降水控制方法（精选7篇）
降水控制方法 篇1
0 引言
我国南方地区地形复杂, 夏季降水频繁、暴雨多, 常引发泥石流、滑坡等地质灾害, 降水为泥石流和滑坡灾害的主要诱因之一, 如果能了解较小尺度上的降水情况, 则对局地泥石流、滑坡防御减灾具有重大的意义。然而, 气象观测站点有限, 观测的降雨量只代表点处的降雨, 唯有对区域内有限的观测站点的降水数据进行插值, 获取较高空间分辨率的区域降水量信息。另外, 由于区域气象站运行方式为无人值守, 数据采集以及传输受到电力、通信条件的限制, 数据质量一直是广大资料使用人员和业务管理者关注的课题。针对降水资料时间和空间分布不连续性特点, 采用空间回归方法、数据持续性、分位数分析等原理, 设计区域站降水资料的质量控制流程, 制作区域站日降水资料数据集。
1 空间回归检验方法
空间回归检验方法, 是以参考站的观测值来判断被检验站的观测值是否在一定可接受的范围之内。选取与被检验站最近的一批邻近站, 以邻近站和被检验站的一元回归方程的均方根误差为依据, 最终确定最小均方根误差的5个邻近站为参考站。给均方根误差小的参考站以大的权重来计算被检验站观测值的加权估计值和估计值的加权标准差。用加权估计值和估计值的加权标准差确定被检验站实测值的范围, 如果超出范围, 则认为数据可疑。
具体计算步骤如下:
1) 选取月缺测率<10%的区域站作为被检台站, 得到被检台站站号及时间 (日期) ;
2) 读取被检台站全月逐日降水数据, 全月降水数据没有变化的该月台站被剔除;
3) 将被检台站全月逐日降水数据序列, 逐对计算参考站与被检验站之间的相关系数, 并进行相关系数的显著性检验, 对于没有通过显著性检验的台站, 从参考站中剔除 (相关系数标准为0.6) ;
4) 如果参考站少于5个, 则该被检验站不再做进一步的空间检查。
5) 逐对建立被检验站与各参考站的回归方程为被检验站逐日要素估计值, yi为参考站逐日要素值;
6) 对每一对回归方程的均方根误差由小到大排序后, 找到前5个最小值。即确定有最小均方根误差的5个参考站;
7) 求每对被检验站与参考站建立的回归方程的均方根误差s。
其中, s为均方根误差, 为被检验站某日的实测值, 为被检验站该日的估计值, 因为是一元回归方程, m=1, n为日数;
8) 计算被检验站的加权估计值‘x。
其中, 为相应si的该日估计值, n为站数 (由于挑选的是5个站, 所以n=5) , si为所选5站的均方根误差;
9) 求估计值的加权标准差s’
10) 检验被检验站实测值, 如果超出范围, 认为数据可疑。x'-fs'≤x≤x'+fs', f为质量控制参数, 简称质控参数。
每个被检验值x重复 (8) - (10) 步, 逐值检查。
2 区域站降水质量控制和应用
2006年-2008年湖北省938个区域站、84个国家站的逐小时降水量资料为例, 采用空间回归检验方法对其进行质量控制, 制作2006-2008年湖北省区域站日降水资料数据集。
操作步骤如下:
1) RIIiii MM.YYY文件解析, 统计逐小时、日降水量
解析区域站全月逐分钟降水量值文件 (RIIiii MM.YYY) , 用分钟降水量统计逐小时降水量、历时值, 08时到08时日降水量、历时值, 20时到20时日降水量、历时值入数据库。
小时降水量统计, 如果某小时中有一分钟数据缺测 (文件中标识为“//”) 则该小时为缺测;有一分钟没有观测数据 (文件中标识为“-”) 则该小时没有观测数据。
日降水量统计, 分为20时到20时日降水量和08时到08时日降水量两类。如果某日 (24个时次) 降水量缺测或没有记录多于1个时次, 则该日降水量缺测;只有一次缺测或没有记录时, 该时次的雨量以无降水代替, 即降水量=0, 再累加统计该日降水量。
2) 选取邻近站
选取邻近站的条件为:
(1) 拔高相差200m以上不能作为邻近参考站;
(2) 两站距离超过80km以上不能作为邻近参考站。
设第一点A的经度Lon A、纬度Lat A, 第二点B的经度Lon B、纬度Lat B, 按照0度经线的基准, 东经取经度的正值, 西经取经度负值, 北纬取90-纬度值, 南纬取90+纬度值, 则经过上述处理过后的两点被计为 (MLon A, MLat A) 和 (MLon B, MLat B) 。根据三角推导, 计算地球上两点间的距离公式:
其中, R=6371.004, 地球的平均半径,
Pi=3.1415926, 圆周率,
3) 逐小时降水量插补
逐小时降水量进行插补条件:
(1) 被检区域站某月缺测率小于30% (缺测率大于等于30%不进行插补操作) ;
(2) 选择三个邻近站同期的资料对被检区域站逐小时缺测的资料进行插补。
所选邻近站包含, 与被检区域站距离最近的一个邻近国家站和月缺测率小于5%的两个邻近区域站。如果三个邻近站该小时 (指缺测数据时间) 的前后2小时降水量均为0, 则被检区域站该小时降水量为0, 插补标记为32700。
以月、站为单位, 统计区域站插补后逐小时降水量资料月缺测率。
4) 用插补后分钟降水量统计逐小时降水量、历时值, 08时到08时日降水量、历时值, 20时到20时日降水量、历时值入数据库。具体方法同步骤 (1) 。
5) 采用上述空间回归检验方法, 对插补后的日降水量数据进行质量控制。记录质量控制结果以及没有达到质量控制条件的台站资料情况。
6) 制作区域站日降水资料数据集
(1) 将质量控制后的数据按月生成区域站日降水资料数据集, 格式为:区站号、日期、20时到20时日降水总量、08时到08时日降水总量、小时最大降水量 (20时到20时为日界) 。数据集中, 插补后得到的数据用“原始数据+20000”表示, 见图1;
(2) 该月所有被检台站、未作质量控制的台站、做过质量控制台站情况说明;
(3) 做过质量控制台站的详细情况, 例如:区站号、所在市、所在地区、站名、地址、经度、纬度、拔海高度、仪器型号、仪器出厂单位、建站时间、资料开始传送时间。
摘要：区域站降水资料在水资源管理、灾害预测预警和区域可持续发展研究等方面的地位已越来越重要。然而, 空间降水插补、质量控制一直是个难题。该文详细介绍了区域站逐小时降水资料插补、空间回归质量控制方法 , 并结合湖北省2006年-2008年938个区域站、84个国家站的逐小时降水量资料, 应用该质量控制方法检验, 制作区域站日降水资料数据集。结果表明:空间回归检验方法适用于对单一要素的检验, 能够有效检验出可疑数据, 对降水空间变化比较大的要素, 该方法有较好的检验效果。
关键词：空间回归检验,插补,质量控制,降水
参考文献
[1]刘小宁, 鞠晓慧, 范邵华.空间回归检验方法在气象资料质量检验中的应用.应用气象学报, 2006, 2.
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[3]You Jinsheng, Kenneth G Hubbard, Steve Goddard.Comparimn of air temperature estimates from spatial regression and inverse distance method.
[4]封志明, 杨艳昭, 丁晓强, 等.气象要素空间插值方法优化.地理研究, 2004, 23 (3) :3572364.
[5]何红艳, 郭志华, 肖文发.降水空间插值技术的研究进展.生态学杂志, 2005, 24 (10) :1187-1191.
如何控制井点降水施工质量 篇2
1.1 施工机具
1.1.1 管:
φ38~55, 壁厚为3.0mm的无缝钢管或镀锌管, 长2.0m左右, 一端用厚为4.0mm的钢板焊死, 在此端1.4m长范围内, 在管壁上钻φ15mm的小圆孔, 孔距为25mm, 外包两层滤网, 滤网采用编织布, 外部再包一层网眼较大的尼龙丝网, 每隔50~60mm用10号铅丝绑扎一道, 滤管另一端与井点管进行连接。1.1.2井点管:φ38~55, 壁厚为3.0mm的无缝钢管或镀锌管。1.1.3连接管:透明管或胶皮管, 与井点管和总管连接, 采用8号铅丝绑扎, 应扎紧以防漏气。1.1.4总管:φ75~102钢管, 壁厚为4.0mm, 用法兰盘加橡胶垫圈连接, 防止漏气、漏水。1.1.5抽水设备:根据设计配备离心泵、真空泵或射流泵, 以及机组配件和水箱。1.1.6移动机具:自制移动式井架 (采用旧设备振冲机架) 、牵引力为6t的绞车。1.1.7凿孔冲击管:φ219×8的钢管, 其长度为10m。1.1.8水枪:φ50×5无缝钢管, 下端焊接一个φ16的枪头喷嘴, 上端弯成大约直角, 且伸出冲击管外, 与高压胶管连接。1.1.9蛇形高压胶管:压力应达到1.50MPa以上。1.1.10高压水泵:100TSW-7高压离心泵, 配备一个压力表, 作下井管之用。
1.2 材料
粗砂与豆石, 不得采用中砂, 严禁使用细砂, 以防堵塞滤管网眼。1.2.1技术准备。1.2.2详细查阅工程地质勘察报告, 了解工程地质情况, 分析降水过程中可能出现的技术问题及采取的措施。1.2.3凿孔设备与抽水设备检查。
1.3 平整场地
为了节省机械施工费用, 不使用履带式吊车, 采用碎石桩振冲设备自制简易井架, 因此场地平整度要高一些, 设备进场前进行场地平整, 以便于井架在场地内移动。
2 井点安装
2.1 安装程序
井点放线定位→安装高压水泵→凿孔安装埋设井点管→布置安装总管→井点管与总管连接→安装抽水设备→试抽与检查→正式投入降水程序。
2.2 井点管埋设
2.2.1 施工现场的条件, 先降Ⅰ施工段区域的地下水 (Ⅱ、Ⅲ施
工段的施工方法同Ⅰ施工段) , 沿R轴、9轴/Q~R轴段, Q轴/9~11轴段、P/11~15轴段、3/K~L轴段、L/3~15轴段, 开挖线外2.5M处开挖宽1.20m, 深1.50m的水沟, 沿水沟间距1.0m确定井点位置。2.2.2用绞车将简易井架移到井点位置, 将套管水枪对准井点位置, 启动高压水泵, 水压控制在0.4~0.8MPa, 在水枪高压水射流冲击下套管开始下沉, 并不断地升降套管与水枪。遇到较厚的纯粘土时, 沉管时间要延长, 此时可增加高压水泵的压力, 以达到加速沉管的速度。冲击孔的成孔直径应达到300~350mm, 保证管壁与井点管之间有一定间隙, 以便于填充砂石, 冲孔深度应比滤管设计安置深度低500mm以上, 以防止冲击套管提升拔出时部分土塌落, 并使滤管底部存有足够的砂石。2.2.3凿孔冲击管上下移动时应保持垂直, 这样才能使井点降水井壁保持垂直, 若在凿孔时遇到较大的石块和砖块, 会出现倾斜现象, 此时成孔的直径也应尽量保持上下一致。2.2.4井孔冲击成型后, 应拔出冲击管, 通过单滑轮, 用绳索提起井点管插人井孔, 井点管的上端应用木塞塞住, 以防砂石或其他杂物进入, 井在井点管与孔壁之间填灌砂石滤层。该砂石滤层的填充质量直接影响轻型井点降水的效果, 应注意以下几点:a.砂石必须采用粗砂, 以防止堵塞滤管的网眼。b.滤管应放置在井孔的中间, 砂石滤层的厚度应在60~100mm之间, 以提高透水性, 并防止土粒渗入滤管堵塞滤管的网眼。填砂厚度要均匀, 速度要快, 填砂中途不得中断, 以防孔壁塌土。c.砂石滤层的填充高度, 至少要超过滤管顶以上1000~1800mm厂-般应填至原地下水位线以上, 以保证土层水流上下畅通。d.井点填砂后, 井口以下1.0~1.5m用粘土封口压实, 防止漏气而降低降水效果。
2.3 冲洗井管
将φ15~30mm的胶管插入井点管底部进行注水清洗, 直到流出清水为止。应逐根进行清洗, 避免出现“死井”。
2.4 管路安装
首先沿井点管线外侧, 铺设集水毛管, 并用胶垫螺栓把干管连接起来, 主干管连接水箱水泵, 然后拔掉井点管上端的木塞, 用胶管与主管连接好, 再用10#铅丝绑好, 防止管路不严漏气而降低整个管路的真空度。主管路的流水坡度按坡向泵房5‰的坡度并用砖将主干管垫好。
2.5 检查管路
检查集水-下管与井点管连接的胶管的各个接头在试抽水时是否有漏气现象, 发现这种情况应重新连接或用油腻子堵塞, 重新拧紧法兰盘螺栓和胶管的铅丝, 直至不漏气为止。在正式运转抽水之前必须进行试抽, 以检查抽水设备运转是否正常, 管路是否存在漏气现象。在水泵进水管上安装一个真空表, 在水泵的出水管上安装一个压力表。为了观测降水深度, 是否达到施工组织设计所要求的降水深度, 在基坑中心找一个桩孔, 以便于通过观测桩孔水位, 了解降水情况在试抽时, 应检查整个管网的真空度, 应达到550mm Hg (73.33k Pa) , 方可正式投入抽水。
3 抽水
轻型井点管网全部安装完毕后进行试抽。当抽水设备运转一切正常后, 整个抽水管路无漏气现象, 可以投入正常抽水作业。开机7d后将形成地下降水漏斗, 井趋向稳定, 土方工程可在降水10d后开挖。
4 注意事项
4.1 土方挖掘运输车道不设置井点, 这不影响整体降水效果。
4.2 在正式开工前, 由电工及时办理用电手续, 保证在抽水期间不停电。
抽水应连续进行, 特别是开始抽水阶段, 时停时抽, 会导致井点管的滤网阻塞。同时由于中途长时间停止抽水, 造成地下水位上升, 会引起土方边坡塌方等事故。
4.3 轻型井点降水应经常进行检查, 其出水规律应“先大后小, 先浑后清”。若出现异常情况, 应及时进行检查。
4.4 在抽水过程中, 应经常检查和调节离心泵的出水阀门以控
制流水量, 当地下水位降到所要求的水位后, 要减少出水阀门的出水量, 尽量使抽吸与排水保持均匀, 达到细水长流。
4.5 真空度是轻型井点降水能否顺利进行降水的主要技术指
数, 现场设专人经常观测, 若抽水过程中发现真空度不足, 应立即检查整个抽水系统有无漏气环节, 并应及时排除。
4.6 在抽水过程中, 特别是开始抽水时, 应检查有无井点管淤塞的死井, 可通过管内水流声、管子表面是否潮湿等方法进行检查。
如“死井”数量超过10%, 则严重影响降水效果, 应及时采取措施, 采用高压水反复冲洗处理。
4.7 如粘土层较厚, 沉管速度会较慢, 如超过常规沉管时间时, 可增大水泵压力, 但不要超过1.5MPa。
4.8 主干管流水坡度流向水泵方向。
4.9 基坑周围上部应挖好水沟, 防止雨水流入基坑。
降水控制方法 篇3
1 地面沉降的产生和控制机理
根据相关资料分析, 在抽除地下水时, 地下承压含水层减压, 上、下土层的孔隙水压力相对上升, 形成指向含水层的水头梯度, 土层的孔隙水向含水层急剧排出, 引起土层压密。在土层释水过程中, 水体流动和渗透力使土结构变形或破坏。土层释水结果是土层重力场发生变化在沉降中心区, 土层出现挤压, 侧向移动在地面表现为地面沉降。通过地面沉降机理可知, 要想控制基坑降水开挖而引起地面沉降。可以采用抽除水的同时回灌水, 使控制基坑外围地下水基本保持不变, 保证土层结构、水压力在开挖前后一致。
2 回灌技术方法
2.1 回灌的基本方式
2.1.1 地面砂沟回灌
在建筑物离基坑较远且地层为均匀透水层的情况下, 则可采用砂沟回灌。在降水井与被保护建筑物之间设置一道砂沟, 将抽出的水适时、适量地排入砂沟, 进而回灌到地下, 维持建筑物所在地的原有地下水位, 使土颗粒所受有效应力不变, 土体处于平衡状态, 达到防止降水不良影响的效果。
2.1.2 地面井点回灌
在建筑物离基坑较近, 并且地层为弱透水层时, 应采用井点回灌方法。回灌井的埋设深度可根据透水层的深度确定, 回灌井井水位处于最高位置, 向井四周逐渐降低, 成锥体状向周围发散为径向流。在回灌保护区设立地下水位观测井, 连续记录地下水位的变化, 通过调节注水系统的压力使地下水位保。
2.2 回灌的主要方法
2.2.1 真空回灌法
具有密封装置的回灌井中开泵抽水时, 泵管和管路内充满地下水。停泵并立即全部关闭控制阀门和出水阀门时, 由于重力作用使泵管内的水体迅速向下降, 在泵管内的水面与控制阀门之间造成真空。由于大气对泵管外面井管内的地下水面有0.1MPa压力 (相当10m水柱高度) , 所以泵管内的水柱只能下降至静水位以上10m高度, 这样才能与井管内的静水位保持压力平衡。在这种真空状况下, 启开进水阀和控制阀, 因真空虹吸的作用, 水就能迅速进入泵管内, 破坏原有的压力平衡, 产生水头差, 在井的周围形成一个水力坡降, 回灌水就能克服阻力向含水层中渗透。真空回灌法适用于地下水位较深 (静水位埋深>10m) , 渗透性良好的含水层。
2.2.2 压力回灌法
将地表水源由机械动力加压 (离心泵或自来水管网压力) , 送入井内产生较大的水头压力, 以便与静水位之间产生较大的水头差, 在井周围形成水力坡降, 回灌水就能克服阻力渗入含水层这即称为压力回灌。压力回灌法有正压和加压回灌法之分, 正压回灌法是回灌水源为自来水, 是利用自来水的管网压力 (0.1—0.2MPa) 产生水头差进行回灌。加压回灌法是为了增加回灌量, 在正压回灌装置的基础上, 使用机械动力设备 (如离心泵) 加压, 产生更大的水头差实施回灌。压力回灌法不受地下水埋深和含水渗透性的限制, 适用范围很大, 特别是对地下水位较高和透水较差的含水层来说, 采用压力回灌的效果较好。
3 回灌系统的设计
某建筑大楼基础埋深为天然地面以下-3.400m~-4.500m。东、西、北三面分别为低层建筑物均在15m以外, 南侧有一栋10层高层建筑且离基坑的距离只有10m, 成为深基坑开挖降水时最主要的保护对象。为了保证高层建筑不受到降水的影响, 通过对回灌水量的调整控制基坑外围地下水位, 采用边降水边回灌的措施, 并设置防渗帷幕墙来减缓降水曲线对建筑物地下水位的影响。回灌井回灌水量的大小对回灌成功与否至关重要, 根据地下水保持不变的原则, 抽水量与回灌量相等, 利用基坑降水理论来反推回灌水量。
井点系统布置三套轻型井点, 沿基坑周边均匀布置。在基坑南侧与高层建筑之间布置一排回灌井点, 回灌井点与降水井点相距7m。回灌井作用机理示意如下图, 回灌数量按潜水井公式计算。
式中:Q———回灌水量;k———土的渗透系数, 取0.2m/d;R'———影响半径;x'———回灌井点计算半径;h'———要求回灌后达到的动水位;H'———不回灌时的静水位;H0———含水层厚度, 取7 m;t———降水天数, 取6;μ———给水度, 取0.06。通过计算R'=20.49m。
按照含水层为7m来计算, 回灌处预计降低水位约为3m, 则静止水位H'为3.5m, 要求回灌后保持原地下水位的高度, 即自然地面-1.5m, 则动水位高度h'=7m。回灌井点的直线长度约为32m, 作条形井点计算, 则计算半径r=L/4=32/4=8.0m。
如果要使地下水位升至自然地面以下1.0m, 则动水位高度h为7m。回灌量为:
回灌井点采用与降水井点相同构造的井管, 条形布置长度为38m, 回灌水源采用自来水, 在回灌井点系统中部设置一只架空的储水箱, 这样可以使回灌水具有一定的压力以利于灌入土层中。由于在设计降水的同时就设计了灌水措施, 在整个深基坑开挖过程中, 灌水区域的地下水位一直保持在原有水位1.5m左右。
4 回灌技术的施工工艺及要求
4.1 回灌技术成井工艺流程
钻机就位及校直→取心钻进→用偏心钻头在回灌层扩成鼓形→钻孔换浆→扫孔壁泥皮→下入井管和滤水管及补砂管→换浆→动水投砾料→送清水冲孔→投粘土球止水洗井→安装回灌装置→回灌。
4.2 回灌井点的施工要求
4.2.1 回灌井点位置的设置
应在降水井点与保护对象的中间, 并适当偏向后者, 以减少回灌井点的渗水对基坑壁的影响, 并保持良好的降水曲线。回灌井与抽水井之间应保持一定的距离。根据华东、华南地区许多工程经验, 当回灌井与抽水井的距离不小于6m时, 则可保证有良好的回灌效果。
4.2.2 井管都应设滤水管
在整个透水土层中, 井管都应设滤水管, 井管上部的滤水管应从常年地下水位以上0.500m处开始设置。回灌井宜进入稳定水面下1m, 且位于渗透性较好的土层中, 过滤器的长度应大于降水井过滤器的长度。回灌井的埋设深度应根据降水层的深度和降水曲面的深度而定, 以确定基坑施工安全和回灌效果。
4.2.3 回灌水量的控制
回灌水量应根据实际地下水位的变化及时调节, 不宜超过原水位标高, 回灌水箱高度可根据灌入水量配置。回灌水量不宜过大或过小, 在基坑附近设置一定数量的水位观测孔, 定时进行观测和分析。根据观测情况, 及时调整回灌井水的数量、压力等, 尽量保持抽、灌水平衡。
4.2.4 回灌井点的水应用清水
回灌井点的水应用清水。回灌砂井中的砂必须是纯净的中粗砂, 不均匀系数和含水量均应保证砂井有良好的透水性, 回灌砂井的灌砂量应取井孔体积的95%, 填料宜采用含泥量不大于3%、不均匀系数在3~5之间的纯净中粗砂, 使注入的水尽快向四周渗透。
4.2.5 回灌系统与井点降水系统应同步进行
当其中一方停止工作时, 另一方也应停止工作, 不得单方面停止工作。回灌井和降水井是一个完整的系统, 只有共同有效地工作, 才能保证地下水位处于某一动态平衡, 任一方失效都会破坏这种平衡, 要求回灌与降水在正常施工中必须同时启动、同时停止、同时恢复。
5 结语
建筑基础基坑开挖时, 采用降水来降低基底地下水位, 会在抽水影响半径范围内引起地面沉降, 给临近已有建筑物带来一定程度的危害, 可能导致临近建筑物不均匀沉降、倾斜、开裂、倒塌。为了保证临近建筑不受到降水的影响, 在抽水影响半径范围内建筑物的附近预先布设回灌井, 根据地下水保持不变的原则, 抽水量与回灌量相等, 利用基坑降水理论计算回灌水量。依据地下土的渗水性、地下水位的高低选择合理的真空或压力回灌方法, 采用边降水边回灌的措施, 并设置防渗帷幕墙来减缓降水曲线对建筑物地下水位的影响, 严格按照回灌技术的施工工艺及要求进行人工补给地下水, 即可有效控制基坑降水开挖地面沉降, 防止临近建筑物不均匀沉降。
参考文献
[1]王翠玲, 王飞.地下水人工回灌对地面下沉降控制的探讨[J].山西建筑, 2007.
降水控制方法 篇4
上海浦东新区某楼地上部分由28层办公主楼与5层裙房组成, 建筑高度为128.7 m。地下共4层, 基坑尺寸97.1 m×55.1m, 面积为5 350 m2, 周长为310 m, 基坑大部分区域开挖深度达到17.2 m, 主楼核心筒区开挖最大深度为22.5 m。
场地土层分布比较稳定, 地面标高4.4 m。①层为杂填土, 厚2.0 m左右;②层为粉质黏土 (硬壳层) , 自上而下逐渐变软;③层为淤泥质粉质黏土, 软塑状态;④层为淤泥质黏土, 流塑状态;⑤层为粉质黏土, 可塑状态;⑥层为粉质黏土, 是划分Q3与Q4的标志层, 层顶埋深约23.5 m;⑦层为粉性土, 呈中密—密实状态, 层顶埋深约28.0 m, 总厚度约35.0 m;⑨层为粉砂层, 局部夹少量粉质黏土及中粗砂, 土性变化较大, 厚度约30.0 m, 顶面埋深一般约63.0 m。
基坑开挖深度范围内的地下水主要有潜水、承压水。其中, 潜水受大气降水及地表迳流补给, 低水位埋深为1.50 m;第⑦层土、⑨层土为承压含水层, 顶面埋深约为地面以下28.0 m, 水位呈周期性变化, 埋深为8.80~9.70 m。由于缺失第⑧层灰色黏性土、第⑩层蓝灰色黏性土, 下伏第Ⅰ (⑦层土) 、Ⅱ (⑨层土) 、Ⅲ承压含水层之间相互连通, 复合承压含水层组的地下水储量丰富, 水量非常大。
基坑开挖采取盖挖法施工, 随着开挖深度的增加, 第⑦层承压水就会对基坑造成危险, 产生涌水、流砂, 形成地下水水患, 影响基坑安全。
2 基坑降水设计
基坑降水设计必须科学经济, 应合理确定降水深度, 准确计算涌水量, 进而对降水方案进行详细设计, 确定降水井井深、井距、单井涌水量和井数等。
2.1 疏干井降水设计
疏干性降水需降低基坑开挖深度范围内的土体含水量, 是基坑围护结构隔断基坑内外水力联系、确保基坑顺利开挖的重要措施。
1) 疏干井数量确定。
本基坑工程中开挖深度范围内所需疏干土层主要为③层淤泥质粉质黏土和④层淤泥质黏土。根据上海地层疏干经验, 单井有效降水面积取200 m2/口可满足疏干性降水要求。由基坑面积计算, 所需疏干井数量=5 350/200=27口, 结合基坑实际状况, 共布28口疏干井。
2) 降水井深度。
由于基坑采取加固措施, 疏干井井深可不进入加固范围以下, 可按式 (1) 确定井深。
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式中:H1为基坑开挖深度, m;h为降低后地下水位至基坑中心底面的安全距离, 取1 m;L为井点中心至基坑中心的水平距离;i为降水漏斗曲线坡度, 取1/4。
由式 (1) 确定的一般区域疏干井深度为22.0 m, 加固区域井深为19.0 m。
3) 涌水量计算。
基坑地下连续墙隔断基坑内外水力联系后, 在开挖深度范围内的总涌水量可按式 (2) 计算:
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式中:W为应抽出的水体积, m3;μ为含水层给水度;V
为基坑体积, m3;A为基坑面积, m2;M为疏干土层的厚度, m。各土层涌水量计算见表1。
4) 预降水天数计算。
根据工程场区含水层岩性、厚度, 并结合类似工程经验, 疏干井单井出水量为8.0 m3/d左右。
基坑日抽水量Q=8.0×28=224.0 m3/d
抽水天数t=W/Q=4 391.2/224.0≈20 d
在抽水20 d以后, 基坑内土体中的重力水基本被排出, 保证土体中少量毛细水及弱结合水排出, 保证基坑开挖过程的顺利进行。
2.2 降压井降水设计
根据基坑突涌可能性计算, 进行降压性降水, 在满足工程降压要求的前提下, 尽量减少降水引起的地表沉降以及对周边建筑物的不利影响。
1) 基坑突涌可能性评价。
基坑是否进行承压水的抽降, 必须根据Pcz/Pwy≥Fs抗承压水稳定性检算, 即基坑底板至承压水含水层顶板间的土体压力Pcz必须大于承压水的顶托力Pwy。
根据抽水试验取安全计算水头 (H0) 7.0 m, 取规范安全系数1.05, 据此计算开挖深度17.0 m区域⑦层土的突涌可能性如下。
(1) 安全水位降深计算。
基坑底板至承压水含水层顶板间的土体压力Pcz= (28.0-17.0) ×18.5=203.5 kPa, 其中土体重度取18.5 kN/m3。承压水的顶托力Pwy= (28.0-7.0) ×10.0=210.0 kPa, 其中承压力水头取7.0 m。因此安全系数FS= Pcz/Pwy=0.97<1.05, 说明基坑有突涌可能性。
(2) 根据安全系数取1.05反算安全开挖临界深度h=28.0-FS×Pwy/18.5=16.1
m。因此, 当基坑开挖到16.1 m时开始启动降压井。
(3) 安全水位的计算。
以裙楼基坑开挖到设计深度17.0 m时第⑦层的安全水位计算为例, hw= (28.0-Pcz/Fs×10.0-1) -H0=8.6-7.0=1.6 m, 此时第⑦层承压水水位埋深应降到地面以下8.6 m处。表2为不同开挖深度时基坑突涌可能性计算结果及最小安全降水水位。
2) 涌水量计算。
根据工程实际情况, 基坑下部承压含水层厚度巨大。在浅部抽取承压含水层中的承压水时, 由于含水层垂向渗透性较小, 在一定深度范围以下的承压水对上部补给较弱, 故基坑总涌水量按式 (3) 计算[1]:
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式中:k为抽水试验渗透系数, 1.69 m/d;M为承压含水层厚度, 取100.0 m;sw为水头最小降深, 将主楼核心区域承压水水头降到18.3 m以下, sw取11.3 m;R0为抽水影响半径, 取464.0 m;r0为基坑等效半径, 取44.9 m;l为滤水管插入含水层深度, 取10.0 m。计算得均质含水层承压水非完整井基坑涌水量为2 090 m3/d。
3) 降压井深度。
根据本工程地层、抽水试验和基坑围护特点, 第⑦层承压含水层埋深及围护结构插入深度, 设计降压井深度为37.0 m, 滤管为29~36 m, 滤料段为28~37 m, 25~28 m用止水黏土止水。
4) 降压井数量确定。
根据抽水试验单井涌水量, 采用插值法确定单井涌水量为12 m3/h左右。降压井数量可得8口, 本基坑采用在基坑内布置8口降压井, 并布置2口观测兼备用井。
2.3 降压井布置
根据上述计算, 疏干降水井28口, 均匀分布在基坑内部, 终孔井径ϕ550 mm, 钢管内径ϕ273 mm, 采用焊接钢管外包40~60目滤网, 管外填中粗砂滤料, 滤料粒径2~5 mm。
为减小降压对周边环境的影响, 8口承压水降压井和2口观测兼备用井均布置在基坑内, 终孔井径ϕ600 mm, 钢管内径ϕ273 mm, 采用焊接钢管外包20~30目滤网, 管外由黏土球止水。图1为场地疏干井和降压井的布置示意图。
3 降水引起地面沉降及控制措施
基坑开挖及降水后, 将使周边土层产生附加荷载而导致相应的沉降, 对周围建筑物及市政设施会构成不同程度的危害。
3.1 地面沉降的原因
降水过程中, 土层的压缩变形不仅产生在含水层内部, 相邻土层的孔隙水压力同时得到释放并产生压缩变形, 多土层变形而产生的综合效应即为地面沉降[2]。影响地面沉降大小的主要因素有以下4点。
1) 土体本构。
不同的土层结构反映出不同的变形特征。黏土到砂土的过渡含水层, 压缩性高, 为主要的释水压密层。
2) 降水维持时间。
时间的长短与地面沉降量成正比关系。
3) 承压水的降深。
降深越大, 沉降量越大;基坑内沉降量最大, 向外逐渐减小。
4) 降水井的施工质量。
由于会随水流带出部分细微土粒, 再加上降水后土体的含水量降低, 使土壤固结, 因而会引起周围地面沉降。
3.2 控制地面沉降的措施
1) 缩短降水时间。
根据基坑开挖施工方案和施工进度确定降压井的开启顺序和降水强度, 基坑开挖过程中, 随着开挖深度的增加逐渐降低承压水头, 避免过度降压对环境造成的影响[3]。
2) 信息化施工。
基坑施工过程中对周围环境进行监测, 并加强巡视, 资料及时报送降水项目部, 发现问题及时调整抽水井数量及抽水流量, 指导降水运行和修复施工。
3) 基坑预警体系。
基坑施工过程中, 如地下连续墙发生渗漏或严重渗漏, 应及时采取封堵措施, 以避免导致基坑外侧浅层潜水位发生较大幅度下降, 以及由此引起的严重的地面沉降。
4 结语
在施工过程中, 使基坑内土体得到了较好的固结, 土体均能自稳, 不坍塌;在基坑开挖至平衡承压水临界深度前进行抽降承压水, 保证基坑的抗承压水的安全, 同时保证周边环境的安全。本基坑降水设计总结以下几点经验。
1) 管井降水设计中参数的选择很关键。在设计中应充分考虑参数选择的误差、成井质量和工程重要性等因素。
2) 管井降水是目前上海市采用较多的降水方法, 对地层渗透性比较好的类似基坑, 效果比较好。在降水井施工时必须把好质量关。
3) 抽降承压水使基坑周边产生地面沉降是不可避免的。但在抽降地下水的维持阶段实行信息化管理, 做到“按需降水, 分时降水”, 则可以将抽降地下水对周边环境的影响控制在规范允许的范围之内。
参考文献
[1]薛禹群.地下水动力学[M].2版.北京:地质出版社, 1997.
[2]刘建航, 侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 1997.
一种极端降水预测方法研究 篇5
近年来,极端降水事件导致的洪涝灾害频繁发生,给许多国家和地区带来了巨大损失,因此,深入研究极端降水事件的变化规律,提高对极端降水事件的预测能力,具有越来越重要的现实意义。Zhai[1]等定义大于1961 - 1990 年间日降水序列第95 个百分值的降水为极端降水,对中国1951 - 2000年间的极端降水情况进行了研究。章毅之[3]采用最小二乘法对PQ90、PX5D、PINT、PFL90、PNL90 等5 项主要极端降水指数进行了趋势分析。 Haylock[3]等利用典型相关分析、神经网络等统计降尺度方法和HadRM3、CHRM等高分辨率区域模式对英格兰地区的极端降水指数进行降尺度效果对比。Gu[4]等结合逐步回归和贝叶斯正则化等方法建立了基于BP神经网络的极端降水预测模型,实现了年平均极端降水量的预测,但由于神经网络自身存在局部最优和泛化能力差等缺陷,在一定程度上影响了模型的预测精度。
支持向量机能克服神经网络方法的不足,已被应用于水文过程分析。但水文过程的时间序列是各种周期项、趋势项的混合叠加,还具有短期规律和长期规律的变化,直接使用支持向量机对序列本身进行回归无法反映出众多不同规律的叠加影响[5]。而小波变换将时间序列分解到不同的时间和尺度上,可以清晰地看到时间序列在不同频带上随时间变化的规律,因此可以将小波分析应用于水文过程的多尺度分析研究[6]。
本文提出一种小波分析和遗传算法优化支持向量机相结合的极端降水预测方法。首先采用多分辨率分析的小波变换对极端降水数据进行分解,把极端降水的不同特性成分分离出来,然后采用遗传算法优化的支持向量机对分解后的逼近信号和不同分辨率的细节信号分别建立回归模型,最后对各预测结果进行叠加,得到极端降水量的最终预测结果。
1 相关理论
1. 1 小波分析方法
小波分析( Wavelet Analysis,WA) 是一种信号的时间- 频率分析方法,通过平移和伸缩等运算对函数或信号逐步进行多尺度细化,使得不同频率分量具有不同持续时间的窗函数,即高频处时间细分,低频处频率细分[7],因此WA在时频两域都具有很强的表征信号局部特征的能力。
离散小波变换可以将任意一个时间序列信号分为低频部分和高频部分,而低频部分代表了信号的主要特征,高频部分反映了信号在细节上的差异[8]。在下一层的分解中,又将低频部分进一步分解成低频部分和高频部分,以此类推。设c0为待分解的离散信号,根据Mallat分解算法[9]有:
其中,H和G为低通和高通滤波器; cj + 1和dj + 1为原始信号在分辨率2- ( j + 1)下的低频信号和高频信号; J为最大分解层数。使用上述分解算法可以将原始信号c0最终分解为高频系数d1,d2,…,dJ和低频系数cJ。
时间序列经过小波分解得到低频和高频系数,然后将其进行重构运算,可得到时间序列的低频和高频分量,Mallat重构算法[9]如下:
其中,H*和G*为对偶算子。对d1,d2,…,dJ和cJ分别进行重构,得到D1,D2,…,DJ和CJ,这样原始时间序列X有:
其中,D1,D2,…,DJ为第一层至第J层的高频信号重构; CJ为第J层的低频信号重构。
1. 2 支持向量机回归原理
支持向量机( Support Vector Machine,SVM) 是一种建立在统计学习理论和结构风险最小化原则基础上的新型机器学习方法,在很大程度上解决了模型选择与过学习问题、非线性与维数灾难问题、局部极小点问题等[10],且具有学习速度快、泛化性能好等特点,为小样本机器学习问题建立了一个较好的理论框架。
SVM回归的基本思想就是寻找一个输入空间到输出空间的非线性映射 φ,将样本数据变换到一个高维特征空间中去,然后在这个高维特征空间中作线性回归[11]。
给定样本集D = { xi,yi} ,其中,xi∈Rn为输入向量,yi∈R为期望值,i = 1,2,…,N,N为训练样本个数。SVM采用下式来估计函数:
其中,φ( x) 是从输入空间到高维特征空间的非线性映射,ω 为权值矢量,b为阈值。根据统计学习理论,SVM通过极小化以下目标函数来确定回归函数,
其中,ξ 和 ξ*为松弛变量; ε 为不敏感损失函数参数; C为惩罚参数,用于控制对超出误差的样本的惩罚程度。
由对偶理论,上式可转化成二次规划问题,引入拉格朗日乘子 αi和 αi*,得到其对偶问题:
其中,K( xi·xj)= φ( xi) ·φ( xj) 为SVM的核函数。求解后可得SVM回归函数:
由于径向基核函数( RBF) 对非线性和高维数据有很好的适应性,所以本文采用径向基核函数作为SVM的核函数。
1. 3 遗传算法优化支持向量机参数
SVM的预测精度与惩罚参数C、不敏感损失参数 ε、RBF核参数 σ 有较大关系。因此,需要采用优化算法对SVM参数进行优化,以获得具有较好预测性能的回归模型。
遗传算法( Genetic Algorithm,GA) 是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型,是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法[12],具有隐含的并行性和强大的全局搜索能力,可以在短时间内搜索到全局最优点[13]。因此,本文采用GA对SVM进行参数优化,以寻找最优的参数组合,具体步骤如下[14]:
①将SVM参数以二进制形式进行染色体基因编码,初始化设置GA参数,随机产生初始种群。
②计算种群中各个体的适应度,这里采用平均相对误差作为适应度函数,来衡量选取参数的优劣。
③根据个体适应度,按照一定规则从当前种群中选出个体进入下一代。这里采用轮盘赌法,将具有较高适应度值的染色体复制。
④选择种群中的两个个体作为父体,以一定概率进行交叉操作,产生两个新个体。这里采用单点交叉法将两条染色体中的基因进行随机交换,得到新一代染色体。
⑤随机选择群体中的个体,以一定概率进行变异操作,通过随机改变个体中某些基因而产生新个体。
⑥重复步骤② - ⑤,使SVM参数不断进化,直到满足结束条件。
⑦对得到的最优解译码,得出最佳的SVM参数组合。
2 极端降水预测模型
小波分析和遗传算法优化支持向量机相结合的极端降水预测模型( WA_GASVM模型) 结构如图1所示,具体建模和预测流程如下。
2. 1 数据准备
本文采用百分位值法对极端降水事件进行定义,即: 把一年的日降水量按升序排列,定义第90 个百分位值为极端降水事件的阈值; 当日降水量超过该阈值时,则称该日发生了极端降水事件; 一年当中极端降水的总量与发生频次的比值体现了该年极端降水事件的强度,本文称之为年平均极端降水量,把它作为后面小波分析的原序列。
2. 2 小波分析
小波分析具有多分辨率的特点,并且小波分解后的各分量彼此不相关,因此可以通过小波变换将极端降水序列分解到不同频段上,然后采用适当的方法对分解后的信号进行预测。根据实验,本文选Daubechies4 为母小波,对极端降水序列用小波变换和Mallat算法进行三尺度小波分解和单支重构,得到不同成分的极端降水分量。
2. 3 支持向量机回归
对分解后的近似分量和细节分量分别建立SVM回归模型,核函数选择径向基核函数,训练参数通过GA优化得到。采用最优参数对训练样本进行学习,建立预测模型,然后用该模型对测试样本进行预测,最后将近似分量和细节分量的预测值进行合成,得到最终极端降水的预测值。
3 仿真实验
3. 1 数据准备
选取江西省鄱阳站1947 - 2006 年的逐日降水数据为原始数据,采用百分位值法定义极端降水阈值,并计算年极端降水总量和日数,那么年平均极端降水量= 年极端降水总量/年极端降水日数,结果如表1 所示。
3. 2 小波分析
将1947 - 2006 年的年平均极端降水量作为小波分析的原序列,序列值个数为60。采用db4 小波函数,对年平均极端降水序列进行三尺度小波分解,得到逼近系数a3和细节系数d1,d2,d3,各系数单支重构后得到各分量如图2 所示。
由图2 可知,原年平均极端降水序列十分复杂,具有周期性、趋势性、非线性和突变性,用小波分析将该序列分解为不同频率的信号后更有利于对其进行建模和预测。
3. 3 支持向量机回归模型
对近似分量a3 和各细节分量d1、d2、d3分别建立SVM回归模型,下面以近似分量a3为例:
①首先归一化分量a3 数据,这样可以加快SVM的学习速度,提高预测精度。
②设嵌入维数为3,确定SVM的输入向量和输出向量,则可以构建57 个样本,取前52 个样本作为训练样本,最后5 个样本作为测试样本。
③SVM的核函数选择径向基核函数,并设置GA的初始值,种群规模为20、进化代数为200、交叉率为0. 8、变异率为0. 02。
④利用GA对SVM的训练参数进行优化处理,获得优化的参数组合,建立SVM回归模型,对测试样本进行预测。
⑤对得到的预测值反归一化,获得分量a3 的预测结果。
同样,按以上步骤① - ⑤对其余分量d1、d2、d3建立SVM回归模型并预测,最后将所有分量的预测结果叠加得到极端降水的最终预测结果,如表2所示。
3. 4 预测结果分析比较
为了增加预测效果的对比性,本文还建立了基于单一支持向量机的预测模型( SVM模型) 、基于小波分析和无参数优化支持向量机的预测模型( WA_SVM模型) 来进行极端降水量的预测。将这两种模型与本文提出的WA_GASVM模型的预测结果进行对比,结果如表3 所示。
①SVM和WA _SVM模型的预测结果对比发现: WA_SVM模型的预测误差远小于SVM模型,而且WA_SVM模型的预测值能准确揭示实际降水的变化规律。由此可知,小波分析可以很好地将极端降水序列各分量进行分离,准确刻画极端降水的变化趋势,从而减小预测误差。
②WA_SVM和WA_GASVM模型的预测结果对比发现: 除个别特例( 2004 年,WA_GASVM模型的预测误差比WA_SVM模型稍大) 外,WA_GASVM模型的预测误差都要比WA_SVM模型小许多,由此可知,利用遗传算法的全局搜索能力选取最优支持向量机训练参数,可使支持向量机具有良好的泛化能力,从而提高预测精度。
4 结束语
支持向量机能对复杂的非线性关系进行很好的拟合,已被广泛应用于水文预测预报。但由于水文过程变化复杂,包含各种周期项、趋势项和随机项,仅使用支持向量机对序列本身进行回归的结果已不能满足人们的要求。而小波变换具有良好的时频局部化特性,能准确揭示水文时间序列的多尺度特性。另外,遗传算法具有强大的全局搜索能力,对支持向量机参数进行寻优可以克服人工选取的低效率和盲目性。
降水控制方法 篇6
为保证基坑开挖处于非饱和状态, 提高基坑边坡的稳定性, 基坑工程中常采用降水方法将坑内地下水位降低至开挖面以下。但随着地下水位的降低, 地层初始水位以下土体有效自重应力增加, 土体固结产生地面沉降, 造成降水影响范围内建 (构) 筑物产生不均匀沉降、开裂、倾斜, 严重时可能影响其正常使用甚至坍塌[1,2]。
为减小基坑降水对周围环境的影响, 通常设置止水帷幕, 将降水影响范围最大程度限制在基坑施工作业范围附近。然而, 止水帷幕却具有造价高、施工难度大、易产生裂缝而渗漏等缺点[3]。而回灌法借助工程措施, 将抽出的地下水重新引入含水层, 补给地下水, 从而抬高局部因基坑降水而降低的地下水位, 减小因地下水位降低而产生的地面沉降, 且回灌法较经济、简便、针对性强。基于此, 许多学者据回灌法多年工程实践, 定性分析了其优缺点[4,5], 并有一些学者通过数学解析法或数值法做了一些定量上的研究[6~8], 在相当程度上揭示了回灌法控制地面沉降的一般规律, 但仍有一些方面需要进一步探讨。
本文以某工程作为实例, 根据场地具体的地质条件, 建立了水-土耦合地面沉降模型, 应用数值模拟方法并结合解析解法, 模拟了距基坑边不同距离处回灌之后, 基坑及其周围一定范围地下水位和地面沉降变化情况。并对不同回灌井布置方案的处理效果进行了对比分析, 取得了比较满意的结果。
1 基本原理
1.1 回灌法基本原理
1.1.1 回灌法工作原理
回灌法的工作原理是在井点降水的同时, 将抽出的地下水通过回灌井重新灌入含水层中, 回灌水向井点周围渗透, 形成一个和降水曲线相反的倒降落漏斗, 使降落漏斗的影响半径不超过回灌井所在位置。这样, 回灌井点就形成一道隔水帷幕, 阻止回灌井点外侧建筑物下方地下水的流失, 并使回灌井外地下水位基本保持不变, 含水层应力状态基本维持原状, 有效地防止基坑降水对周围建筑物的影响[9]。工作原理如图1。
回灌法一般只能适用于渗透性较好的一类介质, 如填土、粉土、砂土、碎石土等。目前在工程中大量使用的是井点灌注法。该法由回灌井点与回灌总管、回灌支管、流量计、水箱、水源组成回灌系统, 补给水源 (主要是抽出的地下水) 从水箱先后经回灌总管、流量计、回灌支管进人回灌井点管, 补给地下水。回灌系统的设计内容主要包括:回灌井点的井位、井深和回灌水量。
1.1.2 回灌井点设计
回灌井间距通常为2.0~3.0m。在实际工作中, 可以先根据相关工程实践, 采用类比法初步设置井点间距之后可基于观测资料进行数值分析、再作适当调整, 可获得较为合理的回灌井布置方案。
回灌井的深度应据井点降水水位曲线和介质渗透性来确定, 通常可控制在最终降水水位曲线1.0~2.0m以下。具体步骤:先得出井点抽水后 (未回灌) 基坑周围的大致水位降深曲线, 然后获得各保护对象在降水后的地下水位标高, 由此确定回灌井滤管顶标高, 要求在降水水位曲线下至少1.0m。回灌井滤管长度应大于抽水井滤管的长度, 通常为2.0~2.5m。
计算回灌量之前, 应确定回灌井点的水位曲线方程。将每根井点管作为一口井, 为简便起见, 近似按潜水完整井考虑, 采用圆形补给边界条件。由地下水动力学中抽水井群的水位曲线方程可推得灌水井群的水位曲线方程为[10]:
式 (1) 中:z为计算点的水位 (m) ;H0为灌 (抽) 水影响半径以外的地下水位 (m) ;“±”中取“+”时为灌水, 取“-”时为抽水;Q为井群单位时间总灌 (抽) 水量 (m3/s) ;k为地基土渗透系数 (m/s) ;R为井群灌 (抽) 水影响半径 (m) ;ri为计算点到第i个井距离 (m) ;n为群井个数。
1.1.3 回灌水量设计 (步骤1)
据降水水位曲线, 在保护对象中选出水位最高点和最低点 (假设降水后水位分别为:z'1和z'2) 。假设此两点在回灌群井作用下的水位分别为:z1和z2 (尚未与降水后的地下水位迭加) , 回灌井滤管顶水位为:z3。并把z1、z2、z3分别代入式 (1) 中灌水井群的水位曲线方程。
根据回灌技术要求, 水位最高点与最低点在回灌后地下水位相同 (以保证保护对象在回灌后地下水位基本保持不变) 的原则, 可得:
回灌井点的灌水影响半径R可按库萨金公式[11]计算, 即
联立方程组 (1) ~ (3) 可求得到回灌水量Q。
1.1.4 水位验算 (步骤2)
根据步骤1计算结果, 计算回灌水对降水井位置处所引起的水位上升h (h=z-H0) 。若h≠0 (即保证基坑设计水位降深) , 则调整回灌井点的深度和间距等参数, 并重复步骤1、2, 直至满足设计水位要求。
1.2 数学模型原理
承压含水层三维非稳定渗流数学方程[11]为:
式 (4) 中, kxx, kyy, kzz分别为沿x, y, z坐标轴方向的渗透系数 (LT-1) ;h为点 (x, y, z) 在t时刻水头值 (L) ;W为源汇项 (T-1) , 主要为降水井的抽水量;SS为点 (x, y, z) 处的储水率 (L-1) ;Γ1为模拟区域第一类边界;Ω为渗流计算域。
含水层沉降量的沉降模型方程为:
式 (5) 中, Δb:A厚度含水层在Δt时间内的压缩量;Sst':含水层骨架部分 (非) 弹性储水率。
将qi添加到方程 (4) 的右端, 再加上相应的初始条件和边界条件, 及求解压缩量的方程 (5) , 构成了求解地面沉降的三维水-土耦合模型。
2 工程应用
2.1 工程概况
基坑 (如图2) 场地东、南、北面为拟建工程空地, 西面为居民平房住宅, 距离基坑边仅为16.8m, 由于该住宅年代已久, 对地面沉降十分敏感, 要求工程施工时严格控制住宅区域内地面沉降。工程采用大基坑开挖形式施工, 开挖尺寸100m×65m, 开挖深度6.9m, 起始地下稳定水位埋深为0.8m, 设计基坑中心地下水位需降至基坑底板以下0.5m, 设计水位降深为6.6m。基坑降水影响半径为500m, 含水层累计厚度44.7m。含水层至上而下分别为杂填土、粉质粘土、砂质粉土、细沙, 细沙下伏为相对隔水层。各含水层水文地质参数参见表1。
降水前, 基坑四周已施工布设了一道359.40m的环形支护板墙, 板墙埋深12.0m, 这对上部的中细砂含水层起到了有效的隔挡作用。沿板墙外边界等间距布置20眼降水井, 本次设计降水井为水泥滤管井, 成孔直径为600mm, 成井直径为400mm。在基坑西边断面1-1位置, 距坑边分别为30m、60m、90m、120m及O点和基坑边线处分别布设沉降观测点CJ1、CJ2、CJ3、CJ4、CJ5和CJ6。
2.2 模型的有效性验证
以基坑为中心, 东西、南北各扩展至500m作为本次模拟计算区域, 共计500m×500m, 四周均按定水头边界处理。据基坑场地水文地质条件特征, 将计算区垂直方向自上而下剖分成5层。在模型研究区域范围内, 采用等间距有限差分离散法进行自动剖分, 网格大小为5m×5m, 对涉及深基坑周边区域网格进行加密, 加密区网格大小1m×1m, 加密后共3576个单元格。采用Processing Modflow软件, 对本文所建模型进行降水沉降数值模拟。
将底面边界概化成隔水边界, 上边界处作为开放边界, 侧向边界概化为定水头边界, 即侧向边界为基坑排水的影响边界。模型范围计算厚度取44.7m, 降水井底部深入下部隔水层, 井深为25m。仅考虑抽水作用的影响, 采用Processing Modflow中的井流 (Well) 模块进行计算处理。各抽水井的抽水量按实际抽水量赋值, 单井抽水量在30~45m3/h之间, 含水层的相关参数见表1, 采用强隐式共轭梯度法进行求解。
降水45d达到设计水位降深后, 得到基坑及其周围一定范围内地表沉降等值线图 (图3) , 并取图2断面1-1位置此时地表沉降实测、模拟值数据绘制沉降对比图 (图4) , 表明模拟值与实测值拟合关系较好。可见, 通过Processing Modflow软件数值求解所建模型是有效的。
2.3 回灌效果数值模拟
由图4可知, A平房住宅O点 (距西面基坑边16.87m) 的不均匀沉降实测值和模拟值分别为3.33cm和3.10cm, 且实际监测发现住宅外墙有3条较明显的裂缝, 并且沿墙底有很多短而细小的裂缝, 无法满足建筑对沉降的要求。因基坑其它三面均为空地, 采用止水帷幕造价太大, 且西面住宅距基坑边较近, 无法取得较好效果, 为保证基坑施工期间住宅不产生过大不均匀沉降, 采用回灌法将是最理想的选择。
2.3.1 回灌井设计
研究表明:回灌井埋设深度对回灌引起地下水位上升的范围影响很小, 对基坑周围地表沉降的影响也很小[12]。因此施工过程中可适当增加回灌井埋设深度, 以防止回灌水溢出地表, 确保回灌效果, 可取回灌井点井底埋深3.5m。据1.1.3中回灌量Q的计算方法, 在基坑西边距离基坑边5m处设一单排回灌井群, 并取回灌井间距为2.5m, 计算得单井回灌量Q为8.31m3/h。用验证后的模型模拟获得地下水位变化等值线图, 发现基坑位置并未达到设计水位降深。为满足设计水位降深要求, 增大回灌井间距, 重新计算单井回灌量Q, 并把新数据导入验证后的模型进行水位模拟。经反复调校, 获得最终回灌井间距和回灌量分别为3.64m和7.08m3/h。同理获得分别在基坑西边距离基坑边10m、15m处设一单排回灌井群时, 回灌井间距和回灌量分别为2.82m、15.16m3/h和2.19m、19.97m3/h。
2.3.2 模拟结果
为方便比较和总结规律, 回灌井群距基坑边分别为5m、10m、15m三种工况同样取经Processing Modflow模拟45 d后, 得到基坑西侧断面1-1 (图2) 地下水位和地面沉降的变化数据, 并与不回灌情况下降水模拟45d的数据相比较。其中, 图5反映了不回灌和回灌井群距基坑边分别为5m、10m、15 m时, 基坑西侧断面1-1内水位的变化;而图6则为达到设计降深后, 不回灌和回灌下井距基坑边对应距离处 (5m、10m、15m) , 地面沉降的变化。
2.3.3 结果分析和讨论
由图5和图6可做如下讨论:
(1) 随着回灌井距基坑边距离增加, 回灌引起地下水位上升的范围扩大, 说明在一定范围内远离基坑边处的回灌效果优于近处。可见, 回灌点布置应尽可能靠近保护对象。
(2) A平房住宅O点 (距西面基坑边16.87m) 在回灌井距基坑边依次为5m、10m、15m时的不均匀沉降量分别为1.63cm、1.23cm、0.66cm, 基本满足建筑对沉降的要求。
(3) 设置回灌井可以减小回灌点附近地面的总沉降量。但对于不均匀沉降量而言, 回灌点外远离基坑方向, 随着回灌井远离基坑边, 不均匀沉降呈现明显减小趋势, 而回灌点靠近基坑方向, 则出现先减小后明显增加的趋势。可能是回灌点至基坑边之间的含水层受到了抽水和回灌的多重作用, 致使含水层不均匀性增加, 增大了地表的不均匀沉降。
(4) 随着回灌井距基坑边距离的增加, 回灌点以外的总沉降量和不均匀沉降都减小, 说明在一定范围内远基坑处的回灌效果优于近处。
3 结论
(1) 从地表沉降模拟值和实测值对比分析可知, 本文建立的水-土耦合地面沉降模型并采用Processing Modflow软件进行数值模拟是有效的。通过改变不同的回灌条件, 定量上实现了不同回灌条件下基坑周边地面沉降的模拟, 获得了回灌法控制地表沉降的一般规律。相关结论与采用回灌法的深基坑降水工程多年现场实践观测情况相一致。
(2) 模拟结果表明:在基坑外侧一定距离处设置回灌井, 可明显减小回灌处远离基坑方向地表总沉降和不均匀沉降。且随着回灌井距基坑边距离增加, 回灌处远离基坑方向地表总沉降和不均匀沉降减小更显著, 说明在一定范围内, 远基坑处的回灌效果优于近处。因此, 工程实践中在确保回灌效果基础上, 可适当增加回灌井与基坑边的距离。
摘要：深基坑降水往往伴有地面不均匀沉降等环境问题, 人工回灌法是解决此类问题的有效手段之一。基于多场耦合作用理论, 建立水-土耦合模型, 应用Processing Modflow软件数值模拟了不同回灌井布置方案下基坑周围地面沉降及其变化。结果表明:设置回灌井后, 基坑周边地面的沉降量明显减小, 且回灌处相对远离基坑的地面沉降减小十分显著;在一定范围内, 相对远离基坑处的回灌效果优于相对近基坑处。
降水控制方法 篇7
中国从上世纪八十年代开始对酸雨污染进行观测调查研究, 国家环境保护部和中国气象局分别于1982年和1989年建立了各自的全国酸雨监测网。目前中国已成为仅次于欧洲和北美的全球第三大酸雨区, 酸雨地区面积占国土面积的40%左右。
空气中二氧化碳溶解于降水和从降水中逸出达到动态平衡时的p H约为5.60, 因此通常称p H<5.60的降水为酸雨[1]。在自然环境中, 除了空气中的二氧化碳, 天然的植物、海藻等在阳光照射下释放出一些气体, 经过一系列的氧化作用而形成甲酸、乙酸, 使降水的p H值达到4.8~5.00[1], 全球降水背景值在5.00左右。人为污染的酸性物质主要是二氧化硫和氮氧化物, 在空气中被氧化成硫酸盐和硝酸盐等酸性气溶胶, 是形成酸雨的主要原因[1], 此外空气中的氨和颗粒物对酸雨有中和与缓冲作用。
酸雨危害是多方面的, 包括对人体健康、生态系统和建筑设施都有直接或间接的危害。
全国各地对酸雨监测工作越来越重视, 为了确保降水分析数据的完整性和可比性, 各级监测部门均配备了降水自动监测仪。降水自动监测仪的使用避免了手工采样的时间误差和人工分析误差, 一方面确保了降水样品采集的完整性, 另一方面保证了降水水样的及时分析和低温保存。
但是在实际工作中, 降水自动监测仪却存在种种问题, 且从数据上不容易发现这些问题。
1 实际工作中降水自动监测仪存在的问题
1.1 监测点位环境要求不能全年达到
测点周围下垫面要求无裸露土壤以免风沙扬尘的影响, 有些点位当初选点时草木葱郁, 未考虑其冬季或旱季是否符合要求;采样点应避开局地污染源, 若采样点附近新增局地污染源, 为确保数据的可比性和准确性, 采样点是否要做适当的调整, 如不做调整, 数据在记录时应有备注以说明情况。
1.2 没有配套的降雪自动监测仪
南方冬季降雪较为普遍, 但很多部门却只有降水自动监测仪而没有降雪自动监测仪, 降雪收集工作仍然沿用原来的手工采样和分析, 对于夜间的降雪经常出现样品收集不完整, 对于一些户外环境恶劣的采样点, 手工采样存在更多的不确定性。
1.3 降水监测仪的日常维护保养大多没有细化并落到实处
管理台账缺失或过于简单, 仪器是否正常运转、集水漏斗和管路的清洗日期和清洗是否合格、去离子水和p H、电导率自动校准溶液的更换日期、手动或自动校准的日期、仪器检定的日期、仪器异常的记录和维修记录等内容要全面。
1.4 数据有效性没有甑别
仪器校准或比对时发现异常以及仪器出现故障时生成的数据不可信, 要加以备注, 在数据使用时加以剔除。
错误的数据比没有数据更可怕。为了获得准确可靠的降水自动监测数据, 仪器的质量保证和质量控制措施尤为重要。在日常工作中, 可以从以下几方面加强降水自动监测仪的质量保证和质量控制工作。
2 降水自动监测仪的质量保证工作
2.1 每月检查降水自动监测仪运转是否正常
主要确保传感器和连动盖子的开启应达到要求, 开盖时间不超过60 s, 关盖时间不超过5 min[2]。
2.2 每周清洗接水容器漏斗管道和过滤器等
由于仪器盖板密封不严, 未降水时有干沉降粒子进入接水漏斗, 对雨水有较强的中和缓冲作用, 导致降水酸度的误判。因此每周的清洗工作尤为重要。清洗过滤器及其相邻管道时可先用自来水反冲再将其放入超声波清洗机中3 min~5 min, 取出后再用去离子水冲洗三次。将已清洗洁净的过滤器、管道连接上接水容器后用200 ml已测电导率去离子水 (L1) 清洗已清洗洁净的采样容器, 测其清洗液的电导率 (L2) , 要求 (L1-L2) /L2<50%, 同时检查去离子水质量, 要求L1<1.5μg/cm, 如不能达到要求, 继续清洗[4]。
2.3 每月清洗雨量计一次
用250 ml、500 ml、1 000 ml的蒸馏水缓缓注入雨量计各三次, 分别计算各次测量时监测仪显示的降雨量hi与理论降雨量H的差△hi, 再计算出三次测量的平均误差作为降雨量测量误差△h, 若H≤10mm, △h≤±0.4 mm或H>10 mm, △h/H≤4%[2], 则雨量计正常运行, 数据可信, 否则及时通知厂家维修。清洗时间:当日9:00~次日9:00为一个降水采样周期, 选择当日无降水并在次日08:00~09:00时间段清洗。这样可以避免因清洗而带来雨量计的读数和真实降雨量的叠加。
2.4 降水自动监测仪的日常维护保养记录和采样记录应完整准确
每日远程查看仪器数据, 记录仪器是否正常运转;发现仪器异常, 及时检查维修并做好记录;仪器的清洗记录、去离子水和PH、电导率自动校准溶液的更换记录、仪器手动或自动校准记录、仪器检定记录等。
3 降水自动监测仪的质量控制工作
a) 降水自动监测仪每年定期接受质量监督主管部门进行设备检定[4], 检定合格后方可使用;
b) 每半年带p H和电导率标样一次[3];
c) 每月降水自动监测仪自动或手动校准p H和电导率各一次;
d) 每月人工采样分析与降水自动监测仪做一次比对。其中p H测定结果之差应不大于0.05 p H, 电导率测定结果之差应不大于1μg/cm[4];
e) 每月用校准过的水银温度计校验降水自动监测仪的温度传感器一次。温度对电导率和p H的测定有一定的影响;
f) p H缓冲溶液、标准氯化钾溶液和自动清洗的去离子水每月更换一次;
g) 同一采样点位如有条件安置两台同型号的降水自动监测仪, 一来可对日常数据进行平行样测定, 判定降水分析数据的有效性;二来可防止因仪器故障导致水样和自动监测数据的丢失或无效;
h) 阴、阳离子平衡的评价。目前降水监测的项目有:降水量、p H、电导率、SO42-、NO3-、CL-、F-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+等项目, 南方地区加测有机酸离子 (甲酸、乙酸) , 北方地区 (p H≥5.6) 加测HCO3-[1]。对降水样品进行阴阳离子平衡计算, 可以判断降水样品分析结果的好坏。
4 结语
大气无国界, 防治酸雨是个全球性的环境问题。做好全国酸雨监测工作, 提供准确可靠的降水分析数据, 是我们每一位降水分析者的任务, 只有准确地了解各地实际的降水情况, 我们才能有针对性地采取措施, 有效地治理酸雨污染。在此过程中, 我们在布点时要充分考虑其代表性, 在日常工作中, 要扎实做好每一项质量保证和质量控制工作, 确保每一个降水分析数据的准确性、可靠性。
摘要：降水自动监测仪已在全国各级监测部门中普遍使用, 为获得质量可靠的自动监测数据, 从质量保证和质量控制的角度出发, 对降水自动监测仪的日常维护保养提出注意事项。
关键词：降水自动监测仪,质量保证和质量控制,维护保养注意事项
参考文献
[1]吴国平.空气和废气监测分析方法 (第四版) [M].北京:中国环境科学出版社, 2003.
[2]中国环境监测总站.HJ/T175-2005降水自动监测仪技术要求及检测方法[S]北京:中国环境出版社, 2005.
[3]南京市环境监测中心站.南京市环境监测质量保证工作细则[S].2003-9-25.
[4]南京市环境监测中心站.南京市环境检测实验室质量保证工作实施细[S].2012-3-26.