GMS在水沉降预测及基坑降中的应用
来源：UC论文网2015-11-30 19:56
摘要：
1 模拟方法与程序 目前，基坑降水方案的设计计算主要采用解析法，但利用解析法很难全面而准确的得出降水区域及周边范围内的水流流态随时间的变化与发展。而现代数值方法可以灵
1 模拟方法与程序
目前，基坑降水方案的设计计算主要采用解析法，但利用解析法很难全面而准确的得出降水区域及周边范围内的水流流态随时间的变化与发展。而现代数值方法可以灵活的建立符合天然流场实际条件的计算机模拟模型，极大的提高了基坑降水方案设计和周围建筑物沉降观测与控制工作的效率和准确性。
GMS（Groundwater Modeling System）是目前国际上最先进的综合性地下水模拟软件包，可进行地下水流模拟、溶质运移模拟、反应运移模拟等，辅以统一的模型构建、参数赋值、地质统计、结果分析等前、后处理功能，利于方便快捷的进行数值模拟计算。本次数值模拟是利用GMS中的Modflow模块对基坑降水过程进行模拟预测，从而进行降水方案的优化及沉降预测。
2 案例说明及计算模型
2.1基坑基本情况
城区某处欲建一栋办公楼，建筑区域地形平坦，面积70*30m，潜水含水层水位高度为地表以下2m左右，潜水层底板在地表以下10m左右；渗透系数为k=0.0002m/s，给水度µ =0.12。地下水初始流场已在图2.1，地下水从西南流向东北，水力梯度变化平缓。根据施工要求，须将建筑区地下水位降至地面以下4m，即水位须降至距潜水层底板6m以下。现欲布置工程降水井进行降水，确定合理的降水方案。
2.2计算模型
为了避免抽水井对持力层的扰动和保证基坑边坡的稳定，在实际施工中通常将井点布置在沿基础轮廓线的外侧。因此本基坑采用坑外井点降水方法，根据经验沿长方形建筑场地四周布置6口完整井，每口井暂定抽水流量25m3/h。如图2.1中所示，建筑区地下水水力坡度平缓，可近似认为区域内水头无变化。
图2.1 建筑区平面位置及流场图
2.3模拟结果及分析
对本案例，采用非稳定流进行降水的工程模拟，得到各个抽水时间的地下水等水位线图和相应的水位降深图。图2.2图2.4为抽水66h的地下水等水位线图和相应的水位降深图。
图2.2 抽水66h基坑流场 图2.3抽水66h基坑纵向中心剖面水位降深 2.4抽水66h基坑横向中心剖面水位降深
由图2.2图2.4可以看出，随着抽水时间的增加，降落漏斗不断外扩。抽水66h时降落漏斗外扩到施工区域以外，地下水位与地表距离大于4m，满足施工的降深要求。
3 基坑降水引起的地表沉降预测
在基坑周围没有设置止水帷幕的情况下，随着地下水位的不断降低，基坑降水对周围已有建筑物将产生附加的不均匀沉降，严重时甚至影响其安全。一般情况下要对降水引起的地表沉降量进行预测，必须通过地下水动力学的相关知识计算出相应时间相应地点的地下水水位的降深，这一过程往往繁琐而复杂，特别是在抽水量根据降水情况增减时，水位降深更是难以较为准确的得到。而数值模拟使得这一问题大大简化，可以根据需要随时得到不同抽水量时的水位降深，进而计算出地表最终沉降量，为施工方案的制定及建筑物的保护提供依据。
3.1 地表最终沉降量
3.1.1 黏性土类
黏性土层每一地下水位差值的沉降量计算式为
，
其中，
为某一水位差作用下引起的地表最终沉降量，
为第i层土平均附加自重应力增量，Ύw为水的重度，n为水位降深范围内黏性土的土层数，αvi为第i层土的压缩系数，Δhi为水位下降范围内第i层黏性土的厚度，eoi为第i层土的初始孔隙比。
3.1.2 某时刻某一水位差作用下的沉降量
某时刻的沉降量计算方法为
，其中，
为某时间段内黏性土层降水引起的地表的固结沉降量，ut为固结度,是时间t的函数。
3.1.3 碎石土、砂土类
一般认为，砂土类、碎石土类不存在孔隙水压力消散滞后问题，水位降深达到稳定状态，土层固结即完成，计算式为
其中，
为水位降深范围内第j砂层厚度，
为地下水位变化值。
3.1.4 地表某时刻总沉降量
地表某时刻总沉降量为
4.结论
1）利用GMS对基坑降水引起的地下水位变化进行模拟，使得处理基坑降水中的若干问题得到简化，为布井方案的优化设计与沉降预测提供了一种新思路和工作方法。通过GMS模拟得出的结果图形简单明了，形象逼真，特别是遇到规模较大的降水工程，相对于传统的计算，GMS更能体现它的优势，更加快速、准确。
2）在降水过程的数值模拟中可以根据时间和情况的变化，对抽水量和抽水井做出动态的改变，使得布井方案得以优化，并降低施工成本。
3）对基坑降水的数值模拟可以直观得出基坑及其周围在抽水过程中的地下水位变化情况，据此可以更加合理的布置沉降观测点以及得到地表沉降量，对安全施工及临近建筑物的保护具有积极的效果。
参考文献：
[1] 王庆永,贾忠华,刘晓峰,等. VisualModflow及其在地下水模拟中的应用[J].水资源与水工程学报, 2007,18(5): 90-92.
[2] 李林,陆建勇,张涛,等.基坑降水对周边建筑物和地面沉降影响的鉴定分析[J].建筑科学,2010, 26(5):83-85.
[3] 张瑛颖,龚晓南,等.基坑降水过程中回灌的数值模拟[J].水利水电技术,2007,38(4):48-50.
[4] 骆祖江,刘金宝,李朗，等.第四纪松散沉积层地下水疏降与地面沉降三维全耦合数值模拟[J].岩土工程学报，2008,30(2):193-198.
[5] 张彬,王安华,韩圣钱，等.三维基坑降水开挖的应力变化模拟分析[J].探讨与分析,2007,11(3):46-50.
[6] 裴红星,李纪云,等.基坑降水引起地表沉降过程数值模拟[J].郑州大学学报,2009,41(3):89-92.
目前，基坑降水方案的设计计算主要采用解析法，但利用解析法很难全面而准确的得出降水区域及周边范围内的水流流态随时间的变化与发展。而现代数值方法可以灵活的建立符合天然流场实际条件的计算机模拟模型，极大的提高了基坑降水方案设计和周围建筑物沉降观测与控制工作的效率和准确性。
GMS（Groundwater Modeling System）是目前国际上最先进的综合性地下水模拟软件包，可进行地下水流模拟、溶质运移模拟、反应运移模拟等，辅以统一的模型构建、参数赋值、地质统计、结果分析等前、后处理功能，利于方便快捷的进行数值模拟计算。本次数值模拟是利用GMS中的Modflow模块对基坑降水过程进行模拟预测，从而进行降水方案的优化及沉降预测。
2 案例说明及计算模型
2.1基坑基本情况
城区某处欲建一栋办公楼，建筑区域地形平坦，面积70*30m，潜水含水层水位高度为地表以下2m左右，潜水层底板在地表以下10m左右；渗透系数为k=0.0002m/s，给水度µ =0.12。地下水初始流场已在图2.1，地下水从西南流向东北，水力梯度变化平缓。根据施工要求，须将建筑区地下水位降至地面以下4m，即水位须降至距潜水层底板6m以下。现欲布置工程降水井进行降水，确定合理的降水方案。
2.2计算模型
为了避免抽水井对持力层的扰动和保证基坑边坡的稳定，在实际施工中通常将井点布置在沿基础轮廓线的外侧。因此本基坑采用坑外井点降水方法，根据经验沿长方形建筑场地四周布置6口完整井，每口井暂定抽水流量25m3/h。如图2.1中所示，建筑区地下水水力坡度平缓，可近似认为区域内水头无变化。
图2.1 建筑区平面位置及流场图
2.3模拟结果及分析
对本案例，采用非稳定流进行降水的工程模拟，得到各个抽水时间的地下水等水位线图和相应的水位降深图。图2.2图2.4为抽水66h的地下水等水位线图和相应的水位降深图。
图2.2 抽水66h基坑流场 图2.3抽水66h基坑纵向中心剖面水位降深 2.4抽水66h基坑横向中心剖面水位降深
由图2.2图2.4可以看出，随着抽水时间的增加，降落漏斗不断外扩。抽水66h时降落漏斗外扩到施工区域以外，地下水位与地表距离大于4m，满足施工的降深要求。
3 基坑降水引起的地表沉降预测
在基坑周围没有设置止水帷幕的情况下，随着地下水位的不断降低，基坑降水对周围已有建筑物将产生附加的不均匀沉降，严重时甚至影响其安全。一般情况下要对降水引起的地表沉降量进行预测，必须通过地下水动力学的相关知识计算出相应时间相应地点的地下水水位的降深，这一过程往往繁琐而复杂，特别是在抽水量根据降水情况增减时，水位降深更是难以较为准确的得到。而数值模拟使得这一问题大大简化，可以根据需要随时得到不同抽水量时的水位降深，进而计算出地表最终沉降量，为施工方案的制定及建筑物的保护提供依据。
3.1 地表最终沉降量
3.1.1 黏性土类
黏性土层每一地下水位差值的沉降量计算式为
，其中，
为某一水位差作用下引起的地表最终沉降量，为第i层土平均附加自重应力增量，Ύw为水的重度，n为水位降深范围内黏性土的土层数，αvi为第i层土的压缩系数，Δhi为水位下降范围内第i层黏性土的厚度，eoi为第i层土的初始孔隙比。3.1.2 某时刻某一水位差作用下的沉降量
某时刻的沉降量计算方法为
，其中，为某时间段内黏性土层降水引起的地表的固结沉降量，ut为固结度,是时间t的函数。3.1.3 碎石土、砂土类
一般认为，砂土类、碎石土类不存在孔隙水压力消散滞后问题，水位降深达到稳定状态，土层固结即完成，计算式为
其中，
为水位降深范围内第j砂层厚度，为地下水位变化值。3.1.4 地表某时刻总沉降量
地表某时刻总沉降量为
4.结论
1）利用GMS对基坑降水引起的地下水位变化进行模拟，使得处理基坑降水中的若干问题得到简化，为布井方案的优化设计与沉降预测提供了一种新思路和工作方法。通过GMS模拟得出的结果图形简单明了，形象逼真，特别是遇到规模较大的降水工程，相对于传统的计算，GMS更能体现它的优势，更加快速、准确。
2）在降水过程的数值模拟中可以根据时间和情况的变化，对抽水量和抽水井做出动态的改变，使得布井方案得以优化，并降低施工成本。
3）对基坑降水的数值模拟可以直观得出基坑及其周围在抽水过程中的地下水位变化情况，据此可以更加合理的布置沉降观测点以及得到地表沉降量，对安全施工及临近建筑物的保护具有积极的效果。
参考文献：
[1] 王庆永,贾忠华,刘晓峰,等. VisualModflow及其在地下水模拟中的应用[J].水资源与水工程学报, 2007,18(5): 90-92.
[2] 李林,陆建勇,张涛,等.基坑降水对周边建筑物和地面沉降影响的鉴定分析[J].建筑科学,2010, 26(5):83-85.
[3] 张瑛颖,龚晓南,等.基坑降水过程中回灌的数值模拟[J].水利水电技术,2007,38(4):48-50.
[4] 骆祖江,刘金宝,李朗，等.第四纪松散沉积层地下水疏降与地面沉降三维全耦合数值模拟[J].岩土工程学报，2008,30(2):193-198.
[5] 张彬,王安华,韩圣钱，等.三维基坑降水开挖的应力变化模拟分析[J].探讨与分析,2007,11(3):46-50.
[6] 裴红星,李纪云,等.基坑降水引起地表沉降过程数值模拟[J].郑州大学学报,2009,41(3):89-92.
