适用于多圆环结构竖井的地下水渗流预测方法与流程

1.本发明涉及竖井地下水灾害防治技术领域，具体地指一种适用于多圆环结构竖井的地下水渗流预测方法。


背景技术：

2.当竖井穿过地下含水层时，面临地下水渗流进入井内的问题。如果是裸井，可采用裘布依公式预测竖井的涌水量。但是，在实际情况中，一些大井需要浇筑衬砌，以保证井壁稳定，利用衬砌结构承担外水压力荷载。当竖井的涌水量过大，还必须设置灌浆圈，即通过注浆使竖井周围一圈含水层的透水性减小，以减小涌水量；另外，当竖井穿过多个含水层，由于各含水层水文地质条件等不同，也给渗流预测带来困难。
3.目前，关于竖井渗流，现有技术普遍针对的是裸井，对于带有圆环形衬砌和灌浆圈的竖井，未见有效的渗流预测方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是要提供一种适用于多圆环结构竖井的地下水渗流预测方法，考虑多圆环结构竖井穿过不同厚度和渗透系数的含水层，能够较为准确地预测多圆环结构竖井内对应各含水层的涌水量、总涌水量以及多圆环结构竖井外围的衬砌结构在不同深度处的衬砌外水压力。
5.为实现上述目的，本发明研制出了一种适用于多圆环结构竖井的地下水渗流预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.步骤1)，获取多圆环结构竖井的水文地质条件及多圆环结构竖井外围的各含水层渗透系数；
7.步骤2)，分别确定多圆环结构竖井外围的衬砌结构渗透系数及灌浆圈渗透系数；
8.步骤3)，分析多圆环结构竖井外围的各含水层内地下水的渗流影响半径；
9.步骤4)，预测多圆环结构竖井内对应各含水层的涌水量、总涌水量以及多圆环结构竖井外围的衬砌结构在不同深度处的衬砌外水压力。
10.优选地，步骤1)中，所述水文地质条件包括初始地下水位、允许井内水位、井底深度、竖井外围各含水层的序号、竖井外围各含水层的厚度，其中初始地下水位及竖井外围各含水层的厚度均通过钻孔勘探获得；所述各含水层渗透系数通过现场抽水或压水试验测得。
11.优选地，所述初始地下水位、允许井内水位、井底深度三者大小关系为井底深度≥允许井内水位≥初始地下水位。
12.优选地，步骤2)中，所述衬砌结构渗透系数的确定过程为：制备钢筋混凝土材料的衬砌结构，通过室内渗透试验测量得到所述衬砌结构渗透系数；
13.所述灌浆圈渗透系数的确定过程为：向多圆环结构竖井外围的各含水层中钻孔注入浆液，待浆液凝固后扫孔，通过现场压水试验测得所述灌浆圈渗透系数。
14.优选地，步骤3)中，所述渗流影响半径通过下列公式(1)迭代计算，
[0015][0016]
其中，
[0017]ri
是含水层i地下水的渗流影响半径，
[0018]
是综合性渗透系数，其中ki是含水层i渗透系数，kc是衬砌结构渗透系数，kg是灌浆圈渗透系数，
[0019]rw
是竖井净半径，
[0020]
rc是衬砌外半径，
[0021]
rg是灌浆圈外半径，
[0022]
si是含水层i的水位降深。
[0023]
优选地，所述si通过下列公式(2)或(3)计算，
[0024][0025]
其中，
[0026]
si是从初始地下水位到允许井内水位之间所对应的含水层i的水位降深，
[0027]
i＝1～m，
[0028]bi
是含水层i的厚度，
[0029]bj
是含水层j的厚度，其中j＝1～i，
[0030]
∑是累加求和符号；
[0031][0032]
其中，
[0033]
si是从允许井内水位到井底深度之间所对应的含水层i的水位降深，
[0034]
i＝m 1～n，
[0035]bm
是含水层m的厚度，
[0036]bj
是含水层j的厚度，其中j＝1～m，
[0037]
∑是累加求和符号。
[0038]
优选地，所述公式(1)的右侧选择一个较大的渗流影响半径初始值代入，所得结果为渗流影响半径第二中间值，所述渗流影响半径第二中间值再代入所述公式(1)的右侧得到渗流影响半径第三中间值，如此循环，直至相邻两个渗流影响半径中间值之差不大于1m时停止计算，即获得该含水层地下水的渗流影响半径的最终值。
[0039]
优选地，步骤4)中，所述各含水层的涌水量通过下列公式(4)预测，
[0040][0041]
其中，
[0042]
qi是含水层i的涌水量,i＝1～n,
[0043]bi
是含水层i的厚度，
[0044]ki
是含水层i渗透系数，
[0045]
kc是衬砌结构渗透系数，
[0046]
kg是灌浆圈渗透系数，
[0047]rw
是竖井净半径，
[0048]
rc是衬砌外半径，
[0049]
rg是灌浆圈外半径，
[0050]ri
是含水层i地下水渗流影响半径，
[0051]
si是从初始地下水位到允许井内水位之间所对应的含水层i的水位降深，或从允许井内水位到井底深度之间所对应的含水层i的水位降深。
[0052]
优选地，所述总涌水量通过下列公式(5)预测，
[0053][0054]
其中，
[0055]
qi是含水层i的涌水量，i＝1～n，
[0056]qw
是多圆环结构竖井的总涌水量，
[0057]
∑是累加求和符号。
[0058]
优选地，步骤4)中，所述衬砌外水压力通过下列公式(6)或(7)或(8)预测，
[0059]
ph＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0060]
其中，
[0061]
ph是从井口到初始地下水位之间对应的衬砌外水压力；
[0062][0063]
其中，
[0064]
h是位于初始地下水位到允许井内水位之间的深度，
[0065]
h0是初始地下水位，
[0066]
h1是允许井内水位，
[0067]ki
是含水层i渗透系数，
[0068]
kc是衬砌结构渗透系数，
[0069]
kg是灌浆圈渗透系数，
[0070]rw
是竖井净半径，
[0071]
rc是衬砌外半径，
[0072]
rg是灌浆圈外半径，
[0073]ri
是含水层i地下水渗流影响半径，
[0074]
γ是地下水的重量密度，
[0075]
ph是从初始地下水位到允许井内水位之间对应的衬砌外水压力；
[0076][0077]
其中，
[0078]
h是位于允许井内水位到井底深度之间的深度，
[0079]
h1是允许井内水位，
[0080]ki
是含水层i渗透系数，
[0081]
kc是衬砌结构渗透系数，
[0082]
kg是灌浆圈渗透系数，
[0083]rw
是竖井净半径，
[0084]
rc是衬砌外半径，
[0085]
rg是灌浆圈外半径，
[0086]ri
是含水层i地下水渗流影响半径，
[0087]
γ是地下水的重量密度，
[0088]
ph是从初始地下水位到允许井内水位之间对应的衬砌外水压力。
[0089]
本发明的优点在于：
[0090]
1、本方法考虑了竖井外侧衬砌结构和灌浆圈的影响，因此渗流预测更精准；
[0091]
2、本发明考虑了含水层竖向分层的情况，通过钻孔勘探获得各含水层的厚度和渗透系数，并且还考虑了各含水层中地下水的水位降深和渗流影响半径存在的变化，进一步提高了竖井渗流预测的精度；
[0092]
3、本发明通过对多圆环结构竖井内对应各含水层的涌水量及多圆环结构竖井外围的衬砌结构在不同深度处衬砌外水压力的计算，为竖井外围的灌浆圈和衬砌结构的设计提供参考，防止外水压力过高导致衬砌结构失效或灌浆圈厚度不足导致涌水量过大等问题，同时也避免其设计过于保守、不经济。
[0093]
本发明适用于多圆环结构竖井的地下水渗流预测方法所预测的解析解(解析解指的是：多圆环结构竖井内对应各含水层的涌水量及多圆环结构竖井外围的衬砌结构在不同深度处衬砌外水压力)与计算机数值计算模拟获得的结果相比较，本预测方法具有较好的准确性。
附图说明
[0094]
图1是本发明适用于多圆环结构竖井的地下水渗流预测方法的流程图；
[0095]
图2是多圆环结构竖井的示意图；
[0096]
图3是某多圆环结构竖井内对应的各含水层涌水量的预测结果与数值计算模拟获得的结果对比；
[0097]
图4是某多圆环结构竖井外围的衬砌结构在不同深度处衬砌外水压力的预测结果与数值计算模拟获得的结果对比；
[0098]
图中：
[0099]
初始地下水位h0、允许井内水位h1、井底深度h2、竖井外围各含水层的序号i、竖井外围各含水层的厚度bi、各含水层渗透系数ki、衬砌结构渗透系数kc、灌浆圈渗透系数kg、从初始地下水位h0至允许井内水位h1范围内的含水层数量m、从初始地下水位h0至井底深度h2范围内的含水层数量n。
[0100]
实施方式
[0101]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0102]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
[0103]
如图1所示，本适用于多圆环结构竖井的地下水渗流预测方法，包括如下步骤：
[0104]
步骤1)，获取多圆环结构竖井的水文地质条件及多圆环结构竖井外围的各含水层渗透系数ki；
[0105]
步骤2)，分别确定多圆环结构竖井外围的衬砌结构渗透系数kc及灌浆圈渗透系数kg；
[0106]
步骤3)，分析多圆环结构竖井外围的各含水层内地下水的渗流影响半径ri；
[0107]
步骤4)，预测多圆环结构竖井内对应各含水层的涌水量qi、总涌水量qw以及多圆环结构竖井外围的衬砌结构在不同深度处的衬砌外水压力ph。
[0108]
上述步骤1)中，如图2所示，所述水文地质条件包括初始地下水位h0、允许井内水位h1、井底深度h2、竖井外围各含水层的序号i、竖井外围各含水层的厚度bi，其中初始地下水位h0及竖井外围各含水层的厚度bi均通过钻孔勘探获得；所述各含水层渗透系数ki通过现场抽水或压水试验测得。所述初始地下水位h0、允许井内水位h1、井底深度h2三者大小关系为：h2≥h1≥h0。
[0109]
具体地，取多圆环结构竖井的水文地质条件及多圆环结构竖井外围的各含水层渗透系数ki如下：
[0110]
确定井底深度h2＝200m和允许井内水位h1＝140m，对多圆环结构竖井各含水层进行钻孔勘探，获得初始地下水位h0＝50m。通过钻孔勘探还获得各含水层的序号i与厚度bi包括b1＝40m、b2＝50m、b3＝20m、b4＝40m，其中深度h＝50m～140m(h＝h0～h1)范围内含水层数量m＝2，深度h＝140m～200m(h＝h1～h2)范围内含水层数量n-m＝4-2＝2，通过现场抽水或压水试验测得各含水层的渗透系数ki包括k1＝0.6m/d、k2＝0.7m/d、k3＝0.5m/d、k4＝0.4m/d。
[0111]
上述步骤2)中，所述衬砌结构渗透系数kc的确定过程为：制备钢筋混凝土材料的衬砌结构，通过室内渗透试验测量得到所述衬砌结构渗透系数kc＝0.02m/d；所述灌浆圈渗透系数kg的确定过程为：向多圆环结构竖井外围的各含水层中钻孔注入浆液，待浆液凝固后扫孔，通过现场压水试验测得所述灌浆圈渗透系数kg＝0.1m/d。
[0112]
上述步骤3)中，所述渗流影响半径通过下列公式(1)迭代计算，
[0113][0114]
其中，
[0115]ri
是含水层i地下水的渗流影响半径，
[0116]
是综合性渗透系数，其中ki是含水层i渗透系数，kc是衬
砌结构渗透系数，kg是灌浆圈渗透系数，
[0117]rw
是竖井净半径，
[0118]
rc是衬砌外半径，
[0119]
rg是灌浆圈外半径，
[0120]
si是含水层i的水位降深。
[0121]
上述si通过下列公式(2)或(3)计算，
[0122][0123]
其中，
[0124]
si是从初始地下水位到允许井内水位之间所对应的含水层i的水位降深，
[0125]
i＝1～m，
[0126]bi
是含水层i的厚度，
[0127]bj
是含水层j的厚度，其中j＝1～i，
[0128]
∑是累加求和符号；
[0129][0130]
其中，
[0131]
si是从允许井内水位到井底深度之间所对应的含水层i的水位降深，
[0132]
i＝m 1～n，
[0133]bm
是含水层m的厚度，
[0134]bj
是含水层j的厚度，其中j＝1～m，
[0135]
∑是累加求和符号。
[0136]
具体地，对于m＝2、i＝1～2，通过公式(2)得：
[0137]
s1＝—1/2*40 40＝20m，s2＝—1/2*50 40 50＝65m；
[0138]
对于m＝2、i＝3～4，通过公式(3)得：
[0139]
s3＝40 50＝90m，s4＝40 50＝90m。
[0140]
对于公式(1)，选择一个较大的渗流影响半径初始值代入所述公式(1)的右侧，所得结果为渗流影响半径第二中间值，所述渗流影响半径第二中间值再代入所述公式(1)的右侧得到渗流影响半径第三中间值，如此循环，直至相邻两个渗流影响半径中间值之差不大于1m时停止计算，即获得该含水层地下水的渗流影响半径的最终值。
[0141]
具体地，当rw＝5m、rc＝6m、rg＝10m、kc＝0.02m/d、kg＝0.1m/d时，含水层1的k1＝0.6m/d、s1＝20m，计算r1的过程如下：
[0142]
第1次迭代，取初始值r1＝1000m，
[0143]
计算k
*i
＝0.6*ln(1000/5)/[ln(1000/10) 0.6/0.1*ln(10/6) 0.6/0.02*ln(6/5)]＝0.242m/d，计算第二中间值r1＝5 10*20*0.242^0.5＝103.4m；
[0144]
第2次迭代，取r1＝103.4m，计算第三中间值r1＝86.8m；
[0145]
第3次迭代，取r1＝86.8m，计算第四中间值r1＝85.0m；
[0146]
第4次迭代，取r1＝85.0m，计算第五中间值r1＝84.8m；
[0147]
84.8与85.0相差0.2m，小于1m计算结束，含水层1地下水的渗流影响半径终值为r1＝84.8m；
[0148]
类似地，含水层2地下水的渗流影响半径r2＝306.6m，含水层3地下水的渗流影响半径r3＝411.2m，含水层4地下水的渗流影响半径r4＝393.7m。
[0149]
上述步骤4)中，所述各含水层的涌水量通过下列公式(4)预测，
[0150][0151]
其中，
[0152]
qi是含水层i的涌水量,i＝1～n,
[0153]bi
是含水层i的厚度，
[0154]ki
是含水层i渗透系数，
[0155]
kc是衬砌结构渗透系数，
[0156]
kg是灌浆圈渗透系数，
[0157]rw
是竖井净半径，
[0158]
rc是衬砌外半径，
[0159]
rg是灌浆圈外半径，
[0160]ri
是含水层i地下水渗流影响半径，
[0161]
si是从初始地下水位到允许井内水位之间所对应的含水层i的水位降深，或从允许井内水位到井底深度之间所对应的含水层i的水位降深。
[0162]
具体地，当rw＝5m、rc＝6m、rg＝10m、kc＝0.02m/d、kg＝0.1m/d，含水层1的k1＝0.6m/d、s1＝20m、b1＝40m、r1＝84.8m，则含水层1的涌水量
[0163]
q1＝2*3.14*0.6*20*40/[ln(84.8/10) 0.6/0.1*ln(10/6) 0.6/0.02*ln(6/5)]＝282.6m3/d。
[0164]
类似地，含水层2的涌水量q2＝1068.3m3/d，含水层3的涌水量q3＝522.2m3/d，含水层4的涌水量q4＝966.4m3/d。
[0165]
如图3所示，本适用于多圆环结构竖井的地下水渗流预测方法所预测的多圆环结构竖井内对应的含水层1、2、3或4的涌水量与计算机数值计算模拟获得的结果相比较，两种方法的结果基本一致。
[0166]
上述所述总涌水量通过下列公式(5)预测，
[0167][0168]
其中，
[0169]
qi是含水层i的涌水量，i＝1～n，
[0170]qw
是多圆环结构竖井的总涌水量，
[0171]
∑是累加求和符号。
[0172]
具体地，qw＝q1 q2 q3 q4＝2839.5m3/d。
[0173]
上述步骤4)中，所述衬砌外水压力通过下列公式(6)或(7)或(8)预测，
[0174]
ph＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0175]
其中，
[0176]
ph是从井口到初始地下水位之间对应的衬砌外水压力；
[0177][0178]
其中，
[0179]
h是位于初始地下水位到允许井内水位之间的深度，
[0180]
h0是初始地下水位，
[0181]
h1是允许井内水位，
[0182]ki
是含水层i渗透系数，
[0183]
kc是衬砌结构渗透系数，
[0184]
kg是灌浆圈渗透系数，
[0185]rw
是竖井净半径，
[0186]
rc是衬砌外半径，
[0187]
rg是灌浆圈外半径，
[0188]ri
是含水层i地下水渗流影响半径，
[0189]
γ是地下水的重量密度，
[0190]
ph是从初始地下水位到允许井内水位之间对应的衬砌外水压力；
[0191][0192]
其中，
[0193]
h是位于允许井内水位到井底深度之间的深度，
[0194]
h1是允许井内水位，
[0195]ki
是含水层i渗透系数，
[0196]
kc是衬砌结构渗透系数，
[0197]
kg是灌浆圈渗透系数，
[0198]rw
是竖井净半径，
[0199]
rc是衬砌外半径，
[0200]
rg是灌浆圈外半径，
[0201]ri
是含水层i地下水渗流影响半径，
[0202]
γ是地下水的重量密度，
[0203]
ph是从初始地下水位到允许井内水位之间对应的衬砌外水压力。
[0204]
具体地，基于以上公式(6)、(7)和(8)，本发明对多圆环结构竖井外围的衬砌结构在不同深度处的衬砌外水压力的预测结果见下表1，此外，通过计算机数值计算模拟试验也获得了衬砌外水压力，见图4。
[0205]
表1衬砌外水压力的预测
[0206][0207]
从表1中可以看出，从初始地下水位h0＝50m开始，随着深度h增加，多圆环结构竖井外围的衬砌外水压力ph逐渐增长，并且随着各含水层渗透系数ki的差异而有所波动。
[0208]
如图4所示，本适用于多圆环结构竖井的地下水渗流预测方法所预测的多圆环结构竖井外围的衬砌外水压力ph与计算机数值计算模拟获得的结果相比较，两种方法的结果基本一致。
[0209]
可见本发明提出的适用于多圆环结构竖井的地下水渗流预测方法具有较好的准确性。
[0210]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等等，均应包含在本发明的保护范围之内。