基坑水平降水的数学模型及应用
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摘要
随着高层建筑、地铁、长大隧道等工程的发展，降低地下水位的问题日益突出。在基坑降水中，垂直井点降水技术是目前广泛采用的一类降水技术。水平井技术，又称辐射井技术，是在降水场地设置集水竖井，于竖井中的不同深度和方向打上水平井点，使地下水通过水平井点流入集水竖井中，再用水泵将水抽出，以达到降低地下水的目的。工程实践表明，水平降水有较高的效率。
首先对渗流基本理论做了较全面的回顾；对有限单元法在渗流方面的应用做了较系统的研究。其次建立了水平单井在基坑降水中的数学模型并编制了三维有限元计算程序。用理想模型和工程实际对模型进行计算分析和对比，得出了水平单井在基坑降水中的一些基本规律。
水平井流的新模型及模拟方法就渗流问题而言，水平井的进水井壁是其边界，因为井管内的水流已不是渗流。但是水平井井壁处的水力条件(边界条件)很难严格给定。然而若将其边界移至水平井的出水口处，则此处的边界条件却十分易于确定。
三维问题中，抽水竖井的处理是一个难点。本文将抽水井当作一个与圆筒轴长相同的等效方形简单元来处理。此程序可以模拟单井抽水时计算区域各点水位降深随时间的变化，研究水流运动规律；求解任意边界条件下的井定流量抽水问题，预测潜水位，指导施工开挖进度，评价降水方案的合理性。
Along with the developments of skyscraper, subwsty, long tunnel, etc. The problem that lower the underground water level is increasingly outstanding. During the hole precipitation of the base, The precipitation technology of the perpendicular well is a kind of precipitation technology that is adopted extensively at present. Horizontal well technology, have another name called the well technology of radiation, sets up perpendicular well in the precipitation place, And direction horizontal well in the different degrees of depths of perpendicular well, make groundwater pass the horizontal well to flow into the collect water perpendicular well, Take water out with the water pump again, in order to achieve the goal of reducing the groundwater. The project practice indicates, there is relatively high efficiency in horizontal precipitation.
Have done relatively overall retrospect to the basic theory of the influent at first; Have done relatively systematic research to the application of Finite element in influent of seepage. Secondly set up the well mathematics model during the hole precipitation of the base of horizontal well and worked out the three-dimensional finite element calculation procedure. Carry on computational analysis and compare the model with actually with ideal model and project, Have drawn some basic laws during the hole precipitation of the base of well of horizontal well.
And as regards seepage question, the boundary of horizontal well is its borehole wall. The rivers in because the well is in charge of has not already been the seepage. But in the horizontal well borehole wall, the hydraulic condttions(boundary conditions) is very difficult to rigorously enforce the setting. But if move at to produce water mouthfuls of place horizontal wells, then here very much easy to determine the boundary conditions.
In the three-dimensional question, the treatment drawing water in the shaft is a difficult point. This texts regards the shaft as one well unit equivalent square length of the drum. This procedure can imitate the single well pumps water the chronometer calculates at all point water level in district declines deep with horary variety; Study the sport law of the rivers; solve definitely flow draw water issue wanton boundary the wells of termses, predict that dives under water in the location, Guide and construct and excavate the progress, appraise the rationality of the precipitation scheme.
首先对渗流基本理论做了较全面的回顾；对有限单元法在渗流方面的应用做了较系统的研究。其次建立了水平单井在基坑降水中的数学模型并编制了三维有限元计算程序。用理想模型和工程实际对模型进行计算分析和对比，得出了水平单井在基坑降水中的一些基本规律。
水平井流的新模型及模拟方法就渗流问题而言，水平井的进水井壁是其边界，因为井管内的水流已不是渗流。但是水平井井壁处的水力条件(边界条件)很难严格给定。然而若将其边界移至水平井的出水口处，则此处的边界条件却十分易于确定。
三维问题中，抽水竖井的处理是一个难点。本文将抽水井当作一个与圆筒轴长相同的等效方形简单元来处理。此程序可以模拟单井抽水时计算区域各点水位降深随时间的变化，研究水流运动规律；求解任意边界条件下的井定流量抽水问题，预测潜水位，指导施工开挖进度，评价降水方案的合理性。
Along with the developments of skyscraper, subwsty, long tunnel, etc. The problem that lower the underground water level is increasingly outstanding. During the hole precipitation of the base, The precipitation technology of the perpendicular well is a kind of precipitation technology that is adopted extensively at present. Horizontal well technology, have another name called the well technology of radiation, sets up perpendicular well in the precipitation place, And direction horizontal well in the different degrees of depths of perpendicular well, make groundwater pass the horizontal well to flow into the collect water perpendicular well, Take water out with the water pump again, in order to achieve the goal of reducing the groundwater. The project practice indicates, there is relatively high efficiency in horizontal precipitation.
Have done relatively overall retrospect to the basic theory of the influent at first; Have done relatively systematic research to the application of Finite element in influent of seepage. Secondly set up the well mathematics model during the hole precipitation of the base of horizontal well and worked out the three-dimensional finite element calculation procedure. Carry on computational analysis and compare the model with actually with ideal model and project, Have drawn some basic laws during the hole precipitation of the base of well of horizontal well.
And as regards seepage question, the boundary of horizontal well is its borehole wall. The rivers in because the well is in charge of has not already been the seepage. But in the horizontal well borehole wall, the hydraulic condttions(boundary conditions) is very difficult to rigorously enforce the setting. But if move at to produce water mouthfuls of place horizontal wells, then here very much easy to determine the boundary conditions.
In the three-dimensional question, the treatment drawing water in the shaft is a difficult point. This texts regards the shaft as one well unit equivalent square length of the drum. This procedure can imitate the single well pumps water the chronometer calculates at all point water level in district declines deep with horary variety; Study the sport law of the rivers; solve definitely flow draw water issue wanton boundary the wells of termses, predict that dives under water in the location, Guide and construct and excavate the progress, appraise the rationality of the precipitation scheme.
引文
【1】金为芝 史文仪，供水水文地质学，同济大学出版社，1989．12
【2】张宏仁等编译，地下水非稳定流理论的发展和应用，地质出版社 1975．11
【3】陈雨孙，地下水运动与资源评价，中国建筑工业出版社 1986
【4】薛禹群，地下水动力学原理，地质出版社 1986．12
【5】张蔚榛，地下水非稳定流计算和地下水资源评价，科学出版社，1983
【6】金为芝，水文地质工程地质数值法，同济大学出版社 1992
【7】黄运飞，深基坑工程实用技术，兵器工业出版社 1996
【8】张永波，孙新忠编著 基坑降水工程，地震出版社 2000．1
【9】邹正盛、孙长军、赵智荣，我国基坑水平井降水技术现状与展望，城建工程，2000．1
【10】毛昶熙，渗流计算分析与控制，水利电力出版社，1990
【11】苑莲菊，工程渗流力学及应用，中国建材工业出版社，2001
【12】顾慰慈，渗流计算原理及应用，中国建材工业出版社，2000、6
【13】朱伯芳，有限单元法原理与应用，中国水利水电出版社，2001．7
【14】杜延龄、许国安，渗流分析的有限元法和电网络法，水利电力出版社 1992
【15】陕西省水利科学研究所、陕西省地下水工作队，辐射井，1980
【16】邹正盛 刘明辉 赵智荣，基坑降水“疏不干”问题及其工程对策，长春科技大学学报，2001．4
【17】陈崇希，关于地下水开采引发地面沉降的思考，水文地质工程地质，2000．1
【18】张治晖、伍军、赵华、徐景东，辐射井降水技术在市政工程中的应用，中国市政工程，1999．9
【19】程林松、朗兆新，水平井油一水两相渗流的有限元方法，水动力学研究与进展，1995．6
【20】苏学清 齐之龙 郝玉生 卢玉南，基坑降水中几个值得注意的问题，勘察科学技术，1999．2
【21】(美)[H．舒尔茨]Herbert Schildt，C++基础教程，清华大学出版社 2002
【22】钱能，C++ 程序设计教程，清华大学出版社1999
【23】谭浩强、张基温，C／C++程序设计教程，高等教育出版社 2001
【24】张治晖，“疏不干含水层”的辐射井降水技术，岩土工程技术，2000．3
【25】周维博、何武全，辐射井定流量抽水时非稳定流计算，水利学报，1997．2
【26】许荫椿 胡德保 薛朝阳，水力学，科学出版社1990．8
【27】王致清，流体力学基础，高等教育出版社，1987
【28】陈崇希，岩溶管道—裂隙—孔隙三重介质地下水流模型及模拟方法研究，地球科学——中国地质大学学报，1995，20(4)
【29】成建梅、陈崇希，北山岩溶管道—裂隙—孔隙地下水流数值模拟初探，水文地质工程地质，1994(4)
【30】雅·贝·尔著，许消铭等译，地下水水力学，1985
【31】许光祥，哈秋舲，杨斌，裂隙岩体渗流与卸荷力学耦合作用及隙排水研究，重庆大学出版社 2003
【32】周长发，科学与工程数值算法(Visual C++版)，清华大学出版社 2002
【33】杨菊生，有限元法程序设计，西安交通大学出版社1990
【34】陈坚，实用Visual C++ 编程大全，西安电子科技大学出版社 2000
【35】[美]库克，R．D，有限元分析的概念和应用，科学出版社1989
【36】[美]劳尔，S．S．，傅子智，工程中的有限元法，科学出版社 1991
【37】陈崇希，成建梅，关于滑坡防治中排水模式的思考——以长江三峡黄腊石滑坡为例，地球科学——中国地质大学学报，1998，23
【38】王允麒、王涟、孙存忠，辐射管集水计算模型研究，工程勘察，1994(5)
【39】李金轩，边坡水平排水孔幕的渗流计算，煤田地质与勘察，2003．4
【40】王镭、刘中、张有天，有排水孔幕的渗流分析，水利学报，1992．4
【41】王恩志、王洪涛、邓旭东，“以管代孔”——排水孔模拟方法探讨，岩石力学与工程学报，2001．5
【42】Chen C X,Jiao J J.Numerical simulation of pumping test in multilayer wells with non- Darcian flow in the wellbore[J].Ground Water, 1999, 37(3)
【43】Zhan Mei-li, Su Bao-yu, Liu Jun-yong、Shen Zhen-zhong, New Method Of Simulating Concentrated Drain Holes In Seepage Control Analysis,Journal of Hydrodynamics,Ser.B,3(1999)
【44】Falta R W, Analytical solution for gas-flow due to gas injection and extraction from horizontal-well,Ground water,1994,33
【45】Tarshish M,Combined mathematical model of flow in an aquifer horizontal well system,Ground Water,1992.30(6)
【46】Festus F. Akindunni and R. W. Gillham, Unsaturated and saturated flow in reslPonse to pumicing of an unconfined aquifer:numerical investigation of delayed drainage,Ground water,1992(30)6,873～883
【47】Combined mathematical model of flow in an aquifer -horizontal well system,Michacal Tarshish,Ground water,1992(30)6,931～935
【48】Stanleys.Smith、MyronB.Allen、Jay Puckett and Thomas Edgar,The finite layer method for ground water flow models,Water resources research,1992(28)6,1715～1722
【49】张治晖、伍军、张治吴，“疏不干”含水层的辐射井降水技术，岩土工程技术，2000．3
【50】孙鹰、郭小明，非稳态渗流的自由边界问题，应用数学和力学，1999．7
【51】陈彦文、吴江、谢修庆，基坑降水的设计与施工，沈阳建筑工程学院学报(自然科学版)2001．3
【52】卢德生、王炳龙，基坑降水的非完整井流计算，岩土工程技术，1998．2
【53】王国强、徐万斌等，辐射井在贫水地区的应用，水文地质与工程地质，2002．5
【54】张治晖、伍军、赵华、徐景东，辐射井降水技术在市政工程中的应用，中国市政工程，1999．3
【55】王家禄，水平井开采石油遇到的几个流体力学问题，力学与实践，2000．1
【56】陈崇希、万军伟，地下水水平井流的模型及数值模拟方法——考虑井管内
不同流态，地球科学——中国地质大学学报，2002．2
【57】王卫红、王爱华，水平井产量公式分析，石油勘探与开发，1997．10
【58】吴昌瑜、李思慎、谢红，深基坑开挖中的降水设计问题，岩土工程学报，1999(21)3，348～350
【59】马丽丽，深基坑开挖中的水文地质问题，工程勘察，1996、2，25～29
【60】徐洪安，黄土地层基坑排水井的设计及成井技术，地下水，1992(14)3，140～143
【61】薛根良，黄土地下水的补给与赋存形式探讨，水文地质工程地质，1995、1，38～39
【62】叶发广、葛树高、伍军、张治珲，水平井降水技术在热力隧道暗挖工程中的应用，水文地质工程地质，1998、3，53～54
【63】王新民、刘金英，三维潜水非稳定流反问题的变分有限元法，水文地质工程地质，1996、2，21～24
【64】李国敏、石钦周、马英杰，郑州北郊水源地地下水流三维有限元模拟，水文地质工程地质，1996、5，4～7
【65】李云山、李清欣 高秋惠，孔隙潜水井水跃值影响因素及相关方程的探讨，地下水，1994(16)1，31～34
【66】姚旭初、万力，基坑降水中非稳定井流计算，工程勘察，1999、3
【67】王文科，求解地下水非稳定流问题的局部坐标有限分析法，长春地质学院学报，1995(25)4，415～421
【68】葛晓云，任意强度补给边界附近单井的非稳定流公式，水文地质工程地质，1991(18)3
【69】薛凤海，关于用有限元法计算一类边界流量及水力坡度问题的探讨，水利学报，1992、7，57～61
【70】陈雨孙，解析有限单元法的基本原理，工程勘察，1994、5，25～43
【71】余颖禾，具有自由边界的二维渗流问题，应用数学和力学，1996(17)6，523～527
【72】速宝玉，不变网格确定渗流自由面的节点虚流量法，河海大学学报，1991(19)5，114～117
【73】张有天、陈平、王镭，有自由面渗流分析得初流量法，水利学报，1988、8，18～25
【74】王贤能、黄润秋，有自由面渗流分析的高斯点法，水文地质工程地质，1997、6，1～4
【2】张宏仁等编译，地下水非稳定流理论的发展和应用，地质出版社 1975．11
【3】陈雨孙，地下水运动与资源评价，中国建筑工业出版社 1986
【4】薛禹群，地下水动力学原理，地质出版社 1986．12
【5】张蔚榛，地下水非稳定流计算和地下水资源评价，科学出版社，1983
【6】金为芝，水文地质工程地质数值法，同济大学出版社 1992
【7】黄运飞，深基坑工程实用技术，兵器工业出版社 1996
【8】张永波，孙新忠编著 基坑降水工程，地震出版社 2000．1
【9】邹正盛、孙长军、赵智荣，我国基坑水平井降水技术现状与展望，城建工程，2000．1
【10】毛昶熙，渗流计算分析与控制，水利电力出版社，1990
【11】苑莲菊，工程渗流力学及应用，中国建材工业出版社，2001
【12】顾慰慈，渗流计算原理及应用，中国建材工业出版社，2000、6
【13】朱伯芳，有限单元法原理与应用，中国水利水电出版社，2001．7
【14】杜延龄、许国安，渗流分析的有限元法和电网络法，水利电力出版社 1992
【15】陕西省水利科学研究所、陕西省地下水工作队，辐射井，1980
【16】邹正盛 刘明辉 赵智荣，基坑降水“疏不干”问题及其工程对策，长春科技大学学报，2001．4
【17】陈崇希，关于地下水开采引发地面沉降的思考，水文地质工程地质，2000．1
【18】张治晖、伍军、赵华、徐景东，辐射井降水技术在市政工程中的应用，中国市政工程，1999．9
【19】程林松、朗兆新，水平井油一水两相渗流的有限元方法，水动力学研究与进展，1995．6
【20】苏学清 齐之龙 郝玉生 卢玉南，基坑降水中几个值得注意的问题，勘察科学技术，1999．2
【21】(美)[H．舒尔茨]Herbert Schildt，C++基础教程，清华大学出版社 2002
【22】钱能，C++ 程序设计教程，清华大学出版社1999
【23】谭浩强、张基温，C／C++程序设计教程，高等教育出版社 2001
【24】张治晖，“疏不干含水层”的辐射井降水技术，岩土工程技术，2000．3
【25】周维博、何武全，辐射井定流量抽水时非稳定流计算，水利学报，1997．2
【26】许荫椿 胡德保 薛朝阳，水力学，科学出版社1990．8
【27】王致清，流体力学基础，高等教育出版社，1987
【28】陈崇希，岩溶管道—裂隙—孔隙三重介质地下水流模型及模拟方法研究，地球科学——中国地质大学学报，1995，20(4)
【29】成建梅、陈崇希，北山岩溶管道—裂隙—孔隙地下水流数值模拟初探，水文地质工程地质，1994(4)
【30】雅·贝·尔著，许消铭等译，地下水水力学，1985
【31】许光祥，哈秋舲，杨斌，裂隙岩体渗流与卸荷力学耦合作用及隙排水研究，重庆大学出版社 2003
【32】周长发，科学与工程数值算法(Visual C++版)，清华大学出版社 2002
【33】杨菊生，有限元法程序设计，西安交通大学出版社1990
【34】陈坚，实用Visual C++ 编程大全，西安电子科技大学出版社 2000
【35】[美]库克，R．D，有限元分析的概念和应用，科学出版社1989
【36】[美]劳尔，S．S．，傅子智，工程中的有限元法，科学出版社 1991
【37】陈崇希，成建梅，关于滑坡防治中排水模式的思考——以长江三峡黄腊石滑坡为例，地球科学——中国地质大学学报，1998，23
【38】王允麒、王涟、孙存忠，辐射管集水计算模型研究，工程勘察，1994(5)
【39】李金轩，边坡水平排水孔幕的渗流计算，煤田地质与勘察，2003．4
【40】王镭、刘中、张有天，有排水孔幕的渗流分析，水利学报，1992．4
【41】王恩志、王洪涛、邓旭东，“以管代孔”——排水孔模拟方法探讨，岩石力学与工程学报，2001．5
【42】Chen C X,Jiao J J.Numerical simulation of pumping test in multilayer wells with non- Darcian flow in the wellbore[J].Ground Water, 1999, 37(3)
【43】Zhan Mei-li, Su Bao-yu, Liu Jun-yong、Shen Zhen-zhong, New Method Of Simulating Concentrated Drain Holes In Seepage Control Analysis,Journal of Hydrodynamics,Ser.B,3(1999)
【44】Falta R W, Analytical solution for gas-flow due to gas injection and extraction from horizontal-well,Ground water,1994,33
【45】Tarshish M,Combined mathematical model of flow in an aquifer horizontal well system,Ground Water,1992.30(6)
【46】Festus F. Akindunni and R. W. Gillham, Unsaturated and saturated flow in reslPonse to pumicing of an unconfined aquifer:numerical investigation of delayed drainage,Ground water,1992(30)6,873～883
【47】Combined mathematical model of flow in an aquifer -horizontal well system,Michacal Tarshish,Ground water,1992(30)6,931～935
【48】Stanleys.Smith、MyronB.Allen、Jay Puckett and Thomas Edgar,The finite layer method for ground water flow models,Water resources research,1992(28)6,1715～1722
【49】张治晖、伍军、张治吴，“疏不干”含水层的辐射井降水技术，岩土工程技术，2000．3
【50】孙鹰、郭小明，非稳态渗流的自由边界问题，应用数学和力学，1999．7
【51】陈彦文、吴江、谢修庆，基坑降水的设计与施工，沈阳建筑工程学院学报(自然科学版)2001．3
【52】卢德生、王炳龙，基坑降水的非完整井流计算，岩土工程技术，1998．2
【53】王国强、徐万斌等，辐射井在贫水地区的应用，水文地质与工程地质，2002．5
【54】张治晖、伍军、赵华、徐景东，辐射井降水技术在市政工程中的应用，中国市政工程，1999．3
【55】王家禄，水平井开采石油遇到的几个流体力学问题，力学与实践，2000．1
【56】陈崇希、万军伟，地下水水平井流的模型及数值模拟方法——考虑井管内
不同流态，地球科学——中国地质大学学报，2002．2
【57】王卫红、王爱华，水平井产量公式分析，石油勘探与开发，1997．10
【58】吴昌瑜、李思慎、谢红，深基坑开挖中的降水设计问题，岩土工程学报，1999(21)3，348～350
【59】马丽丽，深基坑开挖中的水文地质问题，工程勘察，1996、2，25～29
【60】徐洪安，黄土地层基坑排水井的设计及成井技术，地下水，1992(14)3，140～143
【61】薛根良，黄土地下水的补给与赋存形式探讨，水文地质工程地质，1995、1，38～39
【62】叶发广、葛树高、伍军、张治珲，水平井降水技术在热力隧道暗挖工程中的应用，水文地质工程地质，1998、3，53～54
【63】王新民、刘金英，三维潜水非稳定流反问题的变分有限元法，水文地质工程地质，1996、2，21～24
【64】李国敏、石钦周、马英杰，郑州北郊水源地地下水流三维有限元模拟，水文地质工程地质，1996、5，4～7
【65】李云山、李清欣 高秋惠，孔隙潜水井水跃值影响因素及相关方程的探讨，地下水，1994(16)1，31～34
【66】姚旭初、万力，基坑降水中非稳定井流计算，工程勘察，1999、3
【67】王文科，求解地下水非稳定流问题的局部坐标有限分析法，长春地质学院学报，1995(25)4，415～421
【68】葛晓云，任意强度补给边界附近单井的非稳定流公式，水文地质工程地质，1991(18)3
【69】薛凤海，关于用有限元法计算一类边界流量及水力坡度问题的探讨，水利学报，1992、7，57～61
【70】陈雨孙，解析有限单元法的基本原理，工程勘察，1994、5，25～43
【71】余颖禾，具有自由边界的二维渗流问题，应用数学和力学，1996(17)6，523～527
【72】速宝玉，不变网格确定渗流自由面的节点虚流量法，河海大学学报，1991(19)5，114～117
【73】张有天、陈平、王镭，有自由面渗流分析得初流量法，水利学报，1988、8，18～25
【74】王贤能、黄润秋，有自由面渗流分析的高斯点法，水文地质工程地质，1997、6，1～4