基坑降水的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析

1、第三部分基坑降水的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析摘要 基坑工程快速發(fā)展的今天，作為基坑工程重要組成部分的基坑降水工程自然而然的也要與時(shí)俱進(jìn)，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)還是從施工安全角度來(lái)看，對(duì)基坑降水工程的優(yōu)化都有著重要的意義。由三維數(shù)值模擬模擬發(fā)展而來(lái)的軟件，對(duì)土層水的滲流能做到很好的分析，從而方便了基坑降水方案的優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)法的引入為基坑降水方案的優(yōu)化提供了一種有效地方法所謂“優(yōu)化設(shè)計(jì)”無(wú)非就是考慮通過(guò)何種降水措施，既要保證基坑地板的穩(wěn)定性，又要保證不使周圍地面因?yàn)榛咏邓鸪鰳?biāo)準(zhǔn)的沉降，很明顯這是一對(duì)矛盾，一個(gè)要求盡量降低水位，另一個(gè)要求盡量減少對(duì)原有水文地質(zhì)情況的擾動(dòng)。所謂優(yōu)化就是要在這對(duì)矛盾中尋找一個(gè)平衡

2、，以一個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)作為優(yōu)化的方向，在保證基坑底板不發(fā)生突涌的前提下，使降水方案最大化的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的要求。關(guān)鍵字 基坑降水；優(yōu)化；數(shù)值模擬；約束條件；目標(biāo)函數(shù)1 緒論1.1 基坑降水工程發(fā)展中的障礙隨著城市建設(shè)規(guī)模的一步步擴(kuò)大，高層及超高層建筑在基坑工程實(shí)踐中，不可避免的成為基坑降水與開(kāi)挖時(shí)必須考慮的關(guān)鍵。然而基坑周邊受基坑降水的影響程度差異性很大，在不同的施工階段，建筑與以及周邊環(huán)境的變形也有所不同，時(shí)空效應(yīng)明顯，受影響區(qū)域具有局部性和方向性。與一般均勻地址中的理論分析差別很大。深基坑降水工程是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工程，有很多因素會(huì)對(duì)基坑的施工質(zhì)量產(chǎn)生影響，同時(shí)基坑降水本身就是一個(gè)矛盾的平衡體，工程

3、中降水沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，會(huì)造成基坑底板不穩(wěn)定的問(wèn)題。而降水過(guò)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，又會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成不利的影響，如地面的沉降以及建筑物因不均勻沉降發(fā)生開(kāi)裂等等。由上面可知，基坑降水的程度需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌盐?，綜合考慮基坑工程本身的施工需求以及降水工程對(duì)周圍環(huán)境的的影響。運(yùn)用系統(tǒng)的成熟的理論方法，統(tǒng)籌基坑的整體與局部、基坑與周圍環(huán)境的關(guān)系，在矛盾以及相互制約中尋求基坑降水的優(yōu)化方法1。1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)于基坑降水理論與方案的研究伴隨著地下工程的大發(fā)展，也在快速的進(jìn)步，取得了一大批重要的成果。國(guó)外對(duì)于地下水滲流理論的研究起步較早，從19世紀(jì)中葉到20世紀(jì)初，地下水流模擬的研究看是起步，直到20世紀(jì)50

4、年代，對(duì)于含水層和不規(guī)則邊界條件的研究仍然是毫無(wú)進(jìn)展18。60年代以來(lái)，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)地下水滲流情況進(jìn)行模擬的方法快速發(fā)展起來(lái)，首先興起的二維數(shù)值模擬模型，能夠?qū)螌拥叵滤臐B流進(jìn)行很好地分析，三維滲流模型的建立為各種地下水滲流模擬軟件的發(fā)展提供了理論依據(jù)，耦合模型的出現(xiàn)使地下水的活動(dòng)與地面沉降之間建立了數(shù)學(xué)上的理論關(guān)系19。比較典型的是三維滲流模型或準(zhǔn)三維滲流模型包括R. Bravo（美國(guó)）等做的休斯頓模型和A. Rivera（法國(guó)）等做的墨西哥模型2。我國(guó)學(xué)者對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬的研究起步較晚，但是起點(diǎn)高，周志芳教授、朱宏高教授等人通過(guò)對(duì)具體工程的研究提出了雙層結(jié)構(gòu)變參數(shù)降水理論計(jì)算方法

5、在工程實(shí)踐中取得了良好的效果。在基坑降水與地面沉降變形的模擬計(jì)算中，學(xué)者駱祖江、劉金寶等人建立了三維地下水滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用這種理論方法，可以同步求解出地下水位值以及土體的變形位移量。該理論考慮了土體的非線性特征及滲透性與應(yīng)力之間的相互影響，似的人們?cè)谘芯窟^(guò)程中對(duì)土體變形的刻畫能夠更切合實(shí)際。同時(shí)與理論相伴的是各種相應(yīng)分析軟件的出現(xiàn)，如基于常密度地下水的三維流動(dòng)基本方程設(shè)計(jì)的可視化三維地下水流動(dòng)模擬軟件VisualModflow17，該軟件實(shí)現(xiàn)了基坑降水過(guò)程的可視化、預(yù)期化3，在工程實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用。1.3 基坑降水優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思路總的來(lái)說(shuō)，所謂“優(yōu)化設(shè)計(jì)”無(wú)非就是考慮通

6、過(guò)何種降水措施，既要保證基坑地板的穩(wěn)定性，又要保證不使周圍地面因?yàn)榛咏邓鸪鰳?biāo)準(zhǔn)的沉降，很明顯這是一對(duì)矛盾，一個(gè)要求盡量降低水位，另一個(gè)要求盡量減少對(duì)原有水文地質(zhì)情況的擾動(dòng)。所謂優(yōu)化就是要在這對(duì)矛盾中尋找一個(gè)平衡，以一個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)作為優(yōu)化的方向，在保證基坑底板不發(fā)生突涌的前提下，使降水方案最大化的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的要求。這個(gè)目標(biāo)可以盡量減少周圍地面的沉降也可以成本最低等等。2 基坑降水的作用以及影響因素2.1 基坑降水的作用基坑降水方案的合理與否直接決定著整個(gè)基坑工程的成敗，其對(duì)于基坑工程的作用可見(jiàn)一斑。降水工程在基坑工程中的主要作用如下4：（1）地下水位降低以后，降低了基坑內(nèi)外滲透水頭差，從

7、而把滲透水里梯度控制在合理范圍內(nèi)，能夠消除滲透力的影響,防止流沙的產(chǎn)生。（2）地下水位的下降，對(duì)于降水范圍內(nèi)的土層，其含水量因?yàn)榻邓@著減小，容量從浮容重度提高到飽和容重，從而這部份土層發(fā)生固結(jié)，土體的各項(xiàng)工程指標(biāo)得到改善，抗剪強(qiáng)度得到增強(qiáng)，減少土中孔隙水壓力,增加土中有效應(yīng)力。（3）基坑降水使土層發(fā)生固結(jié)作用，從而降低了土層的水含量和孔隙率，這樣就能減少甚至杜絕基坑坡面和基底的深水，對(duì)與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)也是一種保護(hù)。這樣工程施工能有一個(gè)更有利的環(huán)境，也能防止工程事故的發(fā)生。（4）對(duì)于基坑工程而言，基坑降水是減少土體含水量的有效方法，從而能夠改善土體的性能指標(biāo)。不論對(duì)于放坡開(kāi)挖的基坑還是支護(hù)開(kāi)挖

8、的基坑，都可以有效地提高施工條件。在放坡開(kāi)挖的基坑中，由于土體固結(jié)，使邊坡的穩(wěn)定性得到顯著提高。對(duì)于支護(hù)開(kāi)挖的基坑，土層的固結(jié)，可顯著提高被動(dòng)區(qū)的被動(dòng)抗力，從而也使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到大大提高。2.2基坑降水方案選擇的影響因素基坑降水方案的確定主要由施工場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件、基坑的開(kāi)挖和圍護(hù)方案來(lái)確定，降水方案要整體與局部相結(jié)合，綜合考慮各方面因素，方案的選擇要達(dá)到綜合效益的最大化。降水方案的選擇主要受一下條件的制約。2.2.1場(chǎng)地條件任何施工方法都是以施工對(duì)象為服務(wù)對(duì)象的，也就是說(shuō)作為基坑降水方案服務(wù)的對(duì)象的施工場(chǎng)地才是一切問(wèn)題考慮的中心。場(chǎng)地本身的條件是我們制定具體降水方案的原始條件，場(chǎng)地的

9、條件包括場(chǎng)地的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，以及周圍的環(huán)境包括周圍已建建筑物距離基坑的距離、建筑物的體量，還有周圍地下分布的管線等這些都是降水方案選擇是不可忽略的影響因素5。當(dāng)然基坑本身的開(kāi)挖尺寸以及分布等自身?xiàng)l件以及相關(guān)的規(guī)范要求等等。綜合這些因素，統(tǒng)籌進(jìn)行考慮，才能確定基坑降水所用的方案。2.2.2地質(zhì)情況基坑場(chǎng)地的工程地質(zhì)情況對(duì)于降水方案的選擇是極其重要的，施工場(chǎng)地的工程地質(zhì)情況包含多方面的內(nèi)容，這些土層的地質(zhì)工程資料決定著基坑降水方案的選擇。個(gè)人認(rèn)為由地質(zhì)情況決定降水方法的這一問(wèn)題上，沒(méi)有太多優(yōu)化的點(diǎn)，因?yàn)楝F(xiàn)代降水方法已經(jīng)較為成熟，對(duì)于不同的地質(zhì)情況也都有了基本較為適用的方法，真正的難點(diǎn)在于

10、工程地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性。降水方法的選擇在工程地質(zhì)層面上，現(xiàn)在基本考慮的最重要的因素就是土層的滲透性，然而土層的滲透性在同一場(chǎng)地的不同深度不同地點(diǎn)，甚至在不同氣候條件下也往往是不同的，具有極強(qiáng)的時(shí)空效應(yīng)，一般的工程地質(zhì)資料提供的土層滲透性往往具有很大的誤差，只能作為參考，現(xiàn)場(chǎng)抽水實(shí)驗(yàn)才是確定降水方案的必要途徑。2.2.3場(chǎng)地地下水情況基坑降水方案的設(shè)計(jì)，不言而喻，當(dāng)然要考慮場(chǎng)地地下水的情況，再對(duì)降水方案進(jìn)行確定。地下水主要分為潛水和承壓水兩種6。對(duì)于基坑工程來(lái)說(shuō)，各部分需要的關(guān)注的點(diǎn)不同。在工程實(shí)踐中，基坑底板最常見(jiàn)的是發(fā)生突涌等工程事故，這種工程事故的產(chǎn)生就與分布于不透水層之間的承壓水有著直接的

11、關(guān)系，承壓水液面與自由水頭之間較大的水頭差，有時(shí)能將基坑底板擊穿，從而發(fā)生基坑底板突涌滲流等工程災(zāi)害?；又車孛娴某两狄约敖ㄖ锇l(fā)生的沉降及不均勻沉降主要與地下潛水的擾動(dòng)有很大關(guān)系。地下水另一個(gè)需要著重考察的情況是補(bǔ)給水源的情況，包括補(bǔ)給水源的位置、距離基坑的距離、水源的大小等等，因?yàn)槭沁x擇坑內(nèi)降水還是坑外降水方法需要考慮補(bǔ)給水源的問(wèn)題。綜合來(lái)看，為了確定較為準(zhǔn)確的基坑降水方法，首先要有較為準(zhǔn)確的工程地質(zhì)資料，即透水土層以及不透水層的位置，這樣可對(duì)潛水及承壓水的位置和分布有個(gè)較為準(zhǔn)確的掌握。同時(shí)查明補(bǔ)給水源的相關(guān)資料，大的補(bǔ)給水源的存在對(duì)于基坑降水來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直就是災(zāi)難，可能造成基坑降水完全無(wú)效。

12、3 基坑降水分析的理論方法3.1傳統(tǒng)的解析法（以地下水動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)）傳統(tǒng)的解析法主要包括有“大井”法、疏干法等4。解析法運(yùn)用地下水動(dòng)力學(xué)對(duì)基坑降水相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，這在早期的不太復(fù)雜的基坑降水工程中還能適用，但在基坑降水條件日益復(fù)雜的今天，已經(jīng)很難再使用了。解析法中最為常用的就是“大井法”，該方法簡(jiǎn)單易懂，對(duì)于簡(jiǎn)單基坑降水的設(shè)計(jì)計(jì)算基本適用。大井法的主要思想就是將場(chǎng)地范圍內(nèi)所有的降水井看成一個(gè)整體，即所謂的大井。降水井群所有的降水井總的降水量相加即為該打井的降水量。大井中水位的下降量運(yùn)用常見(jiàn)的疊加法進(jìn)行計(jì)算，即為每一口降水井在指定點(diǎn)出的降深的總和。從大井法的基本理論可以很容易看出，解析法將場(chǎng)地

13、范圍內(nèi)的土層的工程地質(zhì)情況過(guò)于理想化的處理了，計(jì)算是限制條件太多，很難適用于復(fù)雜基坑的降水。其具體缺陷如下7：（1）由于地下水動(dòng)力學(xué)中還沒(méi)有非穩(wěn)定流條件下的干擾井群變流量井流計(jì)算方法，而在實(shí)際中，基坑降水問(wèn)題屬于典型的定降深變流量問(wèn)題，顯然傳統(tǒng)的解析法不能反映基坑實(shí)際滲流場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況；（2）傳統(tǒng)的解析法在進(jìn)行計(jì)算以前要對(duì)場(chǎng)地范圍內(nèi)的地質(zhì)條件進(jìn)行理想化處理，這種處理對(duì)于簡(jiǎn)單地質(zhì)以及在小范圍內(nèi)還是可以接受的，不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，但是對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)地，該方法的計(jì)算結(jié)果很可能是南轅北轍，完全對(duì)不上實(shí)際情況。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，土層滲透性具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，大范圍的概化處理完全忽視了可觀的滲流規(guī)律，因而誤差

14、往往十分驚人。（3）地下水的滲流是在三維平面內(nèi)進(jìn)行的，對(duì)于三維滲流問(wèn)題用解析法很難處理。3.2復(fù)合單元法復(fù)合單元法4是對(duì)巖土體中水體滲流分析的一種新近發(fā)展出來(lái)的理論研究方法，學(xué)者胡靜運(yùn)用工程實(shí)例證明，復(fù)合單元法在地下巖土體的水體滲流描述方面具有工程實(shí)踐價(jià)值。該方法的是將降水井虛擬化至于一個(gè)獨(dú)立的巖土體單元內(nèi)部，運(yùn)用與常規(guī)有限元理論方程式相同的插值函數(shù)對(duì)單元體進(jìn)行理論分析，該函數(shù)是以節(jié)點(diǎn)水頭為變量。復(fù)合單元法，總體來(lái)說(shuō)就是建立在有限元理論基礎(chǔ)上的分析方法，通過(guò)該方法可以從理論上對(duì)比同一地質(zhì)條件下不同的降水方法的效果，從而為基坑降水方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種理論上的分析方法，是一種有益的探索。3.3階

15、梯流量法基坑降水工程中階梯流量法4也是較常見(jiàn)的一種基坑降水方法，該方法具有較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)，因而要求對(duì)基坑水位的監(jiān)測(cè)較為全面。階梯流量法的基本原理是，每建成一口井，便立即投入到降水工程中，同時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位的變化情況以及地下水位穩(wěn)定后的情況，與設(shè)計(jì)水位進(jìn)行對(duì)比。依次增加抽水井的個(gè)數(shù)。反映在抽水量上，很容易理解就是一個(gè)階梯狀上升的過(guò)程。而地下水位的呈現(xiàn)出來(lái)的譜線必然是成階梯狀的歷時(shí)下降，知道最后一口井投入使用，地下水位穩(wěn)定后滿足基坑施工的設(shè)計(jì)要求。此后，地下水位保持穩(wěn)定狀態(tài)，可以進(jìn)行基坑的開(kāi)挖等后續(xù)工程。3.4雙層結(jié)構(gòu)計(jì)算方法雙層結(jié)構(gòu)計(jì)算方法4是前蘇聯(lián)專家提出的一種比較經(jīng)典的地下水滲流計(jì)算理論

16、。該理論充分考慮了第一不透水層以上的潛水層與不透水層以下的承壓水層的之間的相互關(guān)系。該理論假設(shè)認(rèn)為潛水層與承壓水層有著共同的自由水頭，同時(shí)對(duì)適用對(duì)象也做了明確的說(shuō)明，即潛水層的土層滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于承壓水層的土層滲透系數(shù)。在這一假設(shè)、一前提條件下，該理論可以很好地解決對(duì)應(yīng)工程地質(zhì)條件下的基坑降水工程的設(shè)計(jì)問(wèn)題，具有較好的工程實(shí)踐性。但是該理論還是有著明顯的缺陷的。首先，其前提條件為上層土層的滲透系數(shù)要遠(yuǎn)小于下層土層的滲透系數(shù)，這一條件將雙層計(jì)算理論的應(yīng)用范圍限制在了一定的范圍內(nèi)，使該理論不具有通用性。然后，該理論假設(shè)承壓水的自由水頭與潛水的水頭相同，這在工程實(shí)際中幾乎是不可能的。實(shí)際工程中，下層

17、土層滲透系數(shù)大，排水井在對(duì)應(yīng)層面上需設(shè)置過(guò)濾器，以減少出水量。上部弱透水層需布置死管，這樣就造成地下水滲流場(chǎng)在承壓水層呈水平狀，而在淺水層則呈現(xiàn)垂直流動(dòng)，這樣兩層很難統(tǒng)一起來(lái)，因而會(huì)有一定的誤差。針對(duì)淺水層與承壓水層各有獨(dú)立水頭的問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者對(duì)雙層結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行合理化的改進(jìn)，提出了雙結(jié)構(gòu)地下水運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，該理論很好的解決了降水固結(jié)過(guò)程中土層物理性質(zhì)變化的內(nèi)在聯(lián)系以及非線性變化過(guò)程，很好的刻畫了相關(guān)參數(shù)的空間變化過(guò)程。3.5遺傳算法遺傳算法4是由人工智能理論發(fā)展而來(lái)的一種對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論方法。該方法模擬自然界的自然進(jìn)化模式，針對(duì)基坑降水工程這一具體問(wèn)題，該方法將場(chǎng)地范圍

18、內(nèi)地質(zhì)情況以及周圍的環(huán)境等各個(gè)要素與基坑降水方案的聯(lián)系用多個(gè)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型建立起來(lái)，形成系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)然該數(shù)學(xué)模型明顯是一個(gè)未知量多于方程數(shù)的方程組，能夠有一個(gè)合理的解空間，通過(guò)不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與計(jì)算，總能從解空間里最終找到一個(gè)相對(duì)最優(yōu)化的解。該方法具有很強(qiáng)的適用性，能夠解決一些其他理論難以解決的問(wèn)題，是系統(tǒng)優(yōu)化方法的一次有益的嘗試。學(xué)者劉金偉等將該方法運(yùn)用到實(shí)際的基坑降水方案的設(shè)計(jì)中，找到很好的基坑降水設(shè)計(jì)方案，證明了該方法的實(shí)用性。3.6地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬法地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬法4不同于傳統(tǒng)的解析計(jì)算，是當(dāng)今研究基坑降水工程研究的主流計(jì)算方法。該方法要求要充分做好施

19、工場(chǎng)地的地質(zhì)勘探工作。包括要有明確的計(jì)算范圍和邊界條件；確定的初始水位。數(shù)值模擬法具有高度的仿真性和可靠性。在計(jì)算機(jī)的支持下，應(yīng)用地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬理論發(fā)展而來(lái)的軟件對(duì)基坑降水方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算和修改十分方便、計(jì)算結(jié)果直觀。在基礎(chǔ)資料齊備的條件下，適用于所有的的降水方案的仿真模擬。尤其是對(duì)于工程地質(zhì)條件復(fù)雜、邊界形狀不規(guī)則或者降水要求較高的基坑降水方案的評(píng)價(jià)具有很強(qiáng)的適用性。4 基坑降水方法簡(jiǎn)介在實(shí)際的基坑工程中，對(duì)于場(chǎng)地范圍內(nèi)的地下水我們采用不同的方法進(jìn)行處理，主要包括降水和截水8等方法。顧名思義，它們的內(nèi)涵就不多做贅述，在此只對(duì)基坑降水方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹?；咏邓椒ò殡S著地下

20、工程的大發(fā)展，也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，方法眾多，設(shè)備先進(jìn)，有相關(guān)的理論做支撐。下面會(huì)做敘述，在此不多說(shuō)。各種降水方法有其特點(diǎn)和適用情況，基坑在降水方法的選定上模式已經(jīng)比較固定，個(gè)人認(rèn)為降水方式的選擇上進(jìn)行優(yōu)化的余地已經(jīng)不多，優(yōu)化的主要方向在降水井的布排。一些比較常見(jiàn)的降水方式如下：4.1明溝加集水井降水明溝加集水井6是一種較為傳統(tǒng)的人工降水方法，該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是施工方便，用具簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉，因而該方法在施工條件的允許的情況下，往往作為首要的選擇，所以在眾多的基坑工程中，明溝加集水井方法比較常見(jiàn)。當(dāng)然，這種方法在復(fù)雜基坑中，幾乎不可能作為主要的降水方法，一般作為輔助的基坑降水方法。該方法的使用很有針

21、對(duì)性，特別是在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，底板處因?yàn)榻涤昊蛘邼撍疂B流而集聚較多的水的時(shí)候，明溝集水可以快速的對(duì)基坑底進(jìn)行疏干。明溝排水雖然具有較多的優(yōu)點(diǎn)，然而缺點(diǎn)并不是單單只有適用范圍小這一個(gè)。很容易想象，在基坑中明溝排水往往造成基坑中一直是泥濘不堪的狀態(tài)，對(duì)于其他工程的部分的施工將是很大的干擾，因而對(duì)施工組織的要求就較高。4.2輕型井點(diǎn)降水所謂輕型井點(diǎn)降水6就是利用降水系統(tǒng)中的真空狀態(tài)形成內(nèi)外壓力差，以抽取地下水從而實(shí)現(xiàn)基坑的降水的方法。實(shí)際在基坑降水工程中，我們又把該方法叫做一級(jí)輕型井點(diǎn)降水法，主要適用于降水深度小，基坑范圍有限的降水工程。這種限制是有著明顯的客觀現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樵摶咏邓椒?，是利用系統(tǒng)

22、內(nèi)外壓力差進(jìn)行降水的，若要對(duì)大深度、廣范圍的進(jìn)行基坑降水，很明顯需要降水系統(tǒng)中有著更高的真空度，這對(duì)系統(tǒng)的密封程度提出了很高的要求，因?yàn)榻邓秶酱螅O(shè)備越難做到密封。同時(shí)該方法的降水設(shè)備比較笨重，要求有較大的空間來(lái)進(jìn)行安裝，因而限制條件較多。4.3噴射井點(diǎn)降水噴射井點(diǎn)降水法6是目前工程中正在逐步推廣的一種較為先進(jìn)的基坑降水方法。該方法是以輕型井點(diǎn)降水法為基礎(chǔ)進(jìn)行的改進(jìn)，需要的在降水井的底部提供250mm水銀柱額真空度。該機(jī)坑降水方法的有點(diǎn)事明顯的，降深能達(dá)到驚人的20m，其他的基坑降水方法很難做到這一點(diǎn)。然而利弊相生，降深的巨大是以高真空度的保持為前提，這就給系統(tǒng)的保障工作提出了很高的要求。

23、同時(shí)，為了維持高的真空度，需要耗費(fèi)大量的電量，投入高于其他的降水方法。4.4電滲井點(diǎn)降水電滲井法6一般不是一種可以單獨(dú)使用的降水方法，該方法主要用于滲透系數(shù)很低的土層進(jìn)行地下水的收集，然后再通過(guò)降水方法將其抽出。電滲井法是利用電滲現(xiàn)象使?jié)B透系數(shù)很小的細(xì)顆粒土中的水發(fā)生定向移動(dòng)，該降水方法明顯的會(huì)消耗大量的電能，因而成本較高，但是卻是對(duì)低滲透土層降水的首選。4.5管井井點(diǎn)降水管井6是一種自流排水井，很明顯的這種降水方式在低滲透性的土層中式完全不適用的。該降水方法僅僅適用于高滲透性、水量大的土層的基坑降水，且降水量大，一般適用于潛水層，因而降深較小，深基坑一般不會(huì)采用。4.6深井井點(diǎn)降水深井井點(diǎn)降

24、水法6在當(dāng)今的基坑降水工程中越來(lái)越多的被采用，現(xiàn)代地下工程越來(lái)朝著深大的方向發(fā)展，這就要求基坑降水的范圍大、降深大這也就意味著伴隨著抽水量大，深井井點(diǎn)降水法的特點(diǎn)很好的適應(yīng)了這樣的要求。深井井點(diǎn)既然能到達(dá)大抽水量的要求，一般也對(duì)施工的土層有一定的限制，即該種方法適應(yīng)的土層是滲透系數(shù)大的土層，同時(shí)透水層也要厚度大，可以最大有15m的降深，既可布置在基坑內(nèi)進(jìn)行坑內(nèi)降水，也可以布置基坑外圍進(jìn)行坑外降水，可以有效地防止基坑底突涌和流砂，在特定土層中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然該方法也有自己的缺陷，深井井點(diǎn)降水降水量大，速率高，降水曲線陡峭，這往往造成周圍環(huán)境發(fā)生快速的沉降，不均勻沉降也比較嚴(yán)重，對(duì)于周圍環(huán)

25、境的控制比較困難。從巖土體的降水深度、滲透系數(shù)以及結(jié)合各個(gè)降水方法的各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以對(duì)不同工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的基坑工程降水方案進(jìn)行最優(yōu)化的選擇。在綜合各方面的因素時(shí)，安全作為第一位的，經(jīng)濟(jì)因素作為重要的影響因素。為了更直觀的進(jìn)行比較，如表4.1。表1降水技術(shù)方法適用范圍、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)對(duì)比表方法名稱土類滲透系數(shù)（m/d）降水深度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)水文地質(zhì)特征明排井（溝）粘性土、砂土<0.5<0.2施工簡(jiǎn)單,費(fèi)用低廉坡面易失穩(wěn)上層滯水或水量不大的潛水輕型井點(diǎn)填土、粘土、粘性土、砂土0.120.0單級(jí)<6,多級(jí)<20設(shè)備簡(jiǎn)單,輕巧; 施工污染小,對(duì)場(chǎng)地?zé)o要求長(zhǎng)時(shí)間降水時(shí),對(duì)供電、抽

26、水設(shè)備要求較高噴射井點(diǎn)<20降水深度大地面管網(wǎng)復(fù)雜, 工作效率低,成本高電滲井點(diǎn)粉土、粘性土<0.1井類型決定提高滲透性, 縮短降水時(shí)間,提高降水效果受土層的導(dǎo)電能力影響大, 耗電多引滲井點(diǎn)粘性土、砂土0.120.0地質(zhì)條件決定縮短時(shí)間,省電、快速、低成本只有滿足引滲降水地層結(jié)構(gòu)條件,才能使用弱透水層下有厚強(qiáng)導(dǎo)水含水層管井粉土、砂土、碎土、可溶巖、破碎帶1200.0>5大面積,大降深的降水只適用中、強(qiáng)透水層含水豐富的潛水、承壓水、裂隙水輻射井點(diǎn)粘性土、砂土0.120.0<20占用面積少,便于管理與維修一般只適用滲透性較好的含水層大口井砂土、碎石土20200.0<2

27、0成本低只適用于淺基坑降水;有時(shí)作為輔助方法布置于基坑底部5 基坑降水方案主要參數(shù)的計(jì)算5.1基坑降水影響半徑基坑降水工程中，需要考慮布井的個(gè)數(shù)，同時(shí)也要考慮降水對(duì)周圍環(huán)境的影響，這些都要求確定一個(gè)基本參數(shù)，即基坑降水的影響的半徑9，這對(duì)于任何計(jì)算理論方法都一樣，無(wú)論是傳統(tǒng)的解析法還是數(shù)值模擬方法。5.1.1對(duì)于沒(méi)有隔水帷幕的情況下影響半徑的確定9理論公式為：R=1.5TtSs 常用的班經(jīng)驗(yàn)公式為：R=HoK2 ； 在實(shí)際工作中還采用庫(kù)薩金公式：R=2SKHo 常用的還有吉哈爾特公式：R=10SK其中 Ss單位彈性釋水系數(shù)； 為入滲強(qiáng)度；還有一種特殊情況，就是當(dāng)基坑有側(cè)向補(bǔ)給水源是，基坑降水井

28、的影響半徑由基坑邊境形狀還有降水井距離邊界的距離決定。5.1.2有隔滲帷幕時(shí)9水位降深、點(diǎn)距降水井的距離以及總降水量三者的關(guān)系：Ho-hr=Q2krwsin-1（rwr）其中 H0為初始水頭m； hr計(jì)算點(diǎn)處的水頭m； Q為總涌水量m3； rw為井半徑m；5.2基坑涌水量95.2.1潛水含水層 完整井 Q=1.366K(2H-S)SlogR-logr0 封閉干擾井群法 Q=1.366K(2H-S)SnlogR-i=1nlogri非完整井：基坑底進(jìn)水 Q=4ksr0 基坑壁進(jìn)水 Q=KH2-h2lnRr0+h-llln1+0.2hr0其中 H為潛水含水層厚度（m）；h為基坑動(dòng)水位至含水層底板深度

29、（m）；S為水位降深（m）；R為引用影響半徑（m）；r0為基坑半徑（m）；l為過(guò)濾器工作部分長(zhǎng)度（m）。5.2.2承壓水含水層 完整井 Q=2.73KMSlogR-logr0 封閉井群干擾法 Q=2.73KMSnlogR-i=1nri非完整井：基坑底進(jìn)水Q=2KSr0 基坑壁進(jìn)水 Q=2KMSlnRr0+M-llln(1+0.2Mr0)5.3單井出水量10單井出水量的計(jì)算一般采用單井抽水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定；當(dāng)沒(méi)有實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，可以用公式進(jìn)行估算：q=120rl3 K 還可以運(yùn)用下面經(jīng)驗(yàn)公式：q=24lda其中 q為單井允許出水量m；K為滲透系數(shù)； l為過(guò)濾器工作部分長(zhǎng)度m； r為過(guò)濾器外徑m; a為含

30、水層滲透系數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。6 基坑降水優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在實(shí)例中的運(yùn)用對(duì)于基坑降水方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，無(wú)論在降水理論方面還是在具體的基坑降水方法上，限于只是儲(chǔ)備的有限，目前我都很難有新的見(jiàn)解。在本文中，我將在原有理論方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行統(tǒng)籌安排組合，提出有些新的見(jiàn)解地基坑降水方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。常規(guī)步鄹包括11：（1）盡量全面的掌握降水工程的背景資料，這其中包括降水基坑的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，為了評(píng)估基坑降水對(duì)周圍環(huán)境的影響還要掌握基坑周圍建筑物的分布、管線的分布以及它們對(duì)于沉降的要求等；（2）要確定最優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，需要有相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化目標(biāo)的指導(dǎo)，由基本的參數(shù)出發(fā)驗(yàn)算得到優(yōu)化后的方案；（3）

31、基坑工程的施工過(guò)程，從頭至尾都離不開(kāi)實(shí)時(shí)的量測(cè)，任何既定的降水方案都不能完全的適應(yīng)工程的需要，這就需要現(xiàn)場(chǎng)的量測(cè)結(jié)果來(lái)對(duì)既定方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的隨時(shí)的協(xié)調(diào)、改變、再設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到優(yōu)化基坑降水方案的的目的；（4）基坑降水工程結(jié)束以后，還需要對(duì)周圍環(huán)境，特別是周圍重要建筑物進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)，直到這些建筑物穩(wěn)定并保證不會(huì)再因?yàn)橐旬a(chǎn)生的沉降與變形發(fā)生破壞為止。下面，我們將以上海市人民廣場(chǎng)的地下變電站作為基坑降水的實(shí)例，套優(yōu)化方法在該工程中實(shí)際運(yùn)用。6.1 資料系統(tǒng)的分析和優(yōu)化問(wèn)題的提出該地下變電站圍護(hù)結(jié)構(gòu)為外徑62.4m，內(nèi)徑58.0m，入土深度38.5m的圓形筒體。開(kāi)挖土體深度24.0m，含水層厚度以及地下水

32、位均按照最不利條件進(jìn)行簡(jiǎn)化。相關(guān)信息見(jiàn)圖6.1圖6.1 深基坑結(jié)構(gòu)及承壓水含水層剖面圖由此可見(jiàn)，水頭壓力超過(guò)土層壓力，基坑底板顯然是不穩(wěn)定，存在突涌的可能性，需透過(guò)降水降低承壓水頭，使含水層頂板處土層壓力大于含水層頂板處的水頭壓力，即pw<ps。安全系數(shù)K取1.2-1.5。該基坑的施工場(chǎng)地位于上海市中心人民廣場(chǎng)內(nèi)，該廣場(chǎng)周圍高層建筑林立，管線密布，施工環(huán)境復(fù)雜?；颖旧黹_(kāi)挖深度達(dá)到24.0m屬于超深基坑，施工難度大。特別是基坑?xùn)|面有一條主自來(lái)水供水管道，沉降量不能超過(guò)10mm。還有距離基坑110m處的大陸飯店也是重點(diǎn)保護(hù)的對(duì)像?；咏邓^(guò)程中要嚴(yán)格控制對(duì)周圍環(huán)境的影響，為了確保安全，要在

33、基坑與建筑物之間設(shè)置一排回灌井，防止過(guò)大沉降以及差異沉降的出現(xiàn)。表6.1地層參數(shù)綜合表層號(hào)地層名稱厚度（m）標(biāo)高（m）工程地質(zhì)特征水文地質(zhì)特征含水量w（%）容重（KN/m3）孔隙比e壓縮系數(shù)11垂直滲透系數(shù)Kx含水層類型靜水位標(biāo)高（m）水平滲透系數(shù)ks填土0.603.50褐黃色粉質(zhì)粘土0.301.901.040.30潛水2.243.90X10-4灰色淤泥質(zhì)粘土3.605.000-3.124.3342.517.61.200.7081.61X10-5灰色粉質(zhì)粘土9.5011.20-13.51-14.5949.017.01.421.0011.24X10-71灰色粉質(zhì)粘土12.3013.80-26.3

34、4-27.3835.818.01.050.5311.80X10-7弱透水層1.671.15X10-52蘭綠色粉質(zhì)粘土11.0017.10-37.81-44.0733.018.31.000.3813青灰色粉細(xì)砂1.5010.40-39.31-53.4128.018.80.840.2573.1514.50-52.18-54.9324.019.00.760.1023.09X10-4承壓水-1.633.70X10-3灰色粉質(zhì)粘土17.9023.50-72.53-76.6930.918.60.900.275灰色中粗砂2.95未穿23.219.50.690.093由上表的地質(zhì)工程資料，為了解決承壓水對(duì)基坑

35、底板的不利作用，必須布設(shè)抽水井進(jìn)行基坑降水，從而降低基坑底板范圍內(nèi)的承壓水頭，地下水承壓水頭降低越多，基坑地板的安全性越能得到保障。然而，還有一個(gè)不利的后果就是，基坑降水導(dǎo)致土層固結(jié)，從而導(dǎo)致地面沉降，這對(duì)于周圍環(huán)境的影響將是不利的。因此，必須對(duì)抽水井進(jìn)行優(yōu)化布置。在保證基坑底板安全的前提下，盡量少抽水，從而減少對(duì)周圍環(huán)境的影響。與此同時(shí)，為了保證周圍建筑物的安全，必須重要建筑物與基坑之間布置一定數(shù)量的回灌井20。因而，關(guān)于基坑降水的優(yōu)化在此可以總結(jié)為：（1）不論何種情況下，首先在確?；拥装宸€(wěn)定的前提下，再對(duì)基坑抽水井的數(shù)目以及位置設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，已達(dá)到減小對(duì)基坑周圍環(huán)境影響的目的；（2）

36、基坑優(yōu)化方案總是想要減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，當(dāng)然這要在實(shí)現(xiàn)工程目的的基礎(chǔ)上，要減少對(duì)周圍環(huán)境的影響最直觀的就是盡量減少降水井的數(shù)量。人民廣場(chǎng)地下變電站基坑降水工程平面布置圖見(jiàn)圖紙6.2。6.2 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬分析為了進(jìn)一步驗(yàn)證降水井布置的合理性以及有效性，需要一定數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬驗(yàn)算，前面文章列出了一系列的基坑降水驗(yàn)算理論，在本工程中，由于工程基礎(chǔ)資料全面，工程對(duì)于施工的控制提出了較高的要求，因而選擇地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬進(jìn)行基坑降水的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中尤以三維有限元數(shù)值模擬應(yīng)用最為成熟與廣泛。地下水滲流可以表述為一下單個(gè)條件組成的定解問(wèn)題：（1）地下水滲流微分方程；（2）滲流區(qū)域的邊

37、界條件；（3）滲流區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的初始水頭分布情況（原始條件）。6.2.1 地下水滲流數(shù)學(xué)模型微分運(yùn)動(dòng)方程反應(yīng)的是一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，前提條件是多空介質(zhì)各向同性，采用三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型為12 16：xkxHx+ykyHy+zkzHz+Q=mwwHt式中 kx:x方向的滲透系數(shù)； ky:y方向的滲透系數(shù)； kz:z方向的滲透系數(shù)； H:總水頭； Q:流量； mw:阻流系數(shù)； w：水的容重； t：時(shí)間固體和流體一般是分開(kāi)進(jìn)行分析的或者進(jìn)行一定條件下的疊加運(yùn)算，但是比奧特提出了在土力學(xué)的基礎(chǔ)上使用流固耦合的分析理論，可將地基中的土體與水體進(jìn)行統(tǒng)一的分析，方程如下：KwKx2xx2+Ky2yy2+Kz2zz

38、2=wt-pt式中 K是地基的體積模量；p是平均總應(yīng)力N/m2； w是孔隙水壓力。6.2.2 邊界條件與初始條件基坑降水雖然是在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，但是影響具有輻散性，為了減少降水對(duì)于模型計(jì)算所取定的水頭邊界的影響，同時(shí)也是反映降水對(duì)周邊環(huán)境的影響，一般將計(jì)算域進(jìn)行上下左右的擴(kuò)展，本工程中，沿著基坑邊緣，向外擴(kuò)展500m，計(jì)算深度擴(kuò)展至80m。取出的計(jì)算模型，其側(cè)面和地面為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，地面限制垂直位移。砂層土因?yàn)橥杆芰?qiáng)，其補(bǔ)給水主要是地下水，且補(bǔ)給充沛。坑外為常水位。模型外圍的三邊按照手頭邊界處理，模型以外的地下水完全不受模型內(nèi)水位變化的影響。靠近基坑的一面按照定流量邊界

39、進(jìn)行處理，基坑底部認(rèn)為不排水，作為不透水邊界，按照流量邊界進(jìn)行處理?；拥撞亢蛢?nèi)的作為排水邊界按流量邊界進(jìn)行處理。6.2.3 相應(yīng)的約束條件在用三維數(shù)值模擬對(duì)基坑的滲流，周圍地面的沉降進(jìn)行數(shù)值模擬以后，需要與實(shí)際的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，反過(guò)來(lái)再改進(jìn)基坑的降水方案，驗(yàn)證的方法就是與相應(yīng)點(diǎn)的約束條件進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而判斷降水方案的安全性。然后根據(jù)相應(yīng)的優(yōu)化原則，調(diào)整降水井的的布置方案，達(dá)到降水方案的最優(yōu)化。（1）基坑安全的約束13基坑既然選擇降水作為基坑開(kāi)挖施工的前提，那就要求在任何時(shí)候，基坑降水的實(shí)際水位都要低于基坑施工的安全水位，則有要求htphatp=sHtpKw式中 Htp含水

40、層到基坑底板的距離； htp對(duì)應(yīng)著p點(diǎn)的降壓水位值。將基坑含水層頂板的到基坑底板的距離與通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算出來(lái)的p點(diǎn)的降壓水位值進(jìn)行比較。（2）環(huán)境安全約束11為了保證基坑周圍環(huán)境的安全，尤其是重要建筑物以及管線的安全，一般要在一些重要的位置節(jié)點(diǎn)設(shè)置量測(cè)孔，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止超過(guò)沉降允許值的沉降出現(xiàn)，為此需滿足：stksatk其中 satk允許沉降量； stk實(shí)際沉降量。根據(jù)相關(guān)規(guī)范以及建筑物的重要性來(lái)確定允許沉降量的值，實(shí)際沉降量的值則是由數(shù)值模擬計(jì)算出來(lái)，并依據(jù)約束公式進(jìn)行對(duì)比。（3）井容約束11根據(jù)題意很容易就可明白就是降水井的實(shí)際抽水量不能大于最大的允許抽水量，因而需滿足下列公式：Qtw=Q

41、atw抽水井或者回灌井所能允許的最大抽水量或者回灌水量Qatw，可以用承壓含水層完整井的泰斯公式進(jìn)行計(jì)算： Qa=4kMswwu wu=1e-udu u=w24t其中 k、M分別為承壓含水層的滲透系數(shù)和厚度； Sw為井內(nèi)水位降深值； W(u)為泰斯井函數(shù)； 為含水層的導(dǎo)壓系數(shù)； w為井的半徑。（4）不均勻沉降約束11不均勻沉降是對(duì)周圍環(huán)境的最大危害，若超過(guò)允許值，它會(huì)造成建筑物的開(kāi)裂，還會(huì)造成管線的錯(cuò)位斷裂，這些能引起災(zāi)難性的后果。6.2.4 目標(biāo)函數(shù)對(duì)于任意一個(gè)基坑工程來(lái)說(shuō)，都有其對(duì)應(yīng)的特有的工程地質(zhì)情況以及施工指標(biāo)要求，因而對(duì)于不同基坑降水工程，我們總是希望在保證基坑安全施工的前提下最大化

42、的實(shí)現(xiàn)其中某一個(gè)指標(biāo)，或者是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，或者是最小沉降指標(biāo)，或者是最短工期指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)最終的目的而建立的函數(shù)我們稱之為目標(biāo)函數(shù)14。目標(biāo)函數(shù)目前是進(jìn)行基坑降水優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)普遍采用的優(yōu)化方法，首先應(yīng)該先建立用于方案優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，或者稱作將優(yōu)化語(yǔ)言數(shù)學(xué)化。建立的數(shù)學(xué)方程式最終反映的是設(shè)計(jì)所要達(dá)到的目標(biāo)以及種種基礎(chǔ)約束條件，當(dāng)建立了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型以后，將可能的基坑降水方案帶入目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化選擇。目前，有著以各種目標(biāo)函數(shù)可以對(duì)降水井群進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如李金軒以排水量最少為目標(biāo)建立的目標(biāo)函數(shù)，在滿足基坑降水工程需要的前提下，一切其它的運(yùn)算都已減少排水量為目的，從而使降水方案得到了優(yōu)化。學(xué)者姬永紅依據(jù)井點(diǎn)降

43、水的原理，把工程造價(jià)最低最為目標(biāo)函數(shù)，詳細(xì)分析考慮了滿足基坑周邊影響條件的情況下如何對(duì)井點(diǎn)進(jìn)行布置優(yōu)化設(shè)計(jì)。在實(shí)際的降水工程中，不管是以造價(jià)為目標(biāo)函數(shù)，還是以排水量為目標(biāo)函數(shù)，都可以看到，其最終的要解決的都是如何布置抽水井以及回灌井使其數(shù)目最少。綜合起來(lái)看，運(yùn)用目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行降水工程的優(yōu)化，需要包括的變量有抽水井的數(shù)量n，以及其位置xi,yi（i=1,2,，n），回灌井的數(shù)量m，以及它們的位置xj，yj（j=1,2，m）,各單井的抽水量以及回灌量分別為Qi和Qj，我們要看到任何一個(gè)基坑的降水方案都有多個(gè)合理的組合可供選擇，基坑降水的目標(biāo)函數(shù)同前面敘述的一樣，即是在保證基坑安全和環(huán)境安全的前提下，

44、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)所規(guī)定的最終的目標(biāo)。在本工程中目標(biāo)函數(shù)以最小排水量為目標(biāo)，因此，就是在滿足約束條件的前提下，是抽水井n和回灌井的數(shù)目m最小，也使抽水量Qi和Qj最小，相應(yīng)公式為11 minxti=1n1-Qi+j=1m1-Qj minxti=1n|Qi|+j=1m|Qj|其中 Q=1 當(dāng)Q=0時(shí)0 當(dāng)Q0時(shí)6.3 降水方案的優(yōu)化處理實(shí)際的基坑降水工程中，主要有兩種措施對(duì)于降水方案進(jìn)行優(yōu)化處理，一種情況是，當(dāng)工程中變量較少時(shí)，傳統(tǒng)的解析法是一個(gè)比較好的選擇，這樣的分析理論方法有著嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式，將基坑降水為題徹底的數(shù)學(xué)化處理，可以得到確定的結(jié)果，當(dāng)然這種方法適用的條件有限，因?yàn)橛绊懸粋€(gè)基坑的降水

45、方案的設(shè)計(jì)的因素太多了，不可能建立完善的數(shù)學(xué)模型，這也樣這樣的方法在面對(duì)復(fù)雜的工程時(shí)往往是無(wú)從下手。另一種方法是根據(jù)工程地質(zhì)資料，在此基礎(chǔ)上求出一個(gè)大體滿足的基礎(chǔ)的方案，然后根據(jù)一定的優(yōu)化方法，進(jìn)行多方案的對(duì)比選擇，選擇出最優(yōu)化的方案。本工程具有自己特點(diǎn)，其優(yōu)化過(guò)程總體上是這樣的思路，其以最小的總疏干量最小為目標(biāo)建立了目標(biāo)函數(shù)，這一目標(biāo)函數(shù)實(shí)質(zhì)是要通過(guò)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)來(lái)減少基坑降水量，從而減少土層的固結(jié)量，進(jìn)一步就能減少地面的沉降從而減少對(duì)周圍環(huán)境的危害。為了確定最小的降水井以及回灌井的數(shù)量，就從最小的值開(kāi)始一一帶入驗(yàn)算，這些驗(yàn)算的公式就是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而建立的數(shù)學(xué)方程式，然后進(jìn)行優(yōu)化篩選。

46、該工程具體的優(yōu)化途徑如圖6.3所示，具體來(lái)看，首先，先假設(shè)有一個(gè)降水井（n=1），沒(méi)有回灌井（m=0）,由基坑安全的約束條件對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算，若不滿足依次增減抽水井的數(shù)量。根據(jù)循環(huán)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)降水井的數(shù)量為4（n=4）時(shí)，基坑降水量可以滿足要求。然而為了防止意外情況的放生，故需要布置5個(gè)抽水井，其中一個(gè)備用井，實(shí)際抽水時(shí)，4個(gè)已經(jīng)完全滿足要求。由上面的計(jì)算確定了降水井的數(shù)量，接著就要在降水井?dāng)?shù)量已定的情況下再進(jìn)行位置安排上的計(jì)算與驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果表明，降水造成的基坑周圍沉降完全在允許范圍值內(nèi)，故對(duì)稱分布布置即可。本工程抽水井的布置主要考慮兩個(gè)方面的因素，一是抽水井在基坑周圍對(duì)稱布置，這樣可以使周

47、圍環(huán)境的沉降量基本對(duì)稱發(fā)生，從而可以減少差異沉降量，尤其在圓形基坑工程中，效果尤佳。二是盡量減少東側(cè)復(fù)雜環(huán)境一邊的降水量，尤其是要避開(kāi)靠近基坑的700mm上水管的位置。根據(jù)上述兩個(gè)原則，抽水井的優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖6.2。前面已經(jīng)確定了抽水井的數(shù)量以及位置，也已經(jīng)對(duì)其位置的合理性進(jìn)行了驗(yàn)算，接下來(lái)將由環(huán)境安全約束條件對(duì)回灌井的數(shù)量進(jìn)行驗(yàn)算。同上面的的形式，經(jīng)循環(huán)驗(yàn)算以后得到，當(dāng)n=4，m=3時(shí)，上水管檢測(cè)出的沉降為9.2mm，玄武路檢測(cè)出的沉降為7.58.6mm，中山飯店處檢測(cè)出的沉降為4.06.1mm,差異沉降只有0.9mm，可以滿足環(huán)境安全約束條件。而其位置則不需進(jìn)行驗(yàn)算，很確定，就是均勻的布置在

48、基坑與保護(hù)建筑物之間。圖6.3基坑降水工程優(yōu)化解法框圖116.4 降水運(yùn)行的監(jiān)測(cè)該工程降水方案按照優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行降水方案的最優(yōu)化設(shè)計(jì)以后，還應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中布置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行基坑降水過(guò)程中的全過(guò)程監(jiān)測(cè)11。本工程設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一個(gè)是有19個(gè)觀測(cè)孔監(jiān)測(cè)地下水位變化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要用于實(shí)時(shí)觀測(cè)潛水的水位，最主要的是實(shí)時(shí)觀測(cè)承壓含水層承壓水的水位。另外一個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)是由44個(gè)觀測(cè)點(diǎn)組成的周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該觀測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)周圍地面以及建筑物的沉降，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置見(jiàn)圖6.2。布置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的在于能夠降水方案的作用效果實(shí)時(shí)的反饋給相關(guān)人員，及時(shí)的對(duì)降水方案再做調(diào)整，即實(shí)現(xiàn)基坑方案的實(shí)時(shí)優(yōu)

49、化。7 結(jié)語(yǔ)與展望降水工程作為基坑工程的重要組成部分，大多時(shí)候?qū)τ诨庸こ痰某蓴【哂袥Q定性的影響.其重要性可見(jiàn)一斑。如今，基坑降水工程無(wú)論是在理論支撐上，還是具體的的施工方法上，都有了長(zhǎng)足的發(fā)展。對(duì)于基坑降水工程來(lái)說(shuō)，針對(duì)不同的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)以及周圍環(huán)境來(lái)說(shuō)，目前來(lái)說(shuō)，真正的難點(diǎn)不是在于如何確定選用何種具體的降水措施，難點(diǎn)在于如何對(duì)降水井以及回灌井的數(shù)量以及數(shù)目進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化21。由于當(dāng)今的基坑工程普遍面臨著工況復(fù)雜的情況，即不但工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復(fù)雜，更重要的是，周圍的環(huán)境的影響愈來(lái)愈大。這就對(duì)井點(diǎn)的優(yōu)化布置提出了更高的要求。文章中，本人并未有并沒(méi)有在滲流理論以及降水方法上有任何創(chuàng)新點(diǎn)，重點(diǎn)在于運(yùn)用已有的理論和方法，對(duì)基坑降水方案的優(yōu)化進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的探索，由于本人學(xué)識(shí)能力有限，有所謬誤時(shí)所難