基于水文地质参数融合的基坑涌水量预测与降排水决策方法与流程

本发明涉及基坑涌水量预测，尤其涉及基于水文地质参数融合的基坑涌水量预测与降排水决策方法。

背景技术：

1、基坑开挖至地下水位以下时，需要通过降排水措施降低坑内水位，以保障基底干燥、边坡稳定并防止管涌、流砂及突涌等渗透破坏。对于临河半敞开式大型基坑，尤其是位于深厚砂砾石层中的基坑，含水层渗透性强、空间非均质性明显，河道与地下水之间水力联系密切，地下水可沿未封闭边界、悬挂式止水帷幕下端及坑底强透水层进入基坑，形成河床越流、帷幕绕流和含水层侧向—底部补给共同作用的复杂渗流状态。

2、现有涌水量预测通常采用抽水试验确定渗透系数，再利用大井法、解析公式或数值模型计算基坑总涌水量。然而，抽水试验、注水试验及区域水文地质资料的作用尺度不同，所得参数差异较大；仅依据稳定抽水阶段的水位降深进行参数反演，还容易出现含水层渗透能力、河床补给能力和帷幕绕流能力相互补偿的问题，即多组参数能够拟合相近水位，却对应不同的涌水量及渗流来源，影响预测可靠性。

3、此外，现有数值计算常将基坑几何形态和排泄边界设置为固定状态，难以反映分层开挖、帷幕相对贯入深度变化及排泄设施分阶段投入造成的渗流路径重构。将明沟和集水坑等效为固定流量井时，还可能在水位低于排泄高程后继续产生计算排水量。现有方法通常只输出基坑总涌水量，难以区分河床补给水、帷幕下端绕流水及其他含水层来水，也无法明确局部汇入位置和渗透稳定风险。施工期间的降排水调整多依赖总流量或单点水位进行经验判断，缺乏根据实测分源偏差更新水文地质参数并滚动修正后续决策的技术手段。

技术实现思路

1、本发明提供了基于水文地质参数融合的基坑涌水量预测与降排水决策方法。

2、基于水文地质参数融合的基坑涌水量预测与降排水决策方法，包括以下步骤：

3、s1：在同一抽排扰动周期内，对稳定抽排段和停泵恢复段的水位—流量响应进行分源约束，将含水层传导特性、河床水力连接特性、悬挂式止水帷幕下端绕流特性以及坑内排泄设施传导特性融合为补给—阻渗参数场；

4、s2：将所述补给—阻渗参数场输入与基坑开挖阶段同步变化的瞬态渗流模型，将明沟和集水坑设置为随水位越过排泄高程而启闭的阈值型排泄边界，对不同帷幕贯入深度及排泄设施组合进行计算，得到阶段分源涌水包络，所述阶段分源涌水包络用于表征各开挖阶段涌水总量、涌水来源、空间汇入位置和渗透稳定状态；

5、s3：以所述阶段分源涌水包络为输入，根据目标控制水位、允许水力梯度和可用抽排能力确定阶段降排水决策序列，并在执行所述阶段降排水决策序列时，根据实测水位—流量响应与所述阶段分源涌水包络之间的分源偏差，更新所述补给—阻渗参数场，进而重新生成所述阶段分源涌水包络和阶段降排水决策序列。

6、可选的，所述s1包括在稳定抽排段，获取不同抽排流量下基坑内观测井的准稳态水位降深与对应涌水量，构建反映含水层水平传导与帷幕下端绕流共同作用的混合水位—流量关系，以含水层等效渗透系数和帷幕绕流等效阻力系数为待辨识参数，利用最小二乘拟合形成第一约束。

7、可选的，所述s1包括在停泵恢复段，获取停泵后水位随时间回升的恢复曲线，将恢复过程分离为早期受河床水力连接补给主导的快速回升段和后期受帷幕绕流及远场含水层补给消退主导的缓慢趋稳段，基于恢复速率和回升幅度辨识河床越流补给系数与帷幕绕流残余影响系数，形成第二约束。

8、可选的，所述s1还包括结合由现场试验或设计参数标定的坑内明沟及集水坑过流能力系数，将所述含水层等效渗透系数、帷幕绕流等效阻力系数、河床越流补给系数和排泄设施过流能力系数，按照各自空间作用范围赋值至瞬态渗流模型的对应网格或分区，并通过插值或分区赋值方式生成同时体现补给来源差异与阻渗结构空间异质性的所述补给—阻渗参数场。

9、可选的，所述s2依据基坑开挖进程，在所述瞬态渗流模型中逐阶段激活或钝化对应开挖区域的网格单元，同步更新由所述补给—阻渗参数场赋予的渗透介质属性，形成与开挖阶段几何与水力特性同步变化的模型域。

10、可选的，所述明沟和集水坑均设置为第三类混合边界，对其流量—水头关系施加阈值判断：当边界节点水头低于排泄高程时，排泄流量为零，边界自动退化为零通量边界；当边界节点水头越过排泄高程时，边界按排泄设施过流能力系数激活流量排泄，排泄流量随水头升高而增大，形成所述阈值型排泄边界。

11、可选的，所述模型域中，对由帷幕贯入深度和排泄设施布设密度、高程所定义的多种工况组合，分别进行相同抽排扰动周期下的瞬态渗流计算，从计算结果中提取各开挖阶段内进入明沟与集水坑的坑内汇水总量、从帷幕下端及下方含水层绕流进入坑内的侧向-底部涌水量、以及经河床越流补给进入模型域并最终汇入坑内的水量，并根据对应流速水头梯度评估帷幕绕流出口及开挖面处的渗透稳定状态，将上述信息集成为以开挖阶段为索引、涵盖涌水总量、分源水量、空间汇入位置分布及渗透稳定安全系数的所述阶段分源涌水包络。

12、可选的，所述s3从当前开挖阶段对应的阶段分源涌水包络中，获取预计的坑内汇水总量、侧向-底部绕流涌水量、河床越流补给涌水量及其空间汇入位置分布和渗透稳定安全系数；以目标控制水位为约束，反算满足水位要求的总抽排流量下限；结合所述允许水力梯度和所述渗透稳定安全系数，确定各汇入位置处不发生渗透破坏的抽排强度上限；在所述可用抽排能力的范围内，以同时满足所述总抽排流量下限和各处抽排强度上限为条件，生成由明沟、集水坑及备用抽排设施的启停组合和流量分配组成的所述阶段降排水决策序列。

13、可选的，所述阶段降排水决策序列执行时，同步采集基坑内观测井的实测水位和排泄设施的实测流量，得到实测水位—流量响应；将所述实测水位—流量响应与所述阶段分源涌水包络中预测的分源水量时程进行对比，利用基于水均衡和响应曲线分解的源辨识方法，计算来自含水层传导、河床越流和帷幕绕流各补给源的分源偏差。

14、可选的，所述s3还包括以所述分源偏差为驱动，采用参数反演算法修正所述补给—阻渗参数场中的含水层等效渗透系数、河床越流补给系数和帷幕绕流等效阻力系数，得到更新后的补给—阻渗参数场；将更新后的补给—阻渗参数场重新输入所述瞬态渗流模型，计算后续开挖阶段的阶段分源涌水包络，并以此重新生成阶段降排水决策序列，形成滚动闭环的降排水自适应决策。

15、本发明的有益效果：

16、本发明，通过在同一抽排扰动周期内联合利用稳定抽排段和停泵恢复段的水位—流量响应，分别约束含水层水平传导、河床越流补给、悬挂式止水帷幕下端绕流以及坑内排泄设施传导特性，并按照各参数的实际空间作用范围形成补给—阻渗参数场。相较于仅利用稳定抽水水位反演单一渗透系数的现有方法，本发明能够利用快速恢复分量和缓慢恢复分量区分河床持续补给与帷幕绕流残余影响，减少含水层等效渗透系数、河床越流补给系数和帷幕绕流等效阻力系数之间的参数补偿，避免多组参数均能拟合相同水位却得到不同涌水量的非唯一性问题。

17、本发明，使瞬态渗流模型随基坑开挖进程逐阶段更新，通过钝化已开挖网格、激活新暴露开挖面、继承上一阶段终止水头以及同步调整帷幕终止高程，能够表达开挖面下降、帷幕相对贯入深度变化和排泄设施分层投入所引起的渗流路径重构。尤其是将明沟和集水坑设置为随节点水头越过排泄高程而自动启闭的阈值型排泄边界，能够避免固定流量井模型在水位低于沟底或集水坑启排高程后仍持续排水所产生的虚假降深和虚假涌水量。本发明进一步采用水源标签与汇入路径标签相结合的双标签分源方式，既能识别河床越流补给水量，又能识别经帷幕下端及下方含水层进入基坑的侧向—底部涌水量，并避免河床补给水经帷幕下端进入基坑时发生重复统计。由此生成的阶段分源涌水包络不再局限于给出单一总涌水量，而是能够同时反映分源水量时程、空间汇入位置、局部水力梯度及渗透稳定安全系数，为确定帷幕合理贯入深度、排泄设施布设密度和局部渗透破坏风险位置提供量化依据。

18、本发明，以阶段分源涌水包络为输入，同时反算满足目标控制水位的总抽排流量下限和满足渗透稳定要求的局部抽排强度上限，并在可用抽排能力及备用能力约束下生成明沟、集水坑和备用抽排设施的阶段降排水决策序列，避免传统方案仅通过增加总抽排量控制水位而加剧帷幕出口水力梯度或局部管涌风险。