真空管井在互层土层中降水效果的数值模拟

时间：2024-07-06

陈剑，熊宗海，范卫琴,3，张红章,3，徐升

（1.保利（武汉）房地产开发有限公司，湖北武汉430074）；2.武汉丰达地质工程有限公司，湖北武汉 430074；3.三明学院建筑工程学院，福建三明 365004）

弱透水层中如果采用管井降水，在水泵吸力作用下，可破坏土颗粒骨架结构，导致抽水井含砂量增大[1]。当开挖互层土或基坑底位于互层土中时时往往需要采取进一步的排水加固措施，已有不少的工程事故表明，大部分的渗透破坏发生于互层土含水层中[2-3]。不少工程师针对上述问题开展了相关研究，取得了诸多成果。有学者[4-5]提出了“砂井” 疏导、“止水帷幕” 阻堵，并与减压降水相结合的模式，认为可以解决弱透水层降低承压水的难题。张灿虹[6]在二元地基粉砂土中采用管井结合4 种不同滤网进行降水试验，提出了合适的滤网尺寸。部分工程实践表明[7-10]，在互层土中引入真空技术（井管结构示意图如图1 所示），会提高降水效果、增加单井出水量，但目前互层土中真空降水方案的优化设计往往借鉴普通管井降水设计方法以及相关工程实践经验，本文依据武汉市相关工程实例，通过有限差分软件FLAC3D，对互层土地区的真空管井降水过程进行模拟研究，探讨不同真空度条件下土体内渗流场的变化规律，对真空管井降水设计相关参数进行分析，以期为互层土地区的真空降水设计提供理论依据和技术支持。

图1 真空井管结构示意图

1 模型建立

1.1 模型参数

以武汉华润万象城基坑工程为例，土层条件及水文地质条件见表1，土体模型相关参数见表2，压力水头高度设置如下：砂层承压水水头位于互层土层顶板之上3 m，互层土水头位于其顶部上方1m。土体及降水井模型见图2～3。

表1 模型各土层的物理力学参数表

表2 模型相关参数

图2 土层数值模型图

图3 真空降水管井模型

在土体模型中心位置设置真空管井，由实管和滤管两段组成，实管位于顶部粘土层中，滤管位于互层土中，如图1 所示。

计算时固定模型底部及四周的孔隙水压力，即模拟该处为定水头边界。

1.2 计算简化

关于降水井的模拟，FLAC3D 中提供了pwell 与vwell 命令来实现，该命令可以指定模型中某单元或某节点的抽排水速度。但是若按实际工程中60～80 m3/h 的抽水速度来计算，该模型求解过程非常缓慢，平均每计算1 时步约相当于实际10-5s，一台高性能计算求解1 h 仅模拟抽水5 秒钟，而实际降水时间很长，为提高计算效率，模拟管井降水时将管井管壁孔隙水压力固定为零，相当于实际工程中渗入至井管中的地下水能在第一时间被全部抽出。虽然实际工程中由于潜水泵功率有限，不可能达到将降水井内地下水完全疏干的程度，但是使用此方法可以求得管井降水的极限涌水量。同时对于互层土层来说，在降水工程中，基坑底的地下水位往往会降低至互层土层底面以下，此时正对应井内孔隙水压力为零的情况，因此当侧重研层土的降水效果时采用此简化是合理的。

2 计算结果分析

2.1 真空压力对降水效果的影响规律

根据相关学者的研究，土体中真空负压绝对值随深度和水平距离的增加而呈线性减小[11-12]。依据该研究得到的规律，对井内的真空度分布设置为0、6.5、8.5 和10.5 kPa 负压进行模拟。

记录整个求解过程中土体孔隙水压力、井管各处涌水速度以及涌水量。互层土层在不同真空度下的涌水速度、涌水总量随时间的变化规律曲线见图4 和5。不同真空度条件下土体孔隙水压力在某时刻的分布情况见图6～7。

图4 不同真空度下涌水速度随时间变化曲线

图5 不同真空度下涌水总量随时间变化曲线

由图4～5 可知

（1）涌水速度在前20 h 内下降较快，速度衰减明显，近乎腰斩，随后稳定在0.004～0.001 m3/s 之间。这符合相关工程抽水实验测得的涌水数据：滤管只在互层土层中时涌水量约3～8 m3/h，说明此数值模型是合理、可行的。

（2）3 种真空度条件下，互层土含水层平均涌水量分别为：18、23、28 m3/h，管井内真空度每提升2 kPa 时，互层土含水层的涌水速度及涌水量大约增加25%至30%。当管井内有6.5 kPa 真空度时，其涌水量相当于普通管井的3.5 倍。

图6 6.5kPa 真空度条件下土体孔隙水压力

图7 不同真空度条件下连续抽水100h 后土体孔隙水压力

图6 为真空度6.5 kPa 时抽水10、50 及100 h 的单井孔隙水压力分布图，可以发现：

（1）在抽水初期管井周围迅速形成了一定的负孔压区。随着抽水时间的延续，负压区在互层土层中不断扩散，形成一个小范围的漏斗状。

（2）土的渗透性影响着真空负压传递效果，真空负压在粉质粘土层中其传递的速度缓慢且范围有限，在粉砂层中则传递较快且区域广。

（3）当抽水时间达100 h 时，真空负压区域的传递基本达到稳定，此时其最大范围相比抽水初期要扩大 5～6 倍。

对比图 7 中（a）、（b）、（c）3 幅图，很明显：真空度越高，负压区域范围越广；真空度越大，井管附近土体中水力梯度也越大，因此地下水向井管汇集速度越快，从而使得负压在土体中的传递效率得到提升。

2.2 管井间距对降水效果的影响规律

保持土层模型及井管结构不变，对称设置2 口真空井，模型图如图8 所示。将井距设置为不同的值，对降水过程进行模拟。计算得不同井距条件下某时刻的孔隙水压力分布云图见9，图10 为真空度6.5 kPa 抽水100 h 时单井涌水速度随井距的变化曲线图。

图8 双真空降水井管模型

图9 不同井距土体孔隙水压力分布云图

从图9 中可以发现：

（1）当井间距较小时，两口真空井之间的漏斗状负压区会存在一定范围的重叠与连通。实际上当土体中孔隙水压力减小为0 时，其中的地下水就已经被疏干，负压重叠与连通就标示着降水功效的浪费。

（2）随着井间距不断扩大，两井之间的负压重叠区域逐渐减小。当井间距较大时，两口井的影响范围交集过小，基本可看作两个独立的井在降水。

从图10 中可以看出

（1）当井间距从 4 变化至 8 m 时，单平均井涌水速度上升幅度较大。此阶段由于井间距较小，2 口真空井高负压影响区有较大部分的重叠，使得每口井平均影响范围相比单井要小，因而当井间距增大后，高负压重叠区逐渐减小，涌水速度大幅上升。

（2）当井间距为 8～10 m 时，单井平均涌水速度与1 口井模型计算得到的结果相同。随着井间距近一步增大至20 m，单井平均涌水速度也随之增大，此时得到的单井平均涌水速度将大于1 口井模型计算得到的结果。造成这“1+1≥2”现象的原因是2 口真空井真空场在区域上叠加，使得其影响范围有一定的扩大，当扩大区域对涌水效率贡献可以抵消甚至强于重叠区的对涌水效率的负面效果时，就会使得2 口真空井的单井平均涌水速度等于或大于1 口真空井的涌水速度。

（3）当2 口井间距由20 变化至30 m 时，单井的平均涌水速度开始缓慢下降并逐渐趋近1 口真空井的涌水速度结算结果，这是由于双井间的真空负压叠加区域范围逐渐变小，使得两者间的相互影响减弱，逐渐变为两个独立的井在降水，无法利用真空叠加区加速区域地下水的渗流。

图10 单井涌水速度随井距的变化曲线