一种排水盲沟网格水头分布的简化设计方法及系统

技术领域

本发明属于土木工程降水技术领域，特别涉及一种排水盲沟网格水头分布的简化设计方法及系统。

背景技术

随着地下建筑结构的面积和深度越来越大，地下结构的抗浮问题显得愈发突出，在一些大规模地下工程施工或者使用过程中，因抗浮问题导致的结构上浮、底板开裂等案例屡有发生

目前，国内外已有一些关于水平导排结构解析解研究的报道。胡杰

然而，上述学者给出的水平渗流计算解析解均仅为一维流的情况，即取一个剖面进行计算，对于平面上纵横交错的排水盲沟网络中任意一点水头计算的解析解研究不足。

同时，目前对于排水盲沟网络的分析计算使用的方法主要为有限元建模等数值模拟方法，赵坚、沈振中

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发明内容

本发明的目的在于为了解决排水盲沟网络设计仅能依靠通过有限元软件模拟计算，缺乏简单快捷性的技术缺陷，提出合理计算排水盲沟网络水头分布的简便计算方法，简化排水盲沟网络初步设计，大幅度提高了初步设计阶段的效率，缩短计算时间，降低人力成本的投入，为排水盲沟网络设计提供了快捷合理的参考。

为了实现本发明目的，本发明提供的一种排水盲沟网格水头分布的简化设计方法，盲沟及底板底部设置疏水层，且疏水层渗透系数大于下部土层，所述方法包括以下步骤：

确定基本参数；

排水盲沟网络中包括多个盲沟矩形单元，初步设计排水盲沟矩形单元的尺寸以及盲沟矩形单元的布置；

根据排水减压相关规范计算方法计算排水盲沟网络的减压总排水量，盲沟总排水量Q包括绕过止水帷幕的流量及通过帷幕渗透入另一侧的流量；

根据地层条件情况，确定入渗量分布，从而计算单元流量分配系数η；

根据单元流量分配系数以及减压排水量，计算各盲沟矩形单元的单位入渗量；

基于前述步骤，得到排水盲沟网络各位置的水头大小；

通过调整排水盲沟矩形单元的尺寸和单元流量分配系数η来使结果满足预设的验算条件，得到底板水头分布。

作为本发明再进一步的方案:所述基本参数包括：

场地抗浮设防地下水位h

几何参数：区域底部疏水层渗透系数K、弱透水层渗透系数k、止水帷幕渗透系数k

作为本发明再进一步的方案，排水盲沟单元尺寸以及布置：

初步设计排水盲沟矩形单元长的一半a、排水盲沟矩形单元宽的一半b，设计原则如下：

根据不同地层条件的盲沟单元尺寸设计原则不同，若底板下部地层为弱透水层中夹有一层强透水层(即复合地层条件，见图2)，底板入渗量会均匀分布，盲沟可等间距均匀布置，也可非等间距布置；若下部地层无强透水层(即单一地层条件，见图3)，入渗量大部分集中在距帷幕1到1.5倍坑底含水层厚度范围内，盲沟间距应在该范围内减小，在底板中部增大。

作为本发明再进一步的方案:确定单元流量分配系数η时，单元流量分配系数的确定方法需根据地层条件确定，可分为复合地层条件和单一地层条件：

1)在复合地层条件下，当底板底部土体存在强透水层时，认为入渗量均匀分布于整个底板，η取1；S取所有单元面积之和，即底板总面积。

2)在单一地层条件下，底板入渗量基本都分布在距离坑底含水层厚度1.5倍范围内。具体计算公式如下：

其中M为含水层厚度，s为帷幕嵌固深度，K'为补模为

作为本发明再进一步的方案，盲沟单位入渗量计算公式为：

其中p为盲沟单位入渗量，η为流量分配系数，S为部分单元面积之和。

通过下述示例说明如何确定η和S：用P(0.1,0.1)表示表1中x/M＝0.1，s/M＝0.1时P的计算值。假设一基坑s/M＝0.3，则对于所有位于x<0.5M范围内的单元η＝P(0.5,0.3)＝0.577，S取这部分单元面积之和，进而通过上式求得p；位于0.5M≤x＜M范围内的单元η＝P(1,0.3)-P(0.5,0.3)＝0.236，S取这部分单元面积之和，进而求得p；其余单元的入渗量也可依次求出。

作为本发明再进一步的方案，底板水头分布计算公式为：

其中h(x，y)为盲沟单元(x，y)位置的水头大小，a为排水盲沟矩形单元长的一半，b为排水盲沟矩形单元宽的一半，K为区域底部疏水层渗透系数，D为疏水层层厚度，见图1。

作为本发明再进一步的方案，验算计算结果是否满足：

h

其中h

若不满足上式否则调整参数a、b、η，使计算结果满足要求。

本发明还提供一种排水盲沟网格水头分布的简化设计系统用于实现前述简化设计方法，所述系统包括：

初步设计模块，用于初步设计排水盲沟矩形单元的尺寸以及盲沟矩形单元的布置；

减压总排水量确定模块，用于根据排水减压相关规范计算方法计算排水盲沟网络的减压总排水量，盲沟总排水量Q包括绕过止水帷幕的流量及通过帷幕渗透入另一侧的流量；

单元流量分配系数确定模块，用于根据地层条件情况，确定入渗量分布，从而计算单元流量分配系数η；

单位入渗量确定模块，根据单元流量分配系数以及减压排水量，计算各盲沟矩形单元的单位入渗量；

水头确定模块，用于得到排水盲沟网络各位置的水头大小；

调整验算模块，通过调整排水盲沟矩形单元的尺寸和单元流量分配系数η来使结果满足预设的验算条件。

与现有技术相比，本发明至少能够实现的有益效果是：

本发明能够大幅度提高排水盲沟网络初步设计阶段的效率，缩短计算时间，降低人力成本的投入，为排水盲沟网络设计提供了快捷合理的参考。

附图说明

图1为盲沟单元简化模型示意图；

图2为复合土层情况示意图；

图3为排水盲沟网络均匀布置示意图；

图4为单一土层情况示意图；

图5为排水盲沟网络非均匀布置示意图；

图6为排水减压排水量量计算示意图；

图7为算例一简化算法计算结果示意图；

图8为算例二简化算法计算结果示意图；

图9为算例三简化算法计算结果示意图；

图10为算例一有限元法计算结果示意图；

图11为算例二有限元法计算结果示意图；

图12为算例三有限元法计算结果示意图；

图13为排水盲沟网络水头分布简化设计方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，结合附图对本发明中的算例分析进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在实际工程中，地下结构常处于复合土层和单一土层两种典型地层环境中，针对该两种典型土层分别用本发明提供的简化方法进行盲沟设计计算。

算例1

复合土层中的排水盲沟网格

见图2，基坑处于透水性一般的土层中，距离底板底5m处有一5m厚且与远处连通的强透水层(即复合地层条件)。

该情况下由于强透水层的存在，流量基本在整个底板区域均匀分布，不只集中在基坑边缘一定范围内。

地表为入流边界，施加暴雨水头，水头值等于地表高程。弱透水层渗透系数k

对于一长100m、宽50m、深5m的基坑，基坑下铺设0.5m厚的疏水层，基坑周边设置一圈1m厚度的止水帷幕，止水帷幕截穿坑底强透水层，盲沟采取均匀布置方案，见图3。

算例2

单一土层中的排水盲沟网格(非均匀布置)

见图4，基坑处于单一土层中。

该情况下大部分的排水量由边缘一定范围的排水盲沟网格排走；

地表为入流边界，施加暴雨水头，水头值等于地表高程。土层渗透系数k取为2×10

对于一长100m，宽50m，深5m的基坑，基坑下铺设0.5m厚的疏水层，基坑周边设置一圈1m厚度的止水帷幕，止水帷幕低于底板底5m，盲沟布置方案见图5。

算例3

单一土层中的排水盲沟网格(均匀布置)

见图4，基坑处于单一土层中。

为计算该方法安全性，本算例假定底板流量基本在整个底板区域均匀分布；

地表为入流边界，施加暴雨水头，水头值等于地表高程。土层渗透系数k取为2×10

对于一长100m，宽50m，深5m的基坑，基坑下铺设0.5m厚的疏水层，基坑周边设置一圈1m厚度的止水帷幕，止水帷幕低于底板底5m，盲沟布置方案见图3。

请参阅图2～9，本发明提供的一种排水盲沟网络水头分布的简化设计方法，包括以下步骤:

步骤一、确定基本参数。

本步骤中，所需确定的基本参数包括场地抗浮设防地下水位h

所述几何参数包括：区域底部疏水层渗透系数K、弱透水层渗透系数k、止水帷幕渗透系数k

步骤二、排水盲沟网络中包括多个盲沟矩形单元，初步设计排水盲沟矩形单元尺寸以及布置。

根据地层条件情况不同，进行不同形式的排水盲沟网络设计。不同地层条件的盲沟单元尺寸设计原则不同，若底板下部地层为弱透水层中夹有一层强透水层(即复合地层条件，见图2)，底板入渗量会均匀分布，盲沟矩形单元可等间距均匀布置(当然，在其他实施例中，也可以不是等间距布置)；若下部地层无强透水层(即单一地层条件，见图4)，入渗量大部分集中在距止水帷幕1到1.5倍坑底含水层厚度范围内，盲沟矩形单元间距应在该范围内减小，在底板中部增大。

本步骤中，初步设计排水盲沟矩形单元长的一半a、排水盲沟矩形单元宽的一半b。

其中，算例一具体布置形式见图3，盲沟单元等间距均匀排布；算例二具体布置形式见图5，盲沟单元非均匀排布；算例三具体布置形式见图3，盲沟单元等间距均匀排布。

步骤三、计算排水盲沟网络的减压排水量。

本步骤中，根据排水减压相关规范(华南理工大学，广州建筑科学研究院有限公司.T/CECS942-2021地下结构给排水减压抗浮技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2021)，减压排水量计算公式为：

其中

其中，Q为按照抗浮降水需求，整个盲沟排水减压总排水量，盲沟总排水量Q由绕过止水帷幕的流量及通过止水帷幕渗透入另一侧的流量组成；d为截渗墙厚度；ζ

步骤四、确定盲沟矩形单元的流量分配系数。

在本发明的其中一些实施例中，根据地层条件情况，确定入渗量分布，从而计算单元流量分配系数。

前述算例1中：在复合地层条件下，当底板底部土体存在强透水层时，认为入渗量均匀分布于整个底板，单元流量分配系数η取1；S取所有单元面积之和，即底板总面积。

前述算例2中：在单一地层条件下，底板入渗量85％-95％都分布在距离坑底含水层厚度1.5倍范围内，具体计算公式如下：

其中M为含水层厚度，s为帷幕嵌固深度，K'为补模为

可见在地层参数确定的情况下，P仅和x与含水层厚度M的比值以及止水帷幕嵌固深度比s与含水层厚度M的比值相关。

通过改变s和x的取值，计算P的值，得到x方向入渗量占比参考值如表1(即单元流量分配系数η取值)。经过多次试算，位于基坑周边的盲沟矩形单元(单元A、B、C)的流量分配系数η取0.85，位于基坑中部的盲沟矩形单元的(单元D)流量分配系数η取0.15，在每个单元内仍认为入渗量均匀分布。即计算单元ABC的盲沟单位入渗量时，单元流量分配系数η取0.85，S取单元ABC的面积总和；计算单元D的盲沟单位入渗量时，单元流量分配系数η取0.15，S取单元D的面积总和。

前述算例3中：本算例假定入渗量均匀分布于整个底板，则单元流量分配系数η取1；S取所有单元面积之和，即底板总面积。

表1x方向入渗量占比参考值表

步骤五、计算盲沟单位入渗量。

在本发明的其中一些实施例中，根据单元流量分配系数以及减压排水量，计算各盲沟矩形单元的单位入渗量。

在本发明的其中一些实施例中，盲沟单位入渗量计算公式为：

其中，p为盲沟单位入渗量，η为单元流量分配系数，S为部分单元面积之和。

通过下述示例说明如何确定η和S：用P(0.1,0.1)表示表1中x/M＝0.1，s/M＝0.1时P的计算值。假设一基坑s/M＝0.3，则对于所有位于x<0.5M范围内的单元η＝P(0.5,0.3)＝0.577，S取这部分单元面积之和，进而通过上式求得p；位于0.5M≤x＜M范围内的单元η＝P(1,0.3)-P(0.5,0.3)＝0.236，S取这部分单元面积之和，进而求得p；其余单元的入渗量也可依次求出。

步骤六、底板水头分布计算。

利用以上步骤计算结果以及所推导得到的计算公式，计算得到排水盲沟网络各位置的水头大小。

底板水头分布计算公式为：

其中h(x，y)为盲沟单元(x，y)位置的水头大小，a为排水盲沟矩形单元长的一半，b为排水盲沟矩形单元宽的一半，K为区域底部疏水层渗透系数，D为疏水层层厚度，见图1。m为正整数。

在本发明的其中一些实施例中，该简化计算式收敛速度极快，从m＝2开始结果已基本稳定，实际计算中建议取至m＝3即可。

步骤七、验算与参数调整。

在本发明的其中一些实施例中，需验算计算结果是否满足：

h

其中h

若不满足上式，调整参数a、b、η，使计算结果满足要求。

简化算法的实际计算中，几何参数部分都是给定的，调整余地有限。参数a，b代表了盲沟的平面布置，η代表入渗量的分布情况，对算得水头分布及单元最大水头值h

有限元仿真模拟中，几何参数取值同上，出口高程h

前述算例通过本发明方法得到的计算结果见图7～8：

算例一计算结果见图7；

算例二计算结果见图8；

算例三计算结果见图9。

前述算例通过有限元方式得到的有限元计算结果见图10～12：

算例一计算结果见图10；

算例二计算结果见图11；

算例三计算结果见图12。

各算例结果分析：

1)算例一：通过本发明提供的简化方法得到的总排水量Q＝23.79m

2)算例二：通过本发明提供的简化方法得到的总排水量Q＝14.58m

3)算例三：通过本发明方法得到结果显示减压后各个盲沟单元的水头分布一致；有限元结果则显示减压后基坑中心的单元几乎不承受水压力，周边单元底板水压力明显高于中心单元，且四种位置的单元内简化方法得出的底板最大水头值都大于有限元方法。可见在该种土层条件下直接按入渗量均布进行计算对于减压设计层面是偏于安全的，但会过于保守，不利于设计的经济性。

本发明还提供一种排水盲沟网格水头分布的简化设计系统，用于实现前述方法，所述系统包括：

初步设计模块，用于初步设计排水盲沟矩形单元的尺寸以及盲沟矩形单元的布置；

减压总排水量确定模块，用于根据排水减压相关规范计算方法计算排水盲沟网络的减压总排水量，盲沟总排水量Q包括绕过止水帷幕的流量及通过帷幕渗透入另一侧的流量；

单元流量分配系数确定模块，用于根据地层条件情况，确定入渗量分布，从而计算单元流量分配系数η；

单位入渗量确定模块，根据单元流量分配系数以及减压排水量，计算各盲沟矩形单元的单位入渗量；

水头确定模块，用于得到排水盲沟网络各位置的水头大小；

调整验算模块，通过调整排水盲沟矩形单元的尺寸和单元流量分配系数η来使结果满足预设的验算条件。

本发明适用的前提条件是盲沟及底板底部需设置疏水层，且疏水层渗透系数要远大于下部土层。存在疏水层才能使得盲沟单元内的入渗量均匀分布，保证简化算法结果的准确性。

最后应说明的是：本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，对本领域的普通技术人员来说，应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。