關于GMS在基坑降水及沉降預測中的應用研究
摘要：利用地下水數(shù)值模擬的專業(yè)軟件GMS（Groundwater Modeling System）建立MODFLOW模型，對基坑降水過程中地下水的滲流以及水位變化進行了分析，以非穩(wěn)定流方法得出了基坑內及周圍任一點的降深-時間關系，在此基礎上做出了對地表沉降的預測。結論表明，地下水數(shù)值模擬的方法可以更加直觀準確得為基坑降水方案優(yōu)化及鄰近建筑物的沉降預測及觀測提供理論指導。
論文關鍵詞：地下水數(shù)值模擬,GMS,基坑降水,沉降預測,方案優(yōu)化
1 模擬方法與程序
目前，基坑降水方案的設計計算主要采用解析法，但利用解析法很難全面而準確的得出降水區(qū)域及周邊范圍內的水流流態(tài)隨時間的變化與發(fā)展。而現(xiàn)代數(shù)值方法可以靈活的建立符合天然流場實際條件的計算機模擬模型，極大的提高了基坑降水方案設計和周圍建筑物沉降觀測與控制工作的效率和準確性。
GMS（Groundwater Modeling System）是目前國際上最先進的綜合性地下水模擬軟件包，可進行地下水流模擬、溶質運移模擬、反應運移模擬等，輔以統(tǒng)一的模型構建、參數(shù)賦值、地質統(tǒng)計、結果分析等前、后處理功能，利于方便快捷的進行數(shù)值模擬計算。本次數(shù)值模擬是利用GMS中的Modflow模塊對基坑降水過程進行模擬預測，從而進行降水方案的優(yōu)化及沉降預測。
2 案例說明及計算模型
2.1基坑基本情況
城區(qū)某處欲建一棟辦公樓，建筑區(qū)域地形平坦，面積70*30m，潛水含水層水位高度為地表以下2m左右，潛水層底板在地表以下10m左右；滲透系數(shù)為k=0.0002m/s，給水度µ =0.12。地下水初始流場已在圖2.1，地下水從西南流向東北，水力梯度變化平緩。根據(jù)施工要求，須將建筑區(qū)地下水位降至地面以下4m，即水位須降至距潛水層底板6m以下。現(xiàn)欲布置工程降水井進行降水，確定合理的降水方案。
2.2計算模型
為了避免抽水井對持力層的擾動和保證基坑邊坡的穩(wěn)定，在實際施工中通常將井點布置在沿基礎輪廓線的外側。因此本基坑采用坑外井點降水方法，根據(jù)經驗沿長方形建筑場地四周布置6口完整井，每口井暫定抽水流量25m3/h。如圖2.1中所示，建筑區(qū)地下水水力坡度平緩，可近似認為區(qū)域內水頭無變化。
圖2.1 建筑區(qū)平面位置及流場圖
2.3模擬結果及分析
對本案例，采用非穩(wěn)定流進行降水的工程模擬，得到各個抽水時間的地下水等水位線圖和相應的水位降深圖。圖2.2圖2.4為抽水66h的地下水等水位線圖和相應的水位降深圖。
圖2.2 抽水66h基坑流場 圖2.3抽水66h基坑縱向中心剖面水位降深 2.4抽水66h基坑橫向中心剖面水位降深
由圖2.2圖2.4可以看出，隨著抽水時間的增加，降落漏斗不斷外擴。抽水66h時降落漏斗外擴到施工區(qū)域以外，地下水位與地表距離大于4m，滿足施工的降深要求。
3 基坑降水引起的地表沉降預測
在基坑周圍沒有設置止水帷幕的情況下，隨著地下水位的不斷降低，基坑降水對周圍已有建筑物將產生附加的不均勻沉降，嚴重時甚至影響其安全。一般情況下要對降水引起的地表沉降量進行預測，必須通過地下水動力學的相關知識計算出相應時間相應地點的地下水水位的降深，這一過程往往繁瑣而復雜，特別是在抽水量根據(jù)降水情況增減時，水位降深更是難以較為準確的得到。而數(shù)值模擬使得這一問題大大簡化，可以根據(jù)需要隨時得到不同抽水量時的水位降深，進而計算出地表最終沉降量，為施工方案的制定及建筑物的保護提供依據(jù)。
3.1 地表最終沉降量
3.1.1 黏性土類
黏性土層每一地下水位差值的沉降量計算式為
，
其中，
為某一水位差作用下引起的地表最終沉降量，
為第i層土平均附加自重應力增量，Ύw為水的重度，n為水位降深范圍內黏性土的土層數(shù)，αvi為第i層土的壓縮系數(shù)，Δhi為水位下降范圍內第i層黏性土的厚度，eoi為第i層土的初始孔隙比。
3.1.2 某時刻某一水位差作用下的沉降量
某時刻的沉降量計算方法為 
，其中，
為某時間段內黏性土層降水引起的地表的固結沉降量，ut為固結度,是時間t的函數(shù)。
3.1.3 碎石土、砂土類
一般認為，砂土類、碎石土類不存在孔隙水壓力消散滯后問題，水位降深達到穩(wěn)定狀態(tài)，土層固結即完成，計算式為
其中，
為水位降深范圍內第j砂層厚度，
為地下水位變化值。
3.1.4 地表某時刻總沉降量
地表某時刻總沉降量為 
4.結論
1）利用GMS對基坑降水引起的地下水位變化進行模擬，使得處理基坑降水中的若干問題得到簡化，為布井方案的優(yōu)化設計與沉降預測提供了一種新思路和工作方法。通過GMS模擬得出的結果圖形簡單明了，形象逼真，特別是遇到規(guī)模較大的降水工程，相對于傳統(tǒng)的計算，GMS更能體現(xiàn)它的優(yōu)勢，更加快速、準確。
2）在降水過程的數(shù)值模擬中可以根據(jù)時間和情況的變化，對抽水量和抽水井做出動態(tài)的改變，使得布井方案得以優(yōu)化，并降低施工成本。
3）對基坑降水的數(shù)值模擬可以直觀得出基坑及其周圍在抽水過程中的地下水位變化情況，據(jù)此可以更加合理的布置沉降觀測點以及得到地表沉降量，對安全施工及臨近建筑物的保護具有積極的效果。
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