雷 丹，楊石飛，蘇 輝，孫 莉

（上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200093）

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下空間的開(kāi)發(fā)越來(lái)越向深層發(fā)展。而上海地區(qū)位于長(zhǎng)江三角洲入?？跂|南前緣，深部承壓含水層發(fā)育，具有儲(chǔ)水量豐富且層厚較大，水頭高，滲透系數(shù)大等特點(diǎn)[1]。故在進(jìn)行深層地下空間開(kāi)發(fā)的過(guò)程中稍有不慎便很有可能發(fā)生災(zāi)難性事故，如上海軌道4號(hào)線事故就是由于在施工穿越第一承壓含水層時(shí)由于對(duì)承壓水處理不當(dāng)而引起了災(zāi)難性的后果；上海世紀(jì)大都會(huì)項(xiàng)目基坑則是由于地下連續(xù)墻質(zhì)量缺陷，引起第一承壓水突涌，造成了巨大的工程損失和不良的社會(huì)影響。因此，在深層地下空間開(kāi)發(fā)之前，需要提前確定承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)及降水引起的周邊地面沉降來(lái)預(yù)防和控制承壓水風(fēng)險(xiǎn)。

目前獲取水文地質(zhì)參數(shù)的方法很多，有較為傳統(tǒng)的Thiem公式法、直線圖解法、水位恢復(fù)法等，還有全程曲線擬合法、遺傳算法、數(shù)值模擬法等[2-5]。其中，數(shù)值法能更精確地模擬地下水的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在含水層參數(shù)反演中被廣泛采用[6-8]。在計(jì)算降水引起地面沉降方面，眾多學(xué)者基于各種理論推導(dǎo)了不同適用條件下的經(jīng)驗(yàn)公式[9-10]，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算理論的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法也被越來(lái)越多的學(xué)者所采用[11]。

本文基于上海某地鐵車(chē)站深基坑工程抽水試驗(yàn)，結(jié)合場(chǎng)地具體的水文地質(zhì)條件，建立了三維有限元模型，采用流固耦合分析方法對(duì)場(chǎng)地水位降深及降水引起的地面沉降進(jìn)行了模擬和驗(yàn)證，探討了該有限元分析方法在深層承壓水降水和環(huán)境影響分析中的適用性，同時(shí)獲取了較為合理的深層承壓水水文地質(zhì)參數(shù)，為分析和預(yù)測(cè)本工程后續(xù)基坑施工提供了技術(shù)支撐，也為上海相似深層承壓水降水分析提供有益借鑒。

1 流固耦合分析方法

流固耦合是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一門(mén)力學(xué)分支，同時(shí)也是多學(xué)科或多物理場(chǎng)研究的一個(gè)重要分支。因?yàn)橥瑫r(shí)考慮流體和結(jié)構(gòu)特性，流固耦合可以有效節(jié)約分析時(shí)間和成本，同時(shí)保證結(jié)果更接近于物理現(xiàn)象本身的規(guī)律。所以，近年來(lái)流固耦合分析在工程設(shè)計(jì)特別是虛擬設(shè)計(jì)和仿真中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛和深入[12-13]。

目前有限元滲流計(jì)算常用的流動(dòng)法則為達(dá)西定律，三維滲流的基本微分方程為：

式中，H為水頭函數(shù)；kx、kv、kz分別為x、y、z三個(gè)方向的滲透系數(shù)；Q為流量；Θ為體積含水率；t為時(shí)間。

有限元固結(jié)分析一般采用比奧固結(jié)理論。比奧固結(jié)的基本方程為：

式中，K為體積模量，p為平均總應(yīng)力。

應(yīng)力滲流耦合分析是通過(guò)時(shí)間積分方法，結(jié)合以上滲流和固結(jié)基本原理和有限元方程，采用牛頓—拉普森法構(gòu)建耦合的非線性方程組：

式中，Kmat+Kgeo為由材料切線矩陣和幾何切線矩陣組成的不平衡力位移微分矩陣；Kc為不平衡力孔壓微分矩陣；Kp不平衡力流量微分矩陣；u為位移矩陣；p為孔壓矩陣；g為不平衡力；gp為不平衡孔壓。

2 工程概況

上海某地鐵車(chē)站地處浦東新區(qū)浦東大道與羅山路交叉口，在楊浦大橋浦東引橋下，車(chē)站橫穿主橋墩，周邊環(huán)境復(fù)雜。擬建車(chē)站長(zhǎng)度為211.68m，車(chē)站最大挖深24.23m。該場(chǎng)地位于長(zhǎng)江三角洲入?？谇熬?，成陸較晚，屬濱海平原地貌類(lèi)型。在勘察揭露的深度范圍內(nèi)，主要為第四紀(jì)晚更新世Qp3至全新世Qh沉積物，由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成，一般具有成層分布特點(diǎn)。

工程所在地區(qū)缺失第⑧層，第⑦、第⑨承壓含水層相連且厚度較大，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能完全隔斷承壓含水層，因此基坑施工過(guò)程中抽水量大、影響距離遠(yuǎn)，潛在的承壓水風(fēng)險(xiǎn)也較大。工程所處位置及相似典型地層分布如圖1所示，場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

圖1 工程位置及相似地層分布Fig.1 Engineering position and similar formation distribution

圖2 典型工程地質(zhì)剖面Fig.2 Typical engineering geological section

3 抽水試驗(yàn)

根據(jù)基坑底板抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算，在基坑開(kāi)挖階段坑下承壓水最大降深需大于16m，考慮到地下連續(xù)墻未能隔斷承壓含水層，降水將對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響，有必要在施工之前確定承壓含水層的詳細(xì)水文參數(shù)并分析降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。因此，降水試驗(yàn)單位在本場(chǎng)地承壓含水層中分別布設(shè)4口降水井、3口觀測(cè)井，并在地面布置了18個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。抽水井、觀測(cè)井和地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3所示，抽水井和觀測(cè)井結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 抽水井、觀測(cè)井和地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of pumping wells, observation wells and land subsidence monitoring points

圖4 各類(lèi)井結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.4 All kinds of well structure pro fi le

抽水試驗(yàn)共分為三個(gè)階段，依次是C2井單井試驗(yàn)、C1井單井試驗(yàn)以及C1～C4群井試驗(yàn)階段。抽水試驗(yàn)流程如表1所示。

表1 抽水試驗(yàn)流程Table 1 Pumping test fl ow

4 承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)分析

4.1 三維模型建立

鑒于研究區(qū)域的地層情況和含水層結(jié)構(gòu)，選定模型的水平尺寸為400m×400m，考慮第⑦承壓含水層和第⑨承壓含水層相連，降水影響深度也較大，因此選取地面以下100m深度作為研究范圍。模型側(cè)向邊界限制水平向位移，底部邊界限制水平和豎向兩個(gè)方向位移。在水力邊界方面，根據(jù)試驗(yàn)前觀測(cè)的初始水位，定義潛水位位于地面下1m，且該處自動(dòng)成為透水面，定義第⑦和第⑨承壓含水層的側(cè)向邊界總水頭為地面下5m。三維有限元模型如圖5所示。

圖5 三維有限元模型Fig.5 Three dimensional fi nite element model

4.2 水文地質(zhì)參數(shù)反演與分析

本分析中土體本構(gòu)采用可以同時(shí)考慮土體剪切硬化和壓縮硬化的HS模型，然在進(jìn)行流固耦合計(jì)算之前，需要獲取較為確定的承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)，因此先對(duì)C1和C2單井抽水試驗(yàn)進(jìn)行反演分析。在反演分析中，承壓含水層的初始水文參數(shù)可先結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，再結(jié)合兩個(gè)單井試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，初步獲得本場(chǎng)地的承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)（表2）。

表2 承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)Table 2 Hydrogeological parameters of con fi ned aquifers

以上承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)下C1和C2井單井試驗(yàn)各井水位模擬降深和實(shí)測(cè)降深的對(duì)比如圖6所示。從中可以看出，兩次單井抽水試驗(yàn)中抽水井的模擬降深和實(shí)測(cè)降深差異相對(duì)稍大，這是由于有限元中滲流計(jì)算理論是基于達(dá)西定律，假設(shè)抽水過(guò)程中水流符合層流運(yùn)動(dòng)，然而實(shí)際抽水井附近的水流并不完全符合這一規(guī)律。圖6(b)中隨著水平距離的增加，降深出現(xiàn)反轉(zhuǎn)是因各井濾網(wǎng)深度不同所致。除抽水井之外的各井模擬降深和實(shí)測(cè)降深吻合較好，證明該模擬反演的承壓層水文參數(shù)較為合理。

圖6 單井抽水試驗(yàn)各井降深模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.6 Comparison of simulated drawdown values and measured values of each well in C1 and C2 single well pumping test

結(jié)合以上水文地質(zhì)參數(shù)，再對(duì)C1～C4群井抽水試驗(yàn)進(jìn)行模擬，以進(jìn)一步對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正。模擬獲取第⑦1-1層和⑦1-2層交界面處的水位云圖如圖7所示。

圖7 第⑦1-1層和⑦1-1層交界面處水位云圖Fig.7 The water level at the interface between the ⑦1-1 and the ⑦1-2 layers

圖8為G1、G2、G3觀測(cè)井的水位模擬降深和實(shí)測(cè)降深的對(duì)比。圖9為G2觀測(cè)井水位模擬降深歷時(shí)曲線和實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比結(jié)果。從中可以看出，模擬所得的各觀測(cè)井最終降深和降水歷時(shí)曲線都與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，因此確定最終的土體HS本構(gòu)參數(shù)和水文參數(shù)如表3所示。

圖8 各觀測(cè)井水位降深模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.8 Comparison between simulated and measured valuesof water depth drawdown of each well

圖9 G2觀測(cè)井模擬降深和實(shí)測(cè)降深對(duì)比曲線Fig.9 Contrast curve of simulated depth reduction and measured depthreduction in G2 observation well

表3 模型土體材料計(jì)算參數(shù)Table 3 Calculation parameters of model soil material

4.3 降水引起的地面沉降分析

模擬獲取地面沉降云圖如圖10所示，各個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖11所示。從中可以看出，雖然實(shí)測(cè)地面沉降稍有波動(dòng)，但整體趨勢(shì)較為合理，且模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。降水中心水位降深約12m，對(duì)應(yīng)地表最大沉降約15mm，即在該降水情況下承壓層水位每降低1m地面沉降約增加1.2mm。由于第⑧層缺失，承壓含水層厚度較大，降水的影響范圍很大，因此沉降曲線隨距離變化較緩，在該地層下降水對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍也較遠(yuǎn)。

圖10 地面沉降云圖Fig.10 The cloud map of land subsidence

圖11 地面沉降實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig.11 Comparison of measured values of land subsidence with simulated values

5 結(jié)論

依托上海某地鐵車(chē)站場(chǎng)地抽水試驗(yàn)項(xiàng)目，采用流固耦合方法對(duì)其深層承壓水抽水和環(huán)境影響進(jìn)行了數(shù)值分析，得到的主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)實(shí)測(cè)水位降深和地面沉降數(shù)據(jù)對(duì)比研究，驗(yàn)證了流固耦合方法在深層承壓水降水和環(huán)境影響分析中的適用性。

（2）結(jié)合HS土體本構(gòu)模型和流固耦合分析方法能夠反演計(jì)算得到較為合理的水文地質(zhì)參數(shù)，并能較好地模擬降水引起的周邊環(huán)境沉降，可為預(yù)測(cè)深層承壓水降水環(huán)境影響，布置合理承壓水降水方案提供理論支撐。

（3）深層承壓水降水對(duì)周邊環(huán)境的影響較大，特別當(dāng)不同承壓含水層相連且無(wú)法隔斷時(shí)，存在更大的工程風(fēng)險(xiǎn)，需從控制地下連續(xù)墻施工質(zhì)量及基坑開(kāi)挖過(guò)程按需降水等方面降低承壓水可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。