(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速和建設(shè)工程技術(shù)的發(fā)展，各大城市的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。近些年來(lái)，建設(shè)項(xiàng)目表現(xiàn)出埋深大，工程技術(shù)復(fù)雜的特點(diǎn)，施工過(guò)程及運(yùn)營(yíng)期內(nèi)會(huì)不同程度的受到地下水浮力的影響。同時(shí)，隨著城市機(jī)能的愈發(fā)復(fù)雜化，各項(xiàng)自然條件的變化和人為因素的復(fù)合影響，使得地下水的變化規(guī)律更加復(fù)雜[1]。

目前在進(jìn)行抗浮驗(yàn)算時(shí)，基底地下水壓力的計(jì)算還主要采用靜水壓力計(jì)算得出。由于自然和各種人為因素的影響極為復(fù)雜，而簡(jiǎn)單的計(jì)算并不能反映各因素綜合影響下地下水位的變化情況。同時(shí)，由于地下水的系統(tǒng)性，建筑場(chǎng)地地下水位變幅與區(qū)域各方面因素有關(guān)，而一般的計(jì)算卻很難考慮較遠(yuǎn)區(qū)域的影響。這些因素使得實(shí)際地下水壓力值與計(jì)算出的水壓力值之間存在很大的差別，不但直接影響到工程設(shè)計(jì)方案，而且影響工程的投資、工期和安全[2]。

地下水?dāng)?shù)值模擬軟件具有操作簡(jiǎn)便、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)[3]，因此用其對(duì)地下水進(jìn)行模擬，從大區(qū)域角度對(duì)某建筑場(chǎng)地地下水位進(jìn)行預(yù)測(cè)，并任意疊加各因素對(duì)地下水位的影響?？梢詮南到y(tǒng)的角度對(duì)建筑場(chǎng)地地下水設(shè)防水位進(jìn)行確定，綜合考慮區(qū)域內(nèi)多因素的影響，使得地下水設(shè)防水位確定更加準(zhǔn)確。

本文主要運(yùn)用地下水?dāng)?shù)值模擬的方法，以北京市為例，在其水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，從區(qū)域角度對(duì)城市淺層地下水進(jìn)行了模擬。綜合考慮了地下水本身天然變幅、地層賦存條件、降水量等自然因素，同時(shí)還疊加了地下水開(kāi)采、南水北調(diào)、西郊地下水庫(kù)的建設(shè)等人為因素的影響[4,5]。合理地解決了建筑場(chǎng)地設(shè)防水位的非線(xiàn)性、多因素疊加的復(fù)雜問(wèn)題，為建筑工地設(shè)防水位的確定起到了良好的作用。

1 市區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.1 市區(qū)工程地質(zhì)條件

北京地區(qū)地貌是由西、西北、北部上地和東南平原兩大地貌單元組成。地勢(shì)西北高東南低。在地殼運(yùn)動(dòng)、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和外營(yíng)力長(zhǎng)期作用和影響下，形成了山區(qū)以侵蝕、剝蝕構(gòu)造地貌為主，平原以沖積、洪積等堆積地貌為主的地貌輪廓。

從山前地帶到平原腹地，北京地區(qū)可以分為以下幾種地貌類(lèi)型：中山、低山、丘陵、山前臺(tái)地、沖洪積平原等。其中，永定河、潮白河沖積扇最為發(fā)育，扇扇相鄰，互相交匯，幾乎控制了整個(gè)平原。

1.2 市區(qū)水文地質(zhì)條件

北京市平原區(qū)主要由永定河、潮白河、洵河、溫榆河、拒馬河等幾條河流作用形成的大小不等的沖洪積扇地連接而成，砂卵石、砂礫石、砂是構(gòu)成本區(qū)主要的含水介質(zhì)。因地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件的差異變化及含水層巖性、埋藏深度的不同，其水文地質(zhì)條件有較大差別。由山前至平原大致可分為四種類(lèi)型：(1)山前坡積洪積碎石地帶；(2)山前沖洪積扇頂部地帶；(3)沖洪積扇地下水溢出帶；(4)沖洪積平原地區(qū)。

其中，對(duì)于市區(qū)淺層地下水系統(tǒng)，相關(guān)研究成果根據(jù)不同區(qū)域水文地質(zhì)特征的差異，將其劃分為三個(gè)大區(qū)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和七個(gè)亞區(qū)(Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc、Ⅱa、Ⅱb、Ⅲa、Ⅲb)。

2 地下水模型的建立

2.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)相關(guān)勘察資料，北京市區(qū)第四系淺部地層結(jié)構(gòu)由西向東可以大致概化為：(1)單層砂卵石儲(chǔ)水區(qū)；(2)二到三層含卵石砂礫石儲(chǔ)水區(qū)；(3)多層中細(xì)砂及含礫砂儲(chǔ)水區(qū)[6]。模型涉及區(qū)域水平方向可以概化為西部單一潛水區(qū)和東部承壓區(qū)。通過(guò)分析區(qū)域水文地質(zhì)條件，確定了影響建筑物基底穩(wěn)定的主要含水層包括三個(gè)含水層：上層滯水、潛水和潛水—承壓水。其余深部承壓含水層由于水頭較低，一般不會(huì)對(duì)建筑物基底的抗浮設(shè)計(jì)有影響，本次建模不作單獨(dú)考慮。

模型中將研究范圍內(nèi)地下水系統(tǒng)在垂向上分為8層，自上而下分別為：(1)房渣土、人工填土層;(2)上層滯水含水層;(3)砂泥巖相對(duì)隔水層;(4)砂巖層間潛水含水層;(5)砂泥巖相對(duì)隔水層;(6)砂卵石潛水—承壓水含水層;(7)砂泥巖相對(duì)隔水層;(8)自由層?？傮w上將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性、具有8層結(jié)構(gòu)的三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，同時(shí)考慮降水入滲，蒸發(fā)影響。

為保證較為完整的水文地質(zhì)單元，將研究區(qū)邊界進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。西部以山前側(cè)向補(bǔ)給邊界為界，西南部以永定河為界限，東南部擴(kuò)展到潮白河，東南部到北京與河北邊界處，北部在原有六環(huán)邊界基礎(chǔ)上適量外延。

2.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)滲流的連續(xù)性方程和著名的達(dá)西定律，結(jié)合研究區(qū)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型相對(duì)應(yīng)的三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型如下：

(x，y，z)∈Ω，t>0

(1)

H(x，y，z，t)|t=0=H0(x，y，z，t)

(2)

H(x，y，z，t)|(x，y，z)∈B1=H1(x，y，z，t)

(3)

(4)

式中：H0為含水層初始水頭；H為地下水水頭；H1為各層邊界水頭；Kxx,Kyy,Kzz為x,y,z方向的滲透系數(shù)；Ss為含水層儲(chǔ)水率；q為含水層第二類(lèi)邊界單位面積過(guò)水?dāng)嗝嫜a(bǔ)給流量；ξ為源匯項(xiàng)強(qiáng)度；Ω為滲流區(qū)域；B1為水頭邊界；B2為流量邊界。

上述方程為地下水流動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。采用向后有限差分法，對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，可得計(jì)算單元(i，j，k)地下水滲流計(jì)算的有限差分公式。

2.3 數(shù)值模型的建立

2.3.1 空間離散

在水文地質(zhì)條件立體概念模型和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件—Visual MODFLOW，建立了符合本區(qū)的地下水系統(tǒng)可視化三維滲流數(shù)值模型，展現(xiàn)研究區(qū)地下水流場(chǎng)的實(shí)際變化規(guī)律。采用等間距有限差分的離散方法對(duì)含水介質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)剖分，網(wǎng)格單元row×column×layer設(shè)置為150×150×8，剖分網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 模擬區(qū)網(wǎng)格刨分圖 圖2 上層滯水含水層滲透系數(shù)分區(qū)圖

圖3 層間潛水滲透系數(shù)分區(qū)圖 圖4 潛水-承壓水含水層滲透系數(shù)分區(qū)圖

2.3.2 水文地質(zhì)參數(shù)輸入

水文地質(zhì)參數(shù)的選取，對(duì)于模型計(jì)算是至關(guān)重要的，其合理與否直接影響到模型的計(jì)算精度和結(jié)果的可靠性。根據(jù)含水層的巖性、富水性、埋深條件、厚度以及水位動(dòng)態(tài)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)，設(shè)置不同的滲透系數(shù)和儲(chǔ)水率(給水度)。根據(jù)以往勘察資料中抽水試驗(yàn)、提水試驗(yàn)等相關(guān)水文地質(zhì)試驗(yàn)成果，結(jié)合巖土勘察中各巖性滲透系數(shù)和給水度的經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)各個(gè)含水層進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)參數(shù)及主要層位分區(qū)情況見(jiàn)表1和圖2。

2.3.3 模擬期的確定

為了能更好地描述地下水在一個(gè)完整的水文年內(nèi)的變化，同時(shí)能較好的控制水文地質(zhì)試驗(yàn)期間的水位動(dòng)態(tài)，同時(shí)結(jié)合相關(guān)計(jì)算機(jī)硬件條件，確定模擬期為2 a(730 d)，按月份分成若干時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)包括若干時(shí)間步長(zhǎng)，時(shí)間步長(zhǎng)為模型自動(dòng)控制。

2.3.4 定解條件的處理

初始條件：采用2000年各個(gè)勘察點(diǎn)的地下水水位結(jié)合區(qū)域的流場(chǎng)情況作為模型目標(biāo)含水層的初始水位，采用內(nèi)插和外推法獲得各個(gè)含水層的初始水位。

邊界條件：各流量邊界的參數(shù)主要考慮模擬初末的滲流場(chǎng)，擬合邊界流入流出量。

表1 各層位參數(shù)分區(qū)值

2.4 模型識(shí)別與驗(yàn)證

根據(jù)水文地質(zhì)模型所建立的數(shù)值模型，必須反映實(shí)際流場(chǎng)的特點(diǎn)。因此，在進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)之前，必須對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行校正，即校正其方程、參數(shù)以及邊界條件等是否能夠確切地反映研究區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)條件。本文采用勘察期間水文地質(zhì)試驗(yàn)資料和水庫(kù)放水資料來(lái)進(jìn)行模型識(shí)別與驗(yàn)證。由于官?gòu)d水庫(kù)放水對(duì)整個(gè)區(qū)域含水層水位影響較大，且資料較為全面(表2)。本次采用官?gòu)d水庫(kù)兩次放水資料進(jìn)行對(duì)含水層參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。使計(jì)算和地質(zhì)條件的分析相結(jié)合，及時(shí)指導(dǎo)調(diào)參，以取得最佳擬合效果。經(jīng)反復(fù)多次計(jì)算，擬合結(jié)果較為滿(mǎn)意。相關(guān)擬合成果見(jiàn)圖5。

表2 官?gòu)d水庫(kù)兩個(gè)階段放水量統(tǒng)計(jì)表

圖5 模型擬合曲線(xiàn)圖

從圖5可見(jiàn)，運(yùn)用官?gòu)d水庫(kù)放水資料進(jìn)行擬合成果較為準(zhǔn)確，說(shuō)明數(shù)學(xué)模型是正確的，本次所調(diào)整模型是可靠的，所以可用此數(shù)值模型來(lái)預(yù)測(cè)研究區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)。

2.5 自然狀態(tài)下流場(chǎng)預(yù)測(cè)

運(yùn)用識(shí)別后的模型對(duì)北京市地下水流場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，由于模型限制及施工時(shí)的實(shí)用性，主要預(yù)測(cè)潛水層和潛水—承壓水層的地下水流場(chǎng)情況，對(duì)上層滯水的模擬由于含水層的不連續(xù)性和包氣帶水分運(yùn)移的復(fù)雜性，其成果僅供參考。

預(yù)測(cè)流場(chǎng)與當(dāng)時(shí)實(shí)測(cè)流場(chǎng)基本相同，可知模型較為準(zhǔn)確，可以用來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)在其他水文條件下地下水滲流情況。

3 工程實(shí)例

本次通過(guò)調(diào)整好的模型對(duì)某項(xiàng)目地下水抗浮設(shè)計(jì)時(shí)最高水位進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)考慮降雨、蒸發(fā)、水庫(kù)放水等影響因素，綜合得出場(chǎng)區(qū)位置各含水層最高水位，為相關(guān)設(shè)計(jì)部門(mén)提供參考。

3.1 項(xiàng)目概況

本次用模型進(jìn)行預(yù)測(cè)工程為園西泵站場(chǎng)地地下水設(shè)防水位咨詢(xún)項(xiàng)目。本項(xiàng)目主要通過(guò)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)場(chǎng)區(qū)地下水最高水位，并計(jì)算出建筑物地下水壓力，為地下水抗浮設(shè)防提供依據(jù)。

園西泵站位于北五環(huán)肖家河橋西南角，北臨小清河，南部有圓明園水體的影響。場(chǎng)區(qū)位于北京市西郊潛水區(qū)。

3.2 模型預(yù)測(cè)

在已建立的模型的基礎(chǔ)上，綜合考慮近幾年北京市區(qū)大氣降水、深層地下水抽取、蒸發(fā)、城市建設(shè)造成降水入滲情況的變化、水庫(kù)放水影響、西郊地下水庫(kù)的建立等。在模型中分別通過(guò)調(diào)整源匯項(xiàng)來(lái)對(duì)各因素進(jìn)行概化，得出適用于現(xiàn)階段條件下的地下水?dāng)?shù)值模型。運(yùn)行模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過(guò)相關(guān)坐標(biāo)系統(tǒng)的定位，得出園西泵站地下水各層水位值。

由圖可知，園西泵站場(chǎng)地由于受到圓明園和頤和園湖水影響，結(jié)合西郊地下水庫(kù)建成之后的綜合作用，其地下水位均會(huì)有所提高，其臺(tái)地潛水、潛水、承壓水含水層水位分別可以升到47.8 m、46.2 m、39.7 m。由此地下水位的確定來(lái)綜合確定建筑物抗浮水位。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)詳細(xì)分析區(qū)域水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，結(jié)合前期相關(guān)勘察成果，采用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件建立了北京市淺部含水層地下水三維數(shù)值模型，可以考慮不同含水層不同深度處地下水位值，從而換算出地下水壓力值。

(2)利用地下水?dāng)?shù)值模型確定建筑物抗浮水位，可以通過(guò)軟件對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行疊加，使用靈活，便于確定各層位不同深度水位，結(jié)果更加科學(xué)合理。

(3)應(yīng)用建立模型對(duì)北京市圓西泵站地下水位進(jìn)行預(yù)測(cè)，在綜合分析了地表水體、大氣降水、西郊地下水庫(kù)建設(shè)等一系列因素影響下各含水層地下水位進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果可對(duì)區(qū)域設(shè)防水位確定提供依據(jù)。

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