关于基坑降水数值模拟方法研究综述

关于基坑降水数值模拟方法研究综述

肖康博

郑州大学河南省郑州市450001

摘要：基坑降水方案设计的合理性是在复杂水文地质条件下决定施工顺利的关键因素，进行三维数值模拟计算分析是一种有效找出合理降水方案的方法。近些年来，很多专家在基坑降水方面应用了数值模拟，并取得了丰硕的成果。本文在这些成果上进行了总结，简要评析了目前研究的现状，希望为基坑降水数值模拟的研究提供参考。

关键词：基坑降水；数值模拟；方案对比

Abstract：Therationalityoffoundationpitdewateringschemedesignisthekeyfactortodeterminetheconstructionsuccessundercomplexhydrogeologicalconditions.Inrecentyears,manyexpertshaveappliednumericalsimulationinfoundationpitdewatering,andachievedfruitfulresults.Thispapersummarizestheseresults,brieflyreviewsthecurrentresearchstatus,hopingtoprovideareferenceforthenumericalsimulationoffoundationpitprecipitation.

Keywords：foundationpitdewatering，numericalmodeling，optioncomparison

1前言

基坑涌水量的计算方法有很多种，如解析法、数值法、目标函数法等等，然而在进行基坑降水方案的设计时一般采用大井法，原理通俗易懂，方案易于实行。大井法大都需要对目标场地进行水文地质条件的概化将其概化成均值、等厚的含水层，然后利用裘布依井流推导出来的计算公式进行求解，由于大井法概化的条件较多,概化误差会降低参数和涌水量求解的可信度。[1]

对基坑采用三维有限差分法进行数值模拟,通过反演和调参,确定研究区的水文地质参数,模拟预测了基坑降水期间研究区的地下水位分布情况,并结合研究区周边的工程地质条件和水文地质条件以及数值模拟数据设计出基坑降水方案,此外,还对降水引起周边环境的地面沉降进行相关计算,从而验证降水方案设计的合理性,达到有效控制地面沉降的目的[2]。

2目前基坑降水数值模拟的方法

在基于三维数值模拟的深基坑降水设计研究一文中，采用有限拆分法将所设地下水三维非稳定渗流数学模型进行了离散得到了数值模型，通过VisualModflow软件在此基础上建立出地下水三维渗流模型，并通过反复调整参数，确定出模拟地区的水文地质参数，有效的模拟计算出基坑降水引起的地下水的空间分布。文中采用了三维非稳定地下水渗流数值分析方法模拟预测出了基坑降水所引起的三维地下水渗流场的变化规律，在此基础上，进行了基坑降水渗流的分析与设计计算，通过采用分层总和法计算得到地表附加沉降量，并验证了基坑降水方案设计的合理性。文中的结果表明，所取的降水方案对周边地面沉降的影响很小，设计的方案较合理，为复杂水文地质条件下基坑降水的设计提供了有力的指导，并且可以推广运用到类似地形的基坑降水方案的研究设计。（基于三维数值模拟的深基坑降水设计研究）。

在软土地区基坑开挖现场抽水试验数值模拟研究一文中，采用了ZSoil.PC软件,文中通过一个抽水试验的数值模拟，确定出来土的渗透系数，探索了模拟井结构的精确方法，很大程度上重现了降水过程。文中首先确定出基坑开挖地区的土层分布，根据当地水文地质资料找到潜水和承压水的分布，并设计出抽水井的分布，在此基础上进行了计算模型的制作、参数选取和数值模拟计算。单井抽水数值模拟所得到的结果与实测水头的数据吻合很好，抽灌试验数值模拟所得到的结果总体上较为接近，群井抽水试验数值模拟得到的数据与实测数据的曲线相似，说明了渗透系数的选择较为合理。（软土地区基坑开挖现场抽水试验数值模拟研究）。

在深基坑降水地下水渗流三维数值模拟一文中，通过深基坑降水三维渗流数值模拟的理论和方法，在概化出目标场地的复杂水文地质条件下深基坑降水的水文地质模型的基础上，建立了研究地区的基坑降水三维渗流数学模型，模拟预测出在1个月的时段内,由基坑降水导致的渗流场变化的过程,在此基础上,得到了基坑降水的最优方案。文中首先建立研究区水文地质概念模型，建立研究区数学模型，从空间和时间上离散计算域，设置各层初始水文地质参数，利用程序3DF计算求解，输出观测井点水位值，绘制拟合曲线，判断是否满足精度来确定是继续调整参数还是结束运算，从而并确定出最优方案（深基坑降水地下水渗流三维数值模拟）。

3基坑降水三维数值模拟时注意的问题

地下水流三维数值模拟的核心就是数据拟合，进行拟合的过程是不断地调整参数，不断修正已建立的数学模型，使模型和研究原型达到较好的吻合，即达到与原型等效的效果。对于地下水流数值模拟的问题，必须要对研究原型要有足够的认识，即对含水层的结构、边界条件、地下水的补给、排泄、径流、运动规律等要有正确的认识，并能够进行合理的概化。内容主要包括：模拟计算区域的确定、含水层的概化、边界条件的确定和概化、主要水文地质参数的确定等等。基坑涌水量的数值模拟方法是建立在对研究区水文地质条件清楚的认识、水文地质模型合理的概化、数学模型建立和运用正确、所有参数具有代表性这些基坑之上，划分水均匀衡区，通过水均衡的计算来预测基坑涌水量的全过程。[3]

总结

数值模拟应用于复杂水文地质条件下基坑降水的主要步骤为建立概念模型，建立数学模型，离散计算域，设置初始参数，计算求解，输出观测值，绘制拟合曲线，判断是否符合精度，从而并确定出最优方案。数值模拟能够模拟复杂的过程，求解速度快，成本低廉能够在监测、设备开发、优化、效果预测方面提供重要价值，并通过实验与数值模拟进行结果比较，能够判断数值模拟方法的可行性。

参考文献

[1]娄荣祥,周念清,赵姗.上海地铁11号线徐家汇站深基坑降水数值模拟[J].地下空间与工程学报,2011,7(5):908～913+931.

[2]陈兴贤,骆祖江,安晓宇等.深基坑降水三维变参数非稳定渗流与地面沉降耦合模型[J].吉林大学学报•地球科学版,2013,43(5):1572～1578.

[3]李再兴,李静,宋鹏飞,杨芳.三维数值模拟技术(Visualmodflow)在基坑降水中的应用[J].地下水,2016,38(02):22-25.