基于多元线性回归分析方法的临水基坑防渗降水措施研究.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:付业伟男高级工程师研究方向:港口与航道工程基于多元线性回归分析方法的临水基坑防渗降水措施研究付业伟张文侃徐世濠苏 凯(.湖南省航务工程有限公司湖南 长沙 .湖南省水运建设投资集团有限公司湖南 长沙.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北 武汉.武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室湖北 武汉.海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室(武汉大学)湖北 武汉)摘要:为保证临水强透水地层基坑施工的安全多采用帷幕和管井联合防渗降水措施 利用 有限元计算软件针对某临水基坑通过采用多元线性回归方法建立帷幕和管井的防渗降水效果的数学计算模型对帷幕和管井作用下的基坑渗流特征及帷幕管井措施设计参数对其防渗降水效果的影响进行研究建立帷幕和管井的防渗降水评价参数的预测模型实现对其防渗降水效果的快速评价 工程实际验证表明计算模型对渗流量的预测与实际十分接近对边坡水位的预测效果稍差整体上满足工程设计要求关键词:临水基坑防渗降水措施多元线性回归方法帷幕防渗管井降水中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.():.:水 电 与 新 能 源 年第 期 随着我国快速发展如何高效利用土地资源成为目前重要的课题由于我国流域丰富这些地区的地层往往有着地下水位高、渗透性强等特点特别是对于船闸建设在船闸基坑开挖过程中高地下水不仅会使得开挖工作开展不利而且会导致流沙、管道、开挖底板被淹等危害进而引起基坑土塌陷、地面沉降不均匀、地下水资源浪费等 目前对临水强透水层地层基中地下水的控制方式主要有止水和降水两种分别对应的措施通常为止水帷幕和降水管井 然而对于船闸基坑工程中的地下水控制措施的组合方式多种多样船闸基坑工程中如何选择合适的地下水控制方案有待深入探究目前已有诸多学者针对基坑工程的防渗降水措施进行了研究其中不同学者考虑的因素也有所不同陆马兰等人总结了几种基坑工程中的防渗降水措施并改变帷幕与管井布置参数对帷幕防渗效率进行研究 胡瑶针对基坑防渗结构影响下的管井渗流根据防渗结构本身的完整度、渗透系数、水文地质参数、与井的相对位置以及井的类型等因素提出不同情况下井周水头简化计算方法 骆祖江等人对基坑水文地质参数进行反演利用反演得到的参数对基坑进行渗流有限元分析在此基础上分别针对一定防渗帷幕贯入度优化降水井方案对帷幕管井联合作用下的基坑防渗降水效果进行深入分析 李光明等人探究帷幕深度对基坑内外水位以及降水速率的影响同时探究管井抽水速率、管井深度以及管井抽水时间对基坑内外水位的影响 同时当前研究对评价帷幕与管井的防渗降水效果的方式有所不同 周华雷等人以地下水位、基坑渗流量、渗透坡降等参数作为防渗效果判断依据研究得出当帷幕达到基岩时继续增加帷幕深度得到的防渗收益显著减小 张钦喜等人利用坑外降水深度和基坑渗流量来评价帷幕的防渗效果探究帷幕深度和基坑形状对帷幕防渗效果的影响 徐帮树等人则通过降水深度来评价管井的降水效果分析了不同降水方案的降水影响范围以及降水井的降水效果 刘凌晖等人通过等效降水井公式将帷幕防渗效果量化为帷幕影响系数 利用帷幕影响系数 与帷幕贯入度 的变化曲线作为评价标准探究各种计算参数对 曲线的影响 由上述研究成果发现虽然有大量学者均对基坑中帷幕与管井的防渗降水效果有所研究但当前对于基坑中帷幕和管井的防渗降水效果的评价方式并没有形成统一的规定而且大部分学者对于帷幕和管井措施的防渗降水效果评价仍停留在定性阶段对于如何预测帷幕和管井措施的防渗降水效果评价参数还有待研究本文利用 有限元计算软件分别对帷幕和管井作用下的基坑渗流特征进行研究根据其不同的渗流特征采用不同的防渗降水评价参数对帷幕和管井措施的防渗降水效果进行影响分析研究帷幕管井措施设计参数对其防渗降水效果的影响在此基础上采用多元线性回归方法建立帷幕和管井的防渗降水评价参数的预测模型实现帷幕和管井措施防渗降水效果的快速评价为邻水基坑工程中帷幕和管井的布置方案提供设计依据 多元线性回归分析基本理论多元线性回归方法是通过多个自变量 来预测因变量 其中认为 与 之间存在如下函数关系:()式中:为多元回归系数 为自变量数量 为残差项通常认为其服从正太分布通过对问题进行观测统计一定数量的样本即可预测因变量和自变量之间的具体关系即求解式()回归系数 回归系数可通过最小二乘法计算得到为了判断由最小二乘法计算得到的多元线性回归方程效果是否良好需要对回归系数 进行评价通常采用回归确定系数 来评价多元线性回归方程的良好程度越接近 可以认为因变量与自变量之间的关系越接近线性回归方程的拟合效果更好反之认为因变量与自变量之间的关系线性可能越低回归方程的拟合效果越差 基坑防渗降水措施效果影响分析本文以湘江某船闸工程基坑为例利用 有限元计算软件对有帷幕和管井措施条件下的基坑渗流情况进行分析计算模型如图 所示模型高 基坑宽 深 坡度为.土体渗透系数为/帷幕渗透系数为/以下分别针对帷幕单独作用、管井单独作用和帷幕管井共同作用三种工况采用不同的防渗降水效果评价参数探究帷幕管井措施设计参数对防渗降水效果的影响为建立防渗降水措施效果评价参数的预测模型提供依据付业伟等:基于多元线性回归分析方法的临水基坑防渗降水措施研究 年 月图 基坑渗流计算模型单元划分示意图.帷幕防渗效果影响分析采用帷幕作为基坑防渗降水措施帷幕处会产生明显的水位下降边坡会有一定程度的坡脚溢流因此采用单宽渗流量、帷幕降水深度、边坡水位这三个参数来评价帷幕的防渗效果其中帷幕降水深度为帷幕内外水位差边坡水位为浸润线与坡面交点的水位约定基坑底部为 水位线 下面采用帷幕防渗效果评价参数探究帷幕深度和帷幕距基坑的距离对防渗效果的影响(见图)图 帷幕贯入度与渗流量关系曲线根据对帷幕防渗效果评价参数随帷幕设计参数影响分析当采用落地式帷幕时单宽渗流量与帷幕降水深度相比悬挂式帷幕会产生较大的突变此时的防渗效果最佳 而悬挂式帷幕的防渗效果相比落地式帷幕有着明显的下降并且随着帷幕深度的减小帷幕防渗效果逐渐减弱其中单宽渗流量随帷幕贯入度的变化存在明显的拐点该拐点处于帷幕贯入度.之间帷幕降水深度与边坡水位随帷幕贯入度的变化近似线性关系 根据对帷幕距基坑距离的影响分析无论是落地式帷幕还是悬挂式帷幕帷幕距基坑的距离对单宽渗流量、帷幕降水深度、边坡水位这三个参数均影响不大可以认为帷幕距基坑的距离对帷幕的防渗效果基本没有影响.管井降水效果影响分析当只采用管井作为基坑防渗降水措施管井的降水作用使得土体浸润线迅速下降边坡会有一定程度的坡脚溢流因此采用管井流量与边坡水位这两个参数评价管井的降水效果其中边坡水位为浸润线与坡面交点的水位约定基坑底部为 水位线 下面采用管井降水效果评价参数探究管井深度、管井间距和管井半径对降水效果的影响根据对管井降水效果评价参数随管井设计参数影响分析由图 表明管井流量和边坡水位随管井深度、管井间距和管井半径的变化均呈现近似线性变化管井的降水效果随着管井深度增大而增大随着管井间距增大而减小随着管井半径增大而增大但管井深度和管井间距对管井降水效果评价参数影响较大管井半径对管井降水效果评价参数影响较小.帷幕管井共同作用防渗降水效果影响分析当采用帷幕和管井共同作用的基坑防渗降水措施帷幕和管井的防渗降水作用会叠加基坑渗流特征与管井单独作用时类似因此采用管井流量与边坡水位这两个参数评价帷幕管井共同作用防渗降水效果采用落地式帷幕时帷幕防渗效果良好基坑总渗流量值较小且边坡水位与基坑高程十分接近采用管井降水后基坑总渗流量略有增加但不明显同时边坡水位相比未使用帷幕并未明显下降采用悬挂式帷幕时帷幕防渗效果相比落地式帷幕有所下降采用管井降水后基坑总渗流量大幅增加此时管井的降水效果良好 而且帷幕管井共同作用时管井设计参数对帷幕管井共同作用防渗降水效果评价参数的影响与管井单独作用时类似管井流量和边坡水位随管井深度、管井间距和管井半径的变化均呈现近似线性变化其中管井深度和管井间距的影响比较明显管井半径的影响较小 基坑防渗降水措施效果评价参数预测模型 根据基坑帷幕与管井防渗降水效果影响分析对于帷幕管井设计参数对防渗降水效果评价参数的影响已经有了定性的了解但如何通过帷幕管井设计参数快速计算防渗降水效果评价参数还有待研究本文将水 电 与 新 能 源 年第 期图 管井降水效果评价参数随管井设计参数变化曲线通过多元线性回归方法对帷幕和管井措施的防渗降水效果评价参数进行快速计算分别针对帷幕措施、管井措施以及帷幕管井共同作用的条件分别构建基坑防渗降水措施效果评价参数预测模型.帷幕防渗效果评价参数预测模型根据帷幕防渗效果影响分析帷幕防渗效果评价参数与帷幕距基坑的距离几乎无关因此只考虑其与帷幕深度的影响且由于在不同帷幕深度的单宽渗流量参数指标中落地式帷幕存在突变因此线性回归的原始数据只取悬挂式帷幕的数据各帷幕防渗效果评价参数的计算公式形式如式()所示:/()式中:为帷幕防渗效果评价参数其包括单宽渗流量、降水深度、边坡水位其中基坑处水位为 水位为帷幕深度 为基坑深度该例中基坑深度为、为线性回归系数由线性回归计算得到线性回归计算得到的线性回归系数如表 所示通过回归确定系数 可以看出单宽渗流量和降水深度的线性回归效果较好边坡水位由于原始数据的误差线性回归效果稍差表 帷幕防渗效果评价参数线性回归系数单宽渗流量降水深度边坡水位.管井降水效果评价参数预测模型根据管井降水效果影响分析管井降水效果评价参数与管井深度、管井间距和管井半径有关管井降水效果评价原始数据的样本容量为 利用多元线性回归方法求解管井降水效果评价参数的快速计算公式各管井降水效果评价参数的计算公式形式如式()所示:/()式中:为管井降水效果评价参数其包括管井流量和边坡水位其中基坑处水位为 水位为管井半径为管井间距为管井深度 为基坑深度该例中基坑深度为 、为线性回归系数由多元线性回归计算得到线性回归计算得到的线性回归系数如表 所示通过回归确定系数 可以看出管井流量和边坡水位的线性回归效果均较好 扩充样本容量至 对其进行假设检验计算得到各检验参数如表 所示确定系数 相比回归参数中的 略有减小管井流量的均方根只为均值的 但边坡水位的均方根为均值的这是由于边坡水位的原始数据存在较大误差总体来看仍可认为管井降水效果评价参数回归效果良好表 管井降水效果评价参数线性回归系数管井流量边坡水位.表 管井降水效果评价参数回归方程检验参数管井流量边坡水位.均方根.均值.付业伟等:基于多元线性回归分析方法的临水基坑防渗降水措施研究 年 月.帷幕管井共同作用防渗降水效果评价参数预测模型 根据帷幕管井共同作用防渗降水效果影响分析帷幕管井共同作用防渗降水效果评价参数与帷幕深度、管井深度、管井间距和管井半径有关其中管井半径通常根据施工规范进行取值该变量变化有限且对于防渗降水效果评价参数影响较小为了减少拟合公式中的变量管井半径取.之后只考虑帷幕深度、管井深度和管井间距的影响 帷幕管井防渗降水效果评价原始数据的样本容量为 利用多元线性回归方法求解帷幕管井防渗降水效果评价参数的快速计算公式各帷幕管井防渗降水效果评价参数的计算公式形式如式()所示:/()式中:为帷幕管井防渗降水效果评价参数其包括管井流量和边坡水位其中基坑处水位为 水位为帷幕深度为管井间距为管井深度为基坑深度该例中基坑深度为 、为线性回归系数由多元线性回归计算得到线性回归计算得到的线性回归系数如表 所示通过回归确定系数 可以看出管井流量和边坡水位的线性回归效果均较好 扩充样本容量至 对其进行假设检验计算得到各检验参数如表 所示确定系数 相比回归参数中的 略有减小管井流量的均方根只为均值的 但边坡水位的均方根为均值的这是由于边坡水位的原始数据存在较大误差总体来看仍可认为管井降水效果评价参数回归效果良好表 帷幕管井防渗降水效果评价参数线性回归系数管井流量边坡水位.表 帷幕管井防渗降水效果评价参数回归方程检验参数管井流量边坡水位.均方根.均值.结 语)对于基坑帷幕防渗措施帷幕距基坑的距离对帷幕的防渗效果没有影响帷幕降水深度与边坡水位随帷幕贯入度的变化近似线性关系单宽渗流量随帷幕贯入度的变化存在明显的拐点该拐点处于帷幕贯入度.之间 对于基坑管井降水措施和帷幕管井措施共同作用管井流量和边坡水位随管井深度、管井间距和管井半径的变化均呈现近似线性变化其中管井深度和管井间距的影响比较明显管井半径的影响较小)利用多元线性回归方法分别建立帷幕措施、管井措施和帷幕管井共同作用时的防渗降水效果评价参数预测模型除边坡水位参数外回归确定系数 均在.以上可以认为回归效果良好边坡水位参数由于原始数据存在误差使得回归公式计算得到的结果误差较大参考文献:周明珠.钢筒护壁工艺在挖孔桩基础施工中的应用.湖南电力 ():陆马兰.高拱坝深基坑渗流控制措施及分析.长江科学院院报 ():胡瑶.考虑基坑防渗结构的井的计算方法研究.广州:华南理工大学 骆祖江 成磊 张兴旺 等.悬挂式止水帷幕深基坑降水方案模拟优化.吉林大学学报:地球科学版 ():李光明 李明生.悬挂式止水帷幕基坑降水控制措施研究.地下空间与工程学报 ():周华雷 沈振中 徐力群.复杂地质条件下水电站厂房深基坑防渗方案优化.水力发电 ():张家发 范士凯 陶宏亮 等.建筑基坑防渗墙渗流控制效果研究.长江科学院院报 ():徐帮树 张芹 李连祥 等.基坑工程降水方法及其优化分析.地下空间与工程学报 ():刘凌晖 雷明锋 李水生 等.强透水地层半封闭基坑降水特性及排水量预测.华中科技大学学报:自然科学版 ():