Python软件在基坑降承压水模拟中的应用.pdf

20239Building Construction1926Python软件在基坑降承压水模拟中的应用杨喻声上海建工四建集团有限公司 上海 201103摘要：为探索Python软件在基坑降水中的应用，采用开源Python库Flopy模拟基坑降承压水作业。对比Flopy与Visual Modflow软件的计算结果，验证了Flopy分析结果准确性。基于Python软件建立某基坑降承压水分析模型，模拟普挖大底板和深坑开挖2个阶段降水方案，并与生产性降水试验对比。结果表明，采用Python软件可有效模拟基坑降承压水工况，相关方法可在未来推广应用。关键词：基坑降水；Python软件；承压水位；流量中图分类号：TU753 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)09-1926-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.09.054Application of Python Software in Simulation of Reducing Confined Water Level of Foundation PitYANG YushengShanghai Construction No.4(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 201103,ChinaAbstract:In order to explore the application of Python software in foundation pit dewatering,the open source Python Library Flopy was used to simulate the operation of foundation pit dewatering.Comparing the calculation results of Flopy and Visual Modflow software,the accuracy of Flopy analysis results was verified.Based on Python software,an analysis model of lowering confined water in a foundation pit is established to simulate the dewatering schemes of two stages of general excavation of large bottom plate and deep excavation,and the results are compared with the productive dewatering tests.The results show that the Python software can be used to effectively simulate the conditions of lowering confined water in foundation pit,and the related methods can be popularized and applied in the future.Keywords:foundation pit precipitation;Python software;confined water level;flow1 对比验证1.1 Flopy简介Flopy是代尔夫特理工大学Bakker教授等4编写的开源Python库，能够支持最新的Modflow6、MT3D等地下水计算程序。Flopy可以结合Numpy和Scipy等进行参数化建模，利用Matplotlib绘图，借助Paraview实现可视化后处理，配合Pytorch等机器学习库实现数据挖掘及方案优化等，有力扩展地下水模拟的应用范围，如康燕楠等5结合Flopy和NSGA-实现灌区水资源优化。利用Flopy和其他扩展库，可以程序化实现基于Python的基坑降水模拟分析。1.2 验证算例首先采用单井降水模型对比Flopy和Visual Modflow结果。选用上海某基坑水文地质参数（图1），上部潜水层简化为单层，采用典型黏土层参数。承压含水层1-1、1-2和2的初始水头高度设为4.5 m，潜水层的初始水头高度设为0 m，模型四周对应设置常水头边界。考虑500 m500 m模拟范围，单元间距5 m。模拟分2个荷载步，第1荷载步为稳态模拟（1 d），构建场地初始水文地质状态，第二步为瞬态模拟（10 d），模拟单井抽水引起场地承压水位下降。模型中心布设1口降水井，抽水流量为720 m3/d。首先考虑单层降压井布设在2层，降水10 d随着城市地下空间向深层发展，基坑施工过程中降承压水作业日益频繁。除确保基坑施工过程抗突涌安全外，降承压水作业还需保护周边土工环境，尤其当采用不能完全隔断承压水层的悬挂止水帷幕时更需如此1-2。由于实际水文地质条件复杂和解析理论发展有限，当前降承压水管井方案设计主要采用数值模拟3，以Visual Modflow等可视化商用软件为主流。商用软件方便快捷，但可扩展性低，工况较多时建模耗时费力。相比而言，开源软件便于参数化建模，可以协同各类算法部署，扩展性高。Flopy是驱动Modflow的开源Python库，能够程序化实现各类地下水相关模拟。为此，在通过算例对比Flopy和Visual Modflow结果，验证Flopy的准确性基础上，结合实际工程案例，探索基于Python的基坑工程降承压水模拟。基金项目：上海市启明星项目（扬帆专项）（23YF1418600）；上海市“科技创新行动计划”科技支撑碳达峰碳中和专项（22DZ1207904）。作者简介：杨喻声（1993），男，博士，工程师。通信地址：上海市闵行区桂林路928号2507室（201103）。电子邮箱：收稿日期：2023-04-20科学研究SCIENTIFIC RESEARCH建筑施工第45卷第9期1927后，1-1层承压水位如图2（a）所示。然后考虑多层降压井布设在1-1、1-2和2层，其余参数不变，1-1层承压水位如图2（b）所示。由图2（b）可知，Flopy和Visual Modflow单层井和多层井模拟结果基本一致，证明Flopy用于降水模拟的可行性和准确性。上覆土层 =zz=0.001 73 m/dkk=0.15 m/d,=0.015 m/d,S=6105kkS1-1=0.7 m/d,=0.07 m/d,S=5105kkS1-2=2.1 m/d,=0.21 m/d,S=4105kkS20 m27.10 m30.10 m34.50 m61.50 mxxzxzx图1 上海某基坑水文地质参数5004003002001005004003002001000距离/m距离/m距离/m（a）单层井01002003004005.07.06.08.05.09.07.06.08.0Visual ModflowFlopyVisual ModflowFlopy500距离/m（b）多层井0100200300400500图2 1-1层承压水位对比 2 基坑降承压水模拟2.1 工程概况上海某商业办公项目基坑面积5.3万 m2，外周长约900 m。基坑外侧止水帷幕采用宽800 mm等厚度水泥土搅拌墙（TRD）兼地下连续墙槽壁加固，深度51 m/53 m，中隔墙采用地下连续墙，深42 m，墙间接头采用高压旋喷桩止水。开挖深度22.029.5 m，布置5道钢筋混凝土支撑，采用分坑顺作施工，首先施工东南角分坑，基坑平面如图3所示，图中不同线形和颜色区分东南分坑止水帷幕深度。外侧止水帷幕42 m51 m53 m中隔墙图3 基坑分区场地属典型滨海平原地貌，根据工程前期勘察钻孔数据，场地内土层分界面平缓，可近似为水平成层场地，场地潜水水位较高，地表有明塘。场地承压含水层包括层（分1-1、1-2、2-1和2-2共4个亚层）和层（表1），即上海普遍分布的第、承压含水层，其间夹杂的层粉质黏土与砂质粉土互层也为承压含水层，3层承压含水层连通，越层补给充沛，承压水初始水位6.2 m。表1 土层信息土层底标高/m水平渗透系数/（m/d）垂直渗透系数/（m/d）贮水率/（1/m）填土1.8灰黄色粉质黏土2.9淤泥质粉质黏土4.1夹砂质粉土夹黏性土6.1淤泥质粉质黏土9.4淤泥质黏土17.1灰色黏土23.7粉质黏土27.10.00170.00171-1黏质粉土30.11.50.157.71051-2砂质粉土34.51.50.157.71052-1粉砂46.02.50.57.71052-2粉砂61.54.131.27.7105粉质黏土76.32.2 数值模型由于场地层、层和层承压水层互通，止水帷幕不能完全隔断，为悬挂止水帷幕。场地周边环境简单，坑外回灌井仅在应急时开启，主要起观测作用，所以本文重点关注坑内降水井的布置。基坑先行施工东南分坑，前期试算结果表明，外侧止水帷幕对结果影响有限，本文重点关注东南分坑。根据承压水抗突涌安全控制计算，东南分坑普挖大底板安全水位18.6 m，落深坑开挖安全水位 25.2 m。数值模型将承压水层上覆土层简化处理，采用层水文参数，承压含水层分层考虑水文参数，在止水帷幕和降压井埋深位置人为切分土层界面，便于设置止水边界和降水井，水文参数保持不变。降水井共设置21口，孔径650 mm，滤管顶部位于1-1层，直径273 mm，其中浅井J1J17深度为40 m，深井J18J21深度为48 m，主要布设在深坑四周，降水井位置如图4所示。图4 降水井位置（红色为深井，黑色为浅井）考虑1 500 m1 500 m模拟范围，基坑区域单元间距1 m，外侧采用渐进网格。分2个荷载步，第1荷载步为稳杨喻声:Python软件在基坑降承压水模拟中的应用20239Building Construction1928态模拟（1 d），构建场地初始水文状态，第2步为瞬态模拟（10 d），模拟群井降水。外侧设置常水头边界，上覆土层水位0 m，承压水层水位6.2 m，对应设置初始水头。2.3 模拟结果2.3.1 普挖大底板工况普挖大底板阶段开启全部浅井J1J17，流量为812 m3/h。采用Matplotlib绘制最浅承压含水层1-1水位等值线，分坑普遍承压水位19.2 m，降压井附近和东南角水位更深，满足大底板开挖安全水位要求。坑外水位下降有限，且随着止水帷幕深度增加，绕流路径增长，坑外水位等高度线距离分坑越近，即坑内降水对坑外影响越小。坑内南北向水位分布剖面如图5所示，可以明显看出分坑范围内承压水位分布较均匀，且均达到安全水位要求，证明降水井位置分布合理。从剖面图中可以观察到降水井引起的降水漏斗。同时，所有降水井在深度方向共同形成降水漏斗，水位在超过降水井深度后回升，20 m等水位线最大深度不超过40 m，有效降低了对坑外水位的影响，体现了悬挂止水帷幕的效果。0204060深度/m51015202520.020.012.0AABB图5 普挖大底板水位分布剖面（单位：m）2.3.2 深坑开挖工况深坑开挖阶段，在普挖大底板时开启浅井J1J17（流量812 m3/h），并增开深井J20和J21（图4中南侧和西侧深井），流量为18 m3/h。1-1层水位如图6所示，坑内普遍水位降至21.7 m，东南区域水位超过25.2 m，满足深坑开挖安全水位要求。相比普挖大底板阶段，坑外水位降深增加，降水影响范围扩大，原因除坑内水位降深增加外，深井J20和J21深48 m，超过中隔墙深度，与坑外止水帷幕最大高差仅5 m，止水帷幕绕流路径缩短，效果不佳。坑内南北向水位分布剖面如图7所示，坑内南侧在深井降水影响下，形成局部降深，满足了深坑开挖的要求，也体现了按需降水原则。从剖面图中可以看出，深井影响范围沿深度方向降水漏斗导致20 m等水位线南侧明显低于北侧，进而增大了对坑外水位的影响。3 生产性降水试验在前期降水方案的基础上，降压管井施工时，深井2001000100200距离/m距离/m61015202528200 100010020010.121.725.50204060深度/mAB51015202520.020.025.0AB图6 深坑开挖1-1层水位分布 图7 深坑开挖水位分布剖面 （单位：m）（单位：m）J18J21加深至50 m，确保基坑降承压水安全。管井打设完成后，开展基坑生产性降水试验。试验前期开启全部浅井J117和南侧深井J20，J117管井普遍流量815 m3/h，J20深井平均流量35 m3/h，水位经3.5 h后超过目标水位，后对开启管井数量及位置调整，最终开启15口40 m管井和1口50 m管井，水位基本保持稳定，管井流量稳定在512 m3/h，靠近坑中间位置管井流量大，临边位置管井流量小。东南分区3口观测井最终水位及时间变化历程如图8所示。由图可知，最终坑内观测水位超过深坑开挖安全水位，满足深坑及大底板施工要求，证明了前述降水方案的合理性，论证了基于Python软件模拟基坑降承压水的可行性和适用性。时间/h（a）最终观测水位（b）观测水位变化050100150观测水位/m2928272625GB1GB2GB326.226.426.6GB1GB2GB3图8 降水试验观测水位4 分析与讨论悬挂止水帷幕不能完全隔断承压水，且、和层承压含水层之间越流补给充沛，降水方案设计的关键参数之一是降水井流量，管井最大出水量是决定降水能否满足土方开挖安全水位的关键，同时稳定的出水量对有效维持承压水安全水位至关重要。因此，在现场施工过程中，要重点保证降水井孔径、深度和填充滤掉的合理级配。孔径和深度影响降水井的最大出水效能，合理级配的滤掉能够降低抽取地下水的含砂率，保证降水井的长期效能，防止堵塞。另外，降水方案设计是在止水帷幕达到设计要求的假设下进行的，如果止水帷幕有缺陷，局部或全域地下水补给速度增加，也会增大降水系统运行工作压力。生产性抽水试验结果验证了基于Python软件模拟基坑杨喻声:Python软件在基坑降承压水模拟中的应用建筑施工第45卷第9期1929降承压水方案的可行性。模拟中可以精确调整降水管井的流量，但管井降水实际施工时，管井多采用固定流量的水泵，不能细微调整管井出水量，记录流量为分段均值，所以通过降水试验最终确定深坑开挖的管井开启方案为15口40 m管井和1口50 m管井，此时坑内水位已经超过深坑所需安全水位1 m，与模拟结果有细微出入。工程止水帷幕深度设计主要考虑普挖大底板施工，局部深坑开挖依赖深井降承压水。虽然工程造价有所降低，但是深井与止水帷幕的深度接近，深坑开挖降水时对坑外影响较大，有可能引起土体沉降，影响周边土工环境。施工过程中应仅在需要时开启深井，且加快施工进度，缩短深井降水时间，保护周边土工环境。降水过程是所有降水井共同作用形成沿平面和沿深度方向的降水漏斗，降水方案设计的降水井流量是最低要求，需保证所有降水井的流量满足要求。如果局部降水井出水量不足，有可能导致基坑局部区域水位升高，不满足抗承压水突涌安全要求。在承压水层之间越流补给充沛，承压水层竖向渗透系数较高时，局部降水井效能降低导致的风险更高，尤其是距观测井较远的降水井。所以，在基坑土方开挖过程中，除坑内承压水位外，降水井流量在运行期间也需监测，确保基坑施工安全。5 结语1）基于Python软件的Flopy自编程序和当前常用Visual Modflow软件结果一致，验证了Flopy的准确性。利用Python模拟基坑在普挖大底板和深坑开挖2阶段的降水方案，降水井布置满足基坑开挖抗承压水突涌安全要求。2）生产性抽水试验结果表明，开启相应数量降压井后，坑内水位满足基坑开挖抗承压水突涌要求，降水方案具有合理性，证明了基于Python模拟地下水可以用于基坑降承压水方案分析。3）降水分析表明，降水井流量是保证降水效果的关键。在施工过程中，要确保降水管井施工质量，保证降水管井的最大出水效能和长期运行效能。在运行期间，要同时监测坑内水位和降水管井流量，维持承压水安全水位。1 上海市住房和城乡建设管理委员会.基坑工程技术标准:DG/T J08-612018S.上海:同济大学出版社,2018.2 兰韡,王卫东,常林越.超大规模深基坑工程现场抽水试验及土层变 形规律研究J.岩土力学,2022,43(10):2898-2910.3 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J.吉林大学学报(地球科学版),2022,52(6):1946-1956.4 BAKKER M,POST V,LANGEVIN C D,et al.Scripting MODFLOW model development using python and FloPyJ.Ground Water,2016,54(5):733-7395 康燕楠,降亚楠,苏振辉.基于NSGA-和FloPy的灌区水资源多目 标模拟优化模型J.水利与建筑工程学报,2021,19(3):17-23.杨喻声:Python软件在基坑降承压水模拟中的应用（上接第1925页）22 CRISFIELD M A,SHI J.An energy conserving co-rotational procedure for non-linear dynamics with finite elementsJ.Nonlinear Dynamics,1996,9(1):37-52.23 CRISFIELD M A,GALVANETTO U,JELENI G.Dynamics of 3-D co-rotational beamsJ.Computational Mechanics,1997,20(6):507-519.24 ARMERO F,PETCZ E.Formulation and 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