地下水动力学课程设计.doc

《地下水动力学》
课程设计

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二○一○ 年一月十六日

目 录

1.课程设计目的 3
2.课程设计题目描述和要求 3
3.课程设计报告内容 5
4：结论 17

1.课程设计目的
能够利用《地下水动力学》所学的基本理论与专业知识解决实际工程中所遇到的各种水文地质工程地质问题（本次设计中主要针对抽水试验求解含水层参数与基坑降水问题），并能够熟练运用各种专业软件进行设计及制图。
2.课程设计题目描述和要求
（一）、抽水试验部分
1、在某承压含水层中有一完整井，以涌水量Q＝0.0058m3/s进行抽水试验，在距抽水井10m处有一观测孔，其观测资料如表，试用配线法求该承压含水层的导水系数T和贮水系数u*.

2、在无限分布的承压含水层中，有一完整井以800m3/d的流量进行抽水试验，在距主孔100m处的观测孔，其观测资料如下表所示。试用直线法求含水层的导水系数T和贮水系数u*.

3、在某承压含水层中进行抽水试验，稳定流量为200m3/h，在距抽水井110m处有一观测孔，当抽到71.25h后停泵，恢复水位的观测资料如表所示，试用水位恢复法计算含水层的导水系数和贮水系数。

（二）、基坑降水部分
题目见具体附件。
步骤：1、基坑大井总涌水量Q（包括基坑仿大井半径r0，基坑影响半径R）
2、单井干扰涌水量Q′
3、需要设置的井数
4、检验基坑中心水头值h0
图1基坑降水计算模型
3.课程设计报告内容
1：配线法：
（1）配线法的基本原理：
由Theis公式
①
对上式两端取对数：

二式右端的第二项在同一次抽水试验中都是常数。因此，在双对数坐标系内，对于定流量抽水曲线和标准曲线在形状上是相同的，只是纵横坐标平移了和距离而已。只要将二曲线重合，任选一匹配点，记下对应的坐标值，代入①式即可确定有关参数。此法称为降深-时间距离配线法。
由实际资料绘制的s-t曲线和与s-r2曲线，分别与和W(u)-u标准曲线有相似的形状。因此，可以利用一个观测孔不同时刻的降深值，在双对数纸上绘出s-t曲线和曲线，进行拟合，此法称为降深-时间配线法。

(2)计算步骤
①在双对数坐标纸上绘制或W(u)- u的标准曲线。
②在另一张模数相同的透明双对数纸上绘制实测的s-t/r2曲线或s-t、s-r2曲线。
③将实际曲线置于标准曲线上，在保持对应坐标轴彼此平行的条件下相对平移，直至两曲线重合为止（如图）。

④ 任取一匹配点(在曲线上或曲线外均可)，记下匹配点的对
应坐标值： 并代入①式，分别计算有关参数。
（3）配线法的最大优点：
可以充分利用抽水试验的全部观测资料，避免个别资料的偶然误差提高计算精度。
（4）课程设计题目描述和计算：
首先根据已知数据绘制s-t/r²实际曲线，然后将此曲线重叠在W(u)-1/u上，在保持对应坐标轴彼此平行的基础上，是实际资料与标准曲线尽量拟合。

当两支曲线拟合好后，在匹配的曲线上任取一点，记下坐标1/u=25, w(u)=2.6813 (t/ r²)=0.3 S=1.
带入公式得
T=Q*[W(u)]/(4π[s])=107
u*=4T*[ t/r²]/[1/u]=3.57E-3
2:Jacboo直线图解法：
（1）Jacboo直线图解法的原理：
当u≤0.01时，可利用Jacob公式（4-13）计算参数。首先把它改写成下列形式：

上式表明，s与lg （t/ r²）呈线性关系，斜率为2.3Q/4πT利用斜率可求出导水系数T（图4-7）

式中，i为直线的斜率，此直线在零降深线上的截距为 （t/ r²）
把它代入（4-13）有：

（图4——7）
以上是利用综合资料（多孔长时间观测资料）求参数，称为s- lg(t/ r²) 直线图解法。同理，由（4-13）式还可看出，s-lgt和s-lgr均呈线性关系，直线的斜率分别为(2.3Q/4πT)和(-2.3Q/4πT)。因此，如果只有一个观测孔，可利用s-lgt直线的斜率求导水系数T，利用该直线在零降深线上截距t0值，求贮水系数 。
如果有三个以上观测孔资料，可利用s-1gr直线的值求。
（2）Jacboo直线图解法的优点：
既可以避免配线法的随意性，又能充分利用抽水后期的所有资料。但是，必须满足u≤0.01或放宽精度要求u≤0.05，即只有在r较小，而t值较大的情况下才能使用；否则，抽水时间短，直线斜率小，截距值小，所得的T值偏大而µ*值偏小。
(3) 课程设计题目描述和计算：
首先根据上述资料，绘制s-logt曲线，并进行直线拟合。然后在直线上分别取两个点（0.0146，1.03656） （0.0069388，0.97234）然后得出斜率i=0.1987.
然后求出直线的截距b=0.6064
直线公式为s=0.1987logt+0.606

然后代入有关公式计算，得：
T=2.3Q/(4πi)=737.28m²/d
u*=2.25Tt/r²=1.0267E-7
3:水位恢复试验试验
(1)基本原理:
抽水井停抽后，井中水位将迅速回升，而上升速度逐渐减缓。在抽水井附近的观测孔中水位在停抽后一段时间内上升速度则较慢；在远处的观测孔中的水位，在停抽后的一段时间内，水位不但不回升，反而继续下降．达到最大降深时下降速度等于零，随后才逐渐回升(固5—22d)，这点类似于地下水“惯性滞后”的动态反应。与阶梯流量并流试验相似，设抽水井以定流量Q抽水，持续了tp时间后停止抽水，恢复水位，可以想象为该井仍以流量Q继续抽水，井从停抽时刻起，有一个流量为Q的注水井开始工作。这样，正负流量相互抵销，得到停止抽水的效果。

如果不考虑水头“惯性滞后”动态，根据渗流的叠加原理，停止抽水后的剩余降深S’可理解为流量Q继续抽水一直延续到t时刻的降深．和从停抽时刻起以流量Q注水t一tp时间的水位回升的叠加。两者均可用Thsis公式计算。故有

(2)方法与应用
1：水位恢复曲线的绘制与解释：
利用水位恢复观田资料，在单对效纸上绘制S’与lg(t’/t)和S*与lgt’曲线，为了分析问题方便，最好S’~ lg(t’/t)和S*~ lgt’曲线同时绘制。应强调指出，野外水位恢复试验时，应特别注意取得停泵后的1—2小时内的观测数据，这段时间的水位恢复曲线能反映井管、井壁及井周条件的特征，在生产实际中有重要意义。

因此，这段时间内观测的水位数据应有足够的数量与精度，一般憾况下可按表5—14中时间间隔进行观测。

一条完整的水位恢复曲线应包括曲线首段、直线段(中间段)及尾段(因5—24)。首段曲线反映井管、井壁及井周的条件；尾段曲线反映边界条件‘直线段曲线反映含水层本身的条件，用作水文地质参数的识别。

首段曲线(1)：主要由于人为因素和自然因素的影响，使抽水并附近含水层的渗透性发生了改变。如含水层中存在软弱夹层、镕洞中泥砾的搬运或止水不安引起并径收缩，因泥浆堵塞，孔壁坍塌，过滤器网眼堵塞以及并周含水层的渗透性突然变弱等，可使井孔周围的渗透性较小；钻孔揭露溶洞或因过滤器选择不佳而产生涌砂掏空等引起井径扩大，井下放炮、酸化、人工填砾以及并周含水层的渗透性突然变强等，可使井孔周围的渗透性变大。这种由于人为因素和自然因素的影响，在抽水井附近所造成的与含水层中不同的渗透系数称为条件性系数，记做Kc。
当Kc＜K时，说明井周的渗透性低于含水层的渗透性，曲线的斜率变大，如图5—24中的ｂｄ、ｂ＇ｄ＇段。
当Kc＞K时，说明井周的渗透性与含水层的渗透性一致，Q线斜率不变，如图5—34中的ａｄ段，与理论直线重合。
当Kc＝K时，说明井周的渗透性比含水层的渗透性大，曲线的斜率变小，如图5—24中的ｃｄ，ｃ＇ｄ＇段。后面二种类型曲线的供水井，并的涌水量都没有扩大的可能，尤其第三种类型曲线．当补给条件不佳，还可能导致涌水量的减少。
此外，由于井损等原因都可能引起附加水头损失．表现在首段曲线偏离直线
(jacboo理论曲线)。
尽段曲线(3)：反映边界条件的影响。由图524中eg段曲线斜率增大偏离直
线而上挠，说明受阻水条件的影内，如遇到阻水断层、含水层尖灭、透水性突然变弱等条件的影内。她段曲线斜率减小偏离直线而下挠，说明受供水条件的影肩，
如遇到与含水层有水力联系的地表水体、富水断层、透水性突然变强、含水层突然变潭等条件的影内。若为无界含水层，则尾段曲线不发生煽离，仍保留直线(ef段)。
2．含水层参数的计算
含水层多数的求得可利用恢复曲线中的直线段(I)．如图5—24中的J6段。
从直线斜率的关系式，根容易求得导水系数T

（1） 课程设计题目描述和计算：
根据上述资料，绘制s’-logt/t’曲线并进行直线拟合。选取两点（2.59，2.43）和（121.01，11.0）求得斜率：i=5.133

然后代入有关公式计算，得
T=0.183Q/i=171.128m²/d
u*= T/ (0.44*r²E（-Sp/i）/tp)=5.077*E-5
4基坑降水
（1）场地情况简介　
场地上部地下水主要是赋存于卵石②的孔隙潜水中，含水层透水性较强，中等富水，大气降水及地表水为其主要补给源。地下潜水位面以上采用干钻，直至出现地下水位后观测初见水位，初见水位埋深4.60-4.85m，钻孔终孔24小时后观测稳定水位，测到的潜水稳定水位埋深在4.75-5.00m，埋深标高324.58-324.90m，大气降水及地表水的补给为其主要补给源。与溪南河河水成互补关系；下部基岩水为赋存于基岩裂隙中的承压水，根据本次钻探在孔内测得基岩地下水水位埋深9.25-10.80m，埋深标高318.97-319.93m，大气降水及地表水为其主要补给源。
根据龙岩盆地水文地质情况，第四系地下水水位年变化幅度在2.00-3.00m之间。根据邻近的钻探资料及本次测得的水位埋深，本场地的抗浮水位建议取黄海标高327.50m。
本次钻探未取水样,根据临近场地(相距约30m的水木莲花项目,同一水文地质单元)的ZK1、ZK40、ZK65及ZK93水质分析（PH值及各离子含量详见附表8-1～4）资料，地下水类型为Ca2+-HCO3-+SO42-，地下水对混凝土结构不具腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋不具腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。
本工程在场地中设1-2层地下室（范围详见勘探点平面布置图），基坑开挖深度：1层地下室约为5.50m（黄海标高为326.30m），2层地下室约为9.00m（黄海标高为322.80m）m；基坑开挖后，基底土层以卵石②为主，部分为粉质粘土③、含碎石角砾粉质粘土④、次生红粘土⑤及含卵石粉质粘土⑥，这些地层中卵石②层为主要含水层，对基坑开挖影响较大，而基岩裂隙水埋藏较深，对基坑开挖影响不大。
抽水试验仅对卵石②层采用钻孔完整井稳定流抽水试验。抽水孔采用原钻探孔，在含水层下一定深度内用粘土回填挤实，对含水层进行多次洗井和试抽，确保含水层与钻孔水力相通后，停抽1天左右，并待钻孔水位稳定后进入正式抽水试验，抽水设备采用深井潜水泵 。试验数据详见抽水试验成果图表（附图4），根据抽水试验结果按公式
R＝2S K＝0.732 Qｌg(R／r)／(2H-S)S
K――渗透系数（ｍ／ｄ）　 ｒ――井的半径
Q――流量（ｍ3／ｄ） 　　 H――含水层厚度（ｍ）
R――影响半径（ｍ）　　　 S1，S2，S3――降深（ｍ）
所获得的地下水渗透系数计算结果如下：
ZK38：K1=26.12m/d，K2=26.21m/d，K3=26.49m/d，平均值K=26.3m/d。
ZK55：K1=25.72m/d，K2=26.30m/d，K3=25.99m/d，平均值K=26.0m/d。
该场地卵石④层渗透系数K=26.15m/d。

（2）课程设计题目描述和计算
第一问：计算基坑大井总涌水量Q（包括基坑仿大井半径r0，基坑影响半径R）
1层地下室大多位于地下水位以上，故不进行涌水量估算；2层地下室的基坑开挖深度在现有地面以下7.00m左右，按ZK40进行计算：
含水层厚度H=4.55m；水位降至基底以下1.00m，则S=2.82m；地下室呈不规则形状，2层地下室面积A=19871×2/3=13211.3m2。
则r0=（A/π）1/2=(13211.3/3.14) 1/2=64.86m；
R=2S（kH）1/2=2×2.82×(26.15×4.55) 1/2=61.52m；
Ro=R+ro=126.38m
Q=1.366k(2H-S)S/ｌg(1+R／r0)=2183.6m3/d。

第二问：计算单井干扰涌水量Q′
由经验公式可以确定：q=120πlr(k) 1/3
r ——过滤器半径(m) l ——过滤器进水部分长度(m) k ——含水层渗透系数(m/d)
且由题知：当 r=0.3m,l=2m,k=26.15m/d时，代入上式：
q=120*π*0.3*2*(26.15m/d) 1/3
=671.38m³/d
第三问：需要设置的井数
查找规范可知： 降水井的数量n可按下式计算：n=1.1Q/q
式中 Q——基坑总涌水量
q——设计单井出水量
故：n=1.1*2183.6/671.38=3.58口
所以取井为四口。

布设形式：四口井分布在矩形两边的中点上，如图

第四问：检验基坑中心水头值h0
H ²-hi²=Q/(πK)*ln(R*R*R*R/r1*r2*r3*r4)
R=126.38 r1=r3=r2=r4=71m
S=3.19m>2.82m符合
4：结论

参考书目：
[1] 薛禹群，《地下水动力学》，地质出版社，1997
[2] 中华人民共和国行业标准，建筑基坑支护技术规程， JGJ 120－99，1999，北京
[3] 张永波，孙新忠，《基坑降水工程》，地震出版社，2000