面沉降给出分析和计算。
基坑降水对地面沉降的影响的实质就是需要解决确定降水以后水位线和由于水位线变化引起含水层本身的变形两个主要问题。
2计算原理
水受固体边界的约束,只能在空隙中流动。由于固体边界的几何形状十分复杂,使得空隙中地下水的运动要素(例如流速矢量)的分布变化无常,若从这个微观水平上研究地下水的运动规律,实际上是不可能的,也是没有必要的。人们研究地下水的运动规律,必须从宏观水平上来考察,为此设计一个假想的流场。这个流场首先不能将水流约束在空隙之中,否则不仅涉及复杂的固体边界表面的刻画,而且水流在空间上是不连续的,使得一切基于连续函数的微积分手段都不能利用。因此,我们必须引入一个假想的水流代替真实的地下水流,这
种假想水流是:充满整个多孔介质的连续体;而且这种假想水流的阻力与实际水流在空隙中所受的阻力相同;它的任意一点水头H和水流速度v等要素与实际水流在该点周围一个小范围内的平均值相等。这种假想水流便是宏观水平的地下水流,我们称之为“渗流”,它所占据的空间称之为“渗流场”。
达西定律
在这种假象的基础上,,最后他的出来了一个理论,叫做达西定律,也
即为渗流基本定律,其形式为:
H1?H2Q?KA?KAJ (2-1-1) L
式中:Q为渗透流量;A为渗流断面面积;H1、H2为侧压水头值;L为断面间距;J
为水力坡度。

法国水利工程师裘布依()1863年提出了著名的稳定井流方程,该方程是在下列假定的条件下建立的(如图1):均质、各项同性、隔水地板水平的圆柱形潜水含水层,外侧面保持定水头,中心一口完整抽水井-----在此称之为圆岛模型,没有垂向入渗补给和蒸发排泄,且渗流服从线性定律的稳定流动。
<1>裘布依稳定潜水井流
根据假定潜水井中进行定流量(或定降深)抽水,一段时间后渗流将趋向稳定潜水面变成漏斗状。依据渗流连续性原理,这时各渗流断面(rw≤r≤R)的流
量都相同,并等于抽水井的流量。
从平面上看(如图2):流线沿径向指想井轴,等水位线是同心圆,这种流动是径向流动。由于靠近孔处得水力坡度大,远离孔底的水力坡度小,所以等水位线在井孔附近密集,往外变疏。从剖面上看:最底部一根线是水平的直线,最上(潜水面处)的一根流线(也也称浸润曲线)是曲率最大的凸行曲线;中间的流线则过度。由上至下,从曲率最大的曲线逐渐变为水平的直线。剖面上的等水头线是也是一系列的弯曲程度不等的曲线,外围的等势线趋向铅锤的直线。从空间讲,等水头面围绕井轴旋转的一系列曲面,这些曲面的方程预先是难以想到的,为使问题简化起见,
Dupuit引入裘布衣假定,把剖面上的等水头线视为铅垂线,即忽略流速的垂向分量,从而把三维井流问题简化为二维流动来解决,这时的渗流断面被视为圆柱面。
对流网有了基本的认识之后,可以建立有关的方程。我们以隔水底板为基准面,因此潜水面处的水头值等于渗流厚度h。
从上面分析,这种情况下地下水流属于轴对称问题,采用极坐标更为方便,在此,取井轴为h轴,向上为正;沿隔水底板取r轴,向外为正。
根据达西定律和裘布衣假定,任意渗流断面的流量
dhQ?KAdr (2-2-1) 由于h随r的增大而增大,因而dhr?0。
如上分析,将渗流断面视为圆柱面,所以A?2?rh
则
Q?2?rhKdh
dr (2-2-2)
分别对r和h求