一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法，在主回灌井与被保护建筑物间增加辅助回灌井，并在辅助回灌井与被保护建筑物间增加承压含水层水位观测井，辅助回灌井在主回灌井回扬抽水期间被开启以减小或防止被保护建筑位置处承压含水层的水位因主回灌井的回扬抽水而出现较大下降，承压含水层水位观测井则动态观测被保护建筑物位置处承压含水层水位的变化，用以动态调控辅助回灌井。本发明可以有效的减小或防止回灌井回扬抽水过程中不可避免的地面及建筑物沉降，也可以缩短回灌井回扬时间，甚至可以减小回灌井回扬期间抽取的地下水资源以起到环保的作用。
【专利说明】一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于利用回灌控制地面沉降的基坑降水领域，更具体的说，是涉及一种克服回灌井回扬抽水阶段引起的地面及建筑物沉降问题的沉降控制方法。
【背景技术】
[0002]在基坑开挖过程中，经常遇到承压水的控制问题。普遍的做法是利用降压井对承压含水层进行降压。同时，为了减小坑内降水对坑外环境的影响，常常利用隔水帷幕截断承压含水层。但随着基坑开挖深度的增加，需要控制的承压含水层也越来越深，此时如果仍用隔水帷幕截断之，有些地区将使得隔水帷幕深度达到70m以上，而对于这样的工程，通常用地下连续墙作为止水帷幕，这将使得基坑工程耗资巨大，很不经济，同时也增加了施工的难度。
[0003]在这样的背景下，悬挂式止水帷幕的概念即应运而生。但是采用这一做法，将导致坑外受到坑内降水的影响，最显著的就是地面或建筑物沉降，而产生这种沉降的直接原因就是坑外含水层水位的降低。
[0004]因此为了减小或消除坑外水位受坑内降水的影响，在坑外进行地下水回灌的措施正被广泛采用。由于基坑工程中承压水降水的周期较长(即使基坑开挖到底也要进行一段时间的维持性降水)，因此回灌井必须保持较长时间的工作状态。但是回灌井工作时很容易发生井管或过滤层堵塞，其原因有回灌水中参杂悬浮颗粒、岩土化学作用及微生物繁殖并产生沉淀堆积在过滤层等。为解决回灌井长期运行过程中发生的井管堵塞的问题，工程中常采用对回灌井进行周期性回扬抽水的办法以清洗井管及过滤层，并清理掉可能造成井管及过滤层堵塞的物质，回扬抽水的持续时间为若干分钟至若干小时不等。对于天津、上海、杭州等沿海地区由粉土、粉砂等细颗粒构成的承压含水层来说，由于土层渗透性不高，回扬抽水一般需要持续若干小时才能产生较好的清淤效果，而回扬抽水的间隔时间为3-7天，这说明在基坑工程承压含水层降水过程中需要进行很多次的回灌井回扬抽水。郑刚、曾超峰等人在“天津首例基坑工程承压含水层回灌实测研究”的文章中表明对回灌井进行回扬抽水会引起周围建筑物沉降。因此，若采用地下水回灌作为控制基坑降水引起的坑外地面及建筑物沉降的方法，应额外采取措施克服回灌井回扬抽水阶段引起的地面及建筑物沉降的问题。如果该问题得不到解决，则采用回灌措施后反而会加剧地面及建筑物沉降。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的是常规回灌方法中常发生的回灌井回扬抽水阶段引起地面及建筑物沉降的技术问题，提供一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法，该方法可以有效的减小或防止回灌井回扬抽水过程中不可避免的地面及建筑物沉降，也可以缩短回灌井回扬时间，甚至可以减小回灌井回扬期间抽取的地下水资源以起到环保的作用。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现:
[0007]—种基于双井组合式回灌的沉降控制方法，基坑外具有被保护建筑物，所述基坑内设有降压井，该方法按照以下步骤进行:
[0008](I)所述基坑与所述被保护建筑物之间设置至少一口主回灌井，每口所述主回灌井与所述被保护建筑物之间设置一口辅助回灌井，每口所述辅助回灌井与所述被保护建筑物之间设置一口承压含水层水位观测井，确定所述主回灌井、所述辅助回灌井和所述承压含水层观测井的平、立面位置，并在基坑外指定位置成井；
[0009](2)对所述主回灌井进行回灌12-24小时后，启动所述降压井；
[0010](3)所述主回灌井回灌3-7天后，停止对所述主回灌井的回灌，并且进行以下循环:
[0011](a)对所述辅助回灌井进行自然回灌，并且开始对所述主回灌井进行回扬抽水，当观测到所述承压含水层水位观测井中动水位下降至低于承压含水层初始水位线时，进行步骤(b)；
[0012](b)对所述辅助回灌井进行加压回灌，并且停止对所述主回灌井进行回扬抽水，当观测到所述承压含水层水位观测井中动水位高于所述承压含水层初始水位线时，进行步骤(a)；
[0013]直至所述主回灌井的回扬抽水累计达到2-4小时；
[0014](4)对所述主回灌井进行回灌，并且对所述辅助回灌井进行自然回灌，当观测到所述承压含水层水位观测井中动水位至少连续3次上升时，停止对所述辅助回灌井进行自然回灌，并对所述辅助回灌井进行3-6次回扬抽水，每次回扬抽水时间为10-15分钟；
[0015](5)重复步骤(3)?(4)直至关闭所述降压井。
[0016]其中，步骤(I)中所述辅助回灌井与所述主回灌井的立面位置相同，所述辅助回灌井与所述主回灌井的水平距离为所述主回灌井与所述被保护建筑水平距离的0.5-0.8倍。
[0017]其中，步骤(I)中所述承压含水层水位观测井井底端埋深与所述降压井的底端埋深相同，所述承压含水层水位观测井在平面上位于所述辅助回灌井与所述被保护建筑物之间的中间位置。
[0018]优选地，步骤(3)中在第一次进行步骤(a)之前，所述辅助回灌井预先自然回灌2小时-6小时。
[0019]本发明的有益效果是:
[0020](一)本发明的一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法着眼于解决常规回灌方法中常发生的回灌井回扬抽水阶段引起地面及建筑沉降的问题，通过分析常规回灌方法中回灌井回扬抽水引起地面及建筑物沉降的原因，采用在常规回灌方法中的每口回灌井旁增设一口辅助回灌井及承压含水层水位观测井，并确立了辅助回灌井的开启关闭原则，运行持续时间，回扬抽水方案等，以做到辅助回灌井与原有回灌井协调工作的目的。这一双井组合式回灌方法使得辅助回灌井在原有回灌井回扬抽水阶段被开启，首先可以减小或防止原有回灌井在回扬抽水阶段产生的承压含水层水位降深，因而可以减小或防止随之而引起的地面及建筑物沉降。其次，该辅助回灌井可以为原有回灌井的回扬抽水提供部分水源，这一方面可以提高原有回灌井回扬抽水的效率以缩短其持续时间，从而减小因其而产生地面及建筑物沉降的可能，另一方面可以减小回灌井回扬抽水阶段抽取的地下水资源，起到了环保的作用。
[0021](二)本发明的一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法在辅助回灌井与被保护建筑间设置一 口承压含水层水位观测井，以动态观测被保护建筑位置处承压含水层水位的变化，用以动态调控辅助回灌井何时开启，何时关闭，是否加压，以保证回灌井回扬抽水阶段不会引起被保护建筑位置承压含水层水位出现较大下降。该承压含水层水位观测井的存在为该双井组合式回灌方法的能够顺利克服原有回灌方法在回灌井回扬抽水阶段引起地面及建筑物沉降的问题提供保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是常规回灌方法中回灌井与基坑内降压井协同作用下承压含水层的水位线分布示意图；
[0023]图2为常规回灌方法中对回灌井进行回扬抽水后承压含水层的水位线分布示意图；
[0024]图3是本发明所提供的基于双井组合式回灌的沉降控制方法中主回灌井、辅助回灌井井、承压含水层水位观测井的平面位置关系图；
[0025]图4是本发明所提供的基于双井组合式回灌的沉降控制方法中主回灌井、辅助回灌井井、承压含水层水位观测井的立面位置关系图；
[0026]图5是本发明所提供的基于双井组合式回灌的沉降控制方法中主回灌井、辅助回灌井同时回灌时承压含水层的水位线分布示意图；
[0027]图6是本发明所提供的基于双井组合式回灌的沉降控制方法中主回灌井回扬抽水后承压含水层的水位线分布示意图；
[0028]图7是本发明所提供的基于双井组合式回灌的沉降控制方法中主回灌井回扬抽水结束后继续回灌时承压含水层的水位线分布示意图；
[0029]图8是本发明所提供的基于双井组合式回灌的沉降控制方法中关闭辅助回灌井而主回灌井继续回灌过程中承压含水层的水位线分布示意图。
[0030]图中:1-1，主回灌井；1_2，辅助回灌井；2，基坑；3，降压井；4，承压含水层；
[0031]5-1，承压含水层初始水位线；5_2，承压含水层降落漏斗；6_1，水位抬升反漏斗；
[0032]6-2，双井水位抬升反漏斗；7，被保护建筑物；8_1，回扬抽水降落漏斗；
[0033]8-2，抽水-回灌混合水位线；9，承压含水层水位观测井；10，隔水土层；
[0034]11-1，主回灌井过滤器；11-2，辅助回灌井过滤器；11_3，承压含水层水位观测井过滤器；
[0035]11-4，降压井过滤器；12，止水帷幕。
【具体实施方式】
[0036]首先，介绍一下常规回灌方法中由于周期性的回扬抽水而导致基坑外地面及建筑物出现沉降的原因。图1为常规回灌方法中主回灌井1-1与基坑2内降压井3协同工作下承压含水层4水位分布示意图。图中的承压含水层初始水位线5-1为天然状态下承压含水层4在坑外的水位位置；承压含水层降落漏斗5-2为没有主回灌井1-1的条件下基坑2内降水后承压含水层4在坑外的水位位置。而主回灌井1-1与降压井3协同工作下在主回灌井1-1周围将形成水位抬升反漏斗6-1，该水位抬升反漏斗6-1描述的是主回灌井1-1进行回灌后其周围承压含水层4水位位置的形貌。可以看出，在基坑2内降压井3的降水过程中，如果采用主回灌井1-1在坑外对承压含水层4进行地下水回灌，则可以提高主回灌井1-1周围位置的承压含水层4水位，使得基坑2外侧的被保护建筑7所在位置下方的承压含水层4水位保持在承压含水层初始水位线5-1的位置，从而避免引起被保护建筑7的沉降。
[0037]图2为对主回灌井1-1进行回扬抽水后承压含水层4水位分布示意图，图中也绘制了承压含水层初始水位线5-1及水位抬升反漏斗6-1以作为对比。可以看出，主回灌井1-1回扬抽水后，其周围的承压含水层4的水位将发生一定下降，在坑外形成回扬抽水降落漏斗8-1。而回扬抽水降落漏斗8-1与回扬抽水前的水位抬升反漏斗6-1之差，即为主回灌井1-1回扬抽水阶段承压含水层4的坑外水位降深Ah。根据太沙基有效应力原理，这部分水位降深Ah将引起地面及被保护建筑物7沉降。
[0038]为了克服上述常规回灌方法中主回灌井1-1回扬抽水阶段产生的承压含水层4在坑外的水位下降并进一步引起地面及被保护建筑物7沉降的问题，本发明设计了一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法，如图3所示，即在每一口主回灌井1-1与被保护建筑物7间增加一 口辅助回灌井1-2，并在每一 口辅助回灌井1-2与被保护建筑物7间增加一 口承压含水层水位观测井9，辅助回灌井1-2在主回灌井1-1回扬抽水期间被开启以减小或防止被保护建筑7位置处承压含水层4的水位因主回灌井1-1的回扬抽水而出现较大下降，承压含水层水位观测井9则动态观测被保护建筑物7位置处承压含水层4水位的变化，用以动态调控辅助回灌井1-2。
[0039]首先，如图3、4所示，确定主回灌井1-1的平、立面位置。通过区分基坑2与被保护建筑物7之间的隔水土层10和拟回灌承压含水层4，确定主回灌井1-1的立面位置。一般地，主回灌井过滤器11-1应当贯穿承压含水层4，但对于图4中承压含水层4较厚(20-40m)的情况，可取主回灌井过滤器11-1底端低于基坑2的止水帷幕12底端H=5m-10m，以保证回灌效果。通过基坑2的止水帷幕12和被保护建筑7的位置确定主回灌井1-1的水平位置，主回灌井1-1与止水帷幕12的水平距离为D，主回灌井1-1与被保护建筑7的水平距离为D’，保证D’ /D的范围为0.2-1即可。
[0040]其次，如图3、4所示，根据主回灌井1-1的平、立面位置，确定辅助回灌井1-2的平、立面位置。由于辅助回灌井1-2的功能与主回灌井1-1相仿，因此辅助回灌井1-2采用与主回灌井1-1同样的立面布置，而辅助回灌井1-2在平面上与主回灌井1-1的水平距离d应满足d/D’的范围为0.5-0.8。
[0041]再次，如图3、4所示，确定承压含水层水位观测井9的平、立面位置。承压含水层水位观测井过滤器11-3的底端埋深与基坑2内降压井过滤器11-4的底端埋深一致，而承压含水层水位观测井9在平面上位于辅助回灌井1-2与被保护建筑物7之间的中间位置，即承压含水层水位观测井9与辅助回灌井1-2的水平距离d’ =(D’ -d)/2。
[0042]按照上述方法确定好主回灌井1-1、辅助回灌井1-2及承压含水层水位观测井9的平、立面位置后，将三者在基坑2外指定位置成井。
[0043]在基坑2内降压井3启动之前12-24小时，对主回灌井1_1进行回灌，以将坑外承压含水层4的水位预先轻微抬起。
[0044]对主回灌井1-1进行回灌的过程中，需对其进行周期性的回扬抽水，以清理掉可能造成主回灌井1-1井管堵塞的物质。一般地，对主回灌井1-1进行回灌累计达到3-7天后，需对其停止回灌，并进行一次回扬抽水，回扬抽水持续时间为2-4小时。[0045]对主回灌井1-1每次回扬抽水之前，需提前2-6小时通过辅助回灌井1-2进行自然回灌。此时，在主回灌井1-1和辅助回灌井1-2周围可以形成双井水位抬升反漏斗6-2，如图5所示，该双井水位抬升反漏斗6-2描述的是主回灌井1-1与辅助回灌井1-2同时进行回灌后其周围承压含水层4水位位置的形貌。在主回灌井1-1回扬抽水前的辅助回灌井1-2自然回灌过程中，以30分钟-2小时一次的频率观测承压含水层水位观测井9的动水位，可以观测到承压含水层水位观测井9的动水位始终高于承压含水层初始水位线5-1。
[0046]开始对主回灌井1-1进行回扬抽水，辅助回灌井1-2仍处于自然回灌状态，但是主回灌井1-1与辅助回灌井1-2周围仍会出现一定水位下降，并形成抽水-回灌混合水位线8-2，如图6所示，其描述的是主回灌井1-1回扬抽水与辅助回灌井1-2回灌(包括自然回灌和加压回灌)注水同时进行时主回灌井1-1与辅助回灌井1-2周围承压含水层4水位位置的形貌。在对主回灌井1-1进行回扬抽水期间，以10分钟-30分钟一次的监测频率观测承压含水层水位观测井9的动水位。当承压含水层水位观测井9的动水位下降至低于承压含水层初始水位线5-1时，对辅助回灌井1-2进行加压回灌，并暂时停止对主回灌井1-1进行回扬抽水，以保证被保护建筑物7位置处的承压含水层4水位不会出现较大的下降，从而避免被保护建筑物7发生沉降。若承压含水层水位观测井10观测到其中动水位又高于承压含水层初始水位线5-1时，再次对主回灌井1-1进行回扬抽水，同时对辅助回灌井1-2进行自然回灌，循环操作上述步骤直至主回灌井1-1的回扬抽水累计达到2-4小时，即可停止对主回灌井1-1的单次回扬抽水过程。
[0047]主回灌井1-1每次回扬抽水完毕后，再次对主回灌井1-1进行回灌，辅助回灌井1-2则仍处于自然回灌工作状态，承压含水层水位观测井9的监测频率仍为10分钟-30分钟一次。此时双井水位抬升反漏斗6-2又被重新建立起来，如图7所示。当观测到承压含水层水位观测井9的动水位至少连续3次上升时，则停止对辅助回灌井1-2的自然回灌，此时双井水位抬升反漏斗6-2又逐渐变成常规回灌方法中主回灌井1-1周围形成的水位抬升反漏斗6-1,如图8所示。
[0048]由于辅助回灌井1-2并不用一直工作，仅在主回灌井1-1回扬抽水开始前若干小时至主回灌井1-1回扬抽水结束后若干小时内进行地下水回灌，因此不用对辅助回灌井1-2进行专门的回扬抽水，而可以采用在主回灌井1-1回灌注水过程中对辅助回灌井1-2进行3-6次短时间的回扬抽水，回扬时间为5-15分钟即可，这对图8中的水位抬升反漏斗6-1影响很小。
[0049]由上述过程的描述和分析可见，采用基于双井组合式回灌的沉降控制方法中可以保证主回灌井1-1回扬抽水过程中被保护建筑物7位置处承压含水层4的水位不会出现较大下降，因此能够有效的克服常规回灌方法中常出现的主回灌井1-1回扬抽水过程中被保护建筑7出现沉降的问题。此外，通过辅助回灌井1-2进行回灌也为承压含水层4提供了一定的补充水源，进而为主回灌井1-1回扬抽水提供了部分水源，一方面可以加速主回灌井1-1的回扬过程，另一方面也减少了主回灌井1-1回扬过程中抽取的地下水资源，起到环保的作用。
[0050]下面以一个模拟工程实例介绍本发明的基于双井组合式回灌的沉降控制方法:
[0051]( I)探明基坑2与被保护建筑7之间土层分布，区分隔水土层10和拟回灌承压含水层4，确定主回灌井1-1、辅助回灌井1-2及承压含水层水位观测井9的平、立面位置。[0052]本例中承压含水层4较厚，可取主回灌井过滤器11-1和辅助回灌井过滤器11-2底端低于基坑2的止水帷幕12底端H=5m以保证回灌效果。而承压含水层水位观测井过滤器11-3底端埋深与基坑2内降压井3底端埋深一致。主回灌井1-1与基坑2的止水帷幕12的水平距离D=IOm,主回灌井1-1与被保护建筑7的水平距离为D’ =10m，主回灌井1-1与辅助回灌井1-2的水平距离d=5m，辅助回灌井1-2与承压含水层水位观测井9的水平距离 d，=2.5mo
[0053]确定好主回灌井1-1、辅助回灌井1-2及承压含水层水位观测井9的平、立面位置后，将三者在基坑2外指定位置成井。
[0054](2)在基坑2内降压井3启动前12小时开启主回灌井1_1进行回灌，以将坑外承压含水层4的水位预先轻微抬起。
[0055](3)主回灌井1-1进行回灌达到5天后，对主回灌井1-1开展一次回扬抽水过程。
[0056]而每次对主回灌井1-1进行回扬抽水过程之前，须让辅助回灌井1-2预先自然回灌4小时，并观测承压含水层水位观测井9的动水位，观测频率为I小时一次。
[0057]每次对主回灌井1-1的回扬抽水过程具体如下:
[0058]开始对主回灌井1-1进行回扬抽水，此时辅助回灌井1-2仍处于自然回灌状态，而承压含水层水位观测井9的监测频率为30分钟一次，若观测到承压含水层水位观测井9的水位低于承压含水层初始水位线5-1时，则对辅助回灌井1-2进行加压回灌，并停止对主回灌井1-1进行回扬抽水，以保证被保护建筑物7下的承压含水层4水位不会出现较大的下降，当观测到承压含水层水位观测井9的水位又高于承压含水层初始水位线5-1时，再次开始对主回灌井1-1进行回扬抽水，并对辅助回灌井1-2进行自然回灌，如此重复直至主回灌井1-1的回扬抽水累计达到2小时，这样主回灌井1-1的单次回扬抽水过程完毕。
[0059](4)主回灌井1-1的回扬抽水过程完毕后，则再一次对主回灌井1-1开始进行回灌，此时辅助回灌井1-2仍处于自然回灌工作状态，而承压含水层水位观测井9的监测频率仍为10分钟-30分钟一次。当观测到承压含水层水位观测井9的水位连续3次上升时，则停止对辅助回灌井1-2的回灌，并在主回灌井1-1进行下一次回扬抽水之前对辅助回灌井1-2进行5次回扬抽水，每次回扬抽水时间为10分钟。
[0060]重复步骤(3)?(4)直至基坑2内降压井3被关闭为止。
[0061]尽管上面结合附图和优选实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法，基坑外具有被保护建筑物，所述基坑内设有降压井，其特征在于，该方法按照以下步骤进行: (1)所述基坑与所述被保护建筑物之间设置至少一口主回灌井，每口所述主回灌井与所述被保护建筑物之间设置一口辅助回灌井，每口所述辅助回灌井与所述被保护建筑物之间设置一口承压含水层水位观测井，确定所述主回灌井、所述辅助回灌井和所述承压含水层观测井的平、立面位置，并在基坑外指定位置成井； (2)对所述主回灌井进行回灌12-24小时后，启动所述降压井； (3)所述主回灌井回灌3-7天后，停止对所述主回灌井的回灌，并且进行以下循环: (a)对所述辅助回灌井进行自然回灌，并且开始对所述主回灌井进行回扬抽水，当观测到所述承压含水层水位观测井中动水位下降至低于承压含水层初始水位线时，进行步骤(b)； (b)对所述辅助回灌井进行加压回灌，并且停止对所述主回灌井进行回扬抽水，当观测到所述承压含水层水位观测井中动水位高于所述承压含水层初始水位线时，进行步骤(a)； 直至所述主回灌井的回扬抽水累计达到2-4小时； (4)对所述主回灌井进行回灌，并且对所述辅助回灌井进行自然回灌，当观测到所述承压含水层水位观测井中动水位至少连续3次上升时，停止对所述辅助回灌井进行自然回灌，并对所述辅助回灌井进行3-6次回扬抽水，每次回扬抽水时间为10-15分钟； (5)重复步骤(3)?(4)直至关闭所述降压井。
2.根据权利要求1所述的一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法，其特征在于，步骤(I)中所述辅助回灌井与所述主回灌井的立面位置相同，所述辅助回灌井与所述主回灌井的水平距离为所述主回灌井与所述被保护建筑水平距离的0.5-0.8倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法，其特征在于，步骤(I)中所述承压含水层水位观测井井底端埋深与所述降压井的底端埋深相同，所述承压含水层水位观测井在平面上位于所述辅助回灌井与所述被保护建筑物之间的中间位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于双井组合式回灌的沉降控制方法，其特征在于，步骤(3)中在第一次进行步骤(a)之前，所述辅助回灌井预先自然回灌2小时-6小时。
【文档编号】E02D3/10GK103790150SQ201410027014
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】郑刚, 曾超峰, 薛秀丽 申请人:天津大学