邊 超，賈 超，楊 霄，丁朋朋，雷炳霄，朱恒華

(1.山東大學海洋研究院，山東 青島 266232；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014；3.山東省地質調查院，山東 濟南 250014；4.中國地質大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大量的高層建筑和地下工程不斷涌現(xiàn)，城市化發(fā)展促進了地下空間的開發(fā)利用，基坑工程深度和廣度也隨之不斷增加[1]。地下空間被利用時，原有的地下水流場中會形成不透水屏障，這將改變原有的水文地質條件，影響地下水的流量、流速、流向和水力梯度[2-3]。根據(jù)統(tǒng)計，所有基坑工程事故中直接由地下水處理不當引起的占22%[4]，而直接或間接由地下水引起的高達70%以上[5]。目前，針對利用地下空間引起的地下水環(huán)境的變化這一問題，許多研究運用諸如數(shù)值分析、試驗探究、模擬計算等方法做了大量的工作。在數(shù)值分析方面，高揚等[1]利用平面二維流勢函數(shù)理論和疊加原理，分別求解得到無止水帷幕工況下潛水完整井和承壓完整井在降水-回灌共同作用下的地下水浸潤曲線方程。在試驗探究方面，曾超峰等[6]開展室內模型試驗，對基坑開挖前降水工程進行了縮尺精細化模擬，通過模型箱對微型降水井設置和調控，真實再現(xiàn)了實際基坑降水過程中井流效應對圍護結構受力變形的影響。在模擬計算方面，Jiao等[7]分析了城市建筑對香港濱海地區(qū)地下水系統(tǒng)的影響，并對地下構筑物存在情況下的地下水流場進行了模擬比較。

本文以淄博火車站南廣場還遷商業(yè)綜合體的基坑為例，采用地下水數(shù)值模擬軟件對區(qū)域地下水流場進行數(shù)值模擬，探討了設置封閉式止水帷幕后基坑降水對基坑內外地下水流場的變化規(guī)律。

1 研究背景

1.1 工程概況

淄博市張店區(qū)車站街道的還遷商業(yè)綜合體基坑位于柳泉路以西，昌國路以北，王舍路以南。該車站基坑施工方法采用明挖法，基坑平面尺寸約為120.0 m×263.5 m，開挖深度按10.70～11.60 m計算，開挖深度范圍內均為第四系地層，基礎形式為筏板基礎，支護形式為錨桿支護，建筑場地周邊22 m范圍內無重要建筑物和構筑物。

該基坑地下水位埋深3.73～4.80 m，水位降深約7.00～7.67 m。采用人工井點降水方法，坑外帷幕止水，坑內降水，該方法能有效減小地下水對工程的影響[8]?；悠矫婕敖邓到y(tǒng)布置見圖1。基坑內分布有48口降水井和33口疏干井。

圖1 研究區(qū)范圍示意

1.2 研究區(qū)地質條件

研究區(qū)整體屬山前沖積平原地帶，地勢東南高西北低，地面標高在39.7～53.4 m之間，地勢較為平坦。根據(jù)巖土工程勘察報告和地質剖面圖，概化的地層范圍為-30～0 m，共5個大層，第1層為潛水含水層，該含水層水量小，使用額定出水量為3 m3/h潛水泵抽水2 min即抽干；第2層和第4層為隔水層；第3層為承壓含水層，是主要采水層；第5層為基巖層。研究區(qū)地質特征層分布剖面見圖2。

圖2 研究區(qū)地質特征層分布剖面

根據(jù)地下水的含水介質性質，研究區(qū)內地下水類型分為松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水。其中，松散巖類孔隙含水層主要為粉土含水層和膠結礫巖含水層，粉土含水層在研究區(qū)內局部地區(qū)分布，厚度及含水層水量較??；膠結礫巖含水層在研究區(qū)內連續(xù)分布，為松散巖類孔隙水主要含水層，厚度為0.7～3.9 m，平均為2.34 m。碎屑巖類裂隙水含水層為風化巖含水層，該含水層位于第四系之下。

2 研究區(qū)地下水數(shù)值模擬

研究區(qū)地下水模擬是在構建水文地質概念模型的基礎上，通過確定的模型范圍、邊界條件和源匯項等不同因素，采用建立的地下水三維數(shù)值模型進行模擬分析。

2.1 水文地質概念模型

根據(jù)研究區(qū)邊界的水文地質條件和觀測資料，將側向邊界概化為定水頭邊界；上部邊界為潛水面，受降水入滲和人工開采等影響；下部為第三系強風化泥質砂巖，概化為隔水邊界；補給項主要包含側向流入和降雨入滲補給；排泄項主要包括人工開采和側向流出。

2.2 地下水數(shù)值模型

采用MODFLOW建立地下水三維數(shù)值模型。網(wǎng)格共有540 192個節(jié)點，有效網(wǎng)格數(shù)281 980個。網(wǎng)格剖分見圖3。

圖3 網(wǎng)格剖分

模擬期為2019年3月～9月。根據(jù)地下水動態(tài)觀測及降水特征，將模擬期劃分為3月～6月和6月～9月2個應力期，選取前1個應力期進行數(shù)學模型識別，后1個應力期進行數(shù)學模型的驗證。根據(jù)研究區(qū)水文地質條件，將本區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質、各向異性、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，根據(jù)基本微分方程的定解條件[9]建立地下水數(shù)學模型。

3 地下水數(shù)值模型的識別與檢驗

3.1 數(shù)值模型的識別

本文選取2019年3月～6月作為模型的識別階段，在該階段校準模型的水文地質參數(shù)，確定源匯項，最后分析實測水位和計算水位的擬合情況，驗證本模型識別階段的所確定參數(shù)的準確性。

(1)水文地質參數(shù)選取。根據(jù)模擬需要，所涉及的水文地質參數(shù)包括降水入滲系數(shù)、給水度、滲透系數(shù)等。根據(jù)研究區(qū)的水文地質資料中的抽水試驗數(shù)據(jù)和地層巖性特征，本研究區(qū)第四系覆蓋地區(qū)的降雨入滲系數(shù)取為0.2[10]。各地層的滲透系數(shù)和給水度見表1。

表1 地下水滲流模型水文地質參數(shù)

(2)源匯項的確定。源匯項包括大氣降水補給量Q降水和大氣蒸發(fā)量Q蒸這2個主要參數(shù)[10]。根據(jù)已有數(shù)據(jù)及公式[9]計算得到，本研究區(qū)大氣降水補給量為3 210.06 m3/d，大氣蒸發(fā)量為558.94 m3/d。

(3)模型識別結果與實際對比。模擬水位與實測水位對比見圖4。圖4中，虛線為計算的等水位線，實線為2019年3月實測的等水位線。從圖4可以看出，計算水流的流向與實測無明顯水流方向差異，可以判斷研究區(qū)邊界條件是合理的；由于對研究區(qū)水文地質情況的清楚認識與預先進行的抽水試驗，率定的水文地質參數(shù)符合實際情況，大小變化與實測流場規(guī)律相一致。

圖4 模型識別期模擬水位與實測水位對比(單位：m)

(4)可靠性分析。依據(jù)圖4中的觀測井的數(shù)據(jù)來校正模型計算水位，各觀測井計算水位與實測水位誤差統(tǒng)計結果見表2。根據(jù)計算結果可得，誤差均在允許范圍內，表明模擬結果與實測值吻合良好，故該模型可用于解決還遷商業(yè)綜合體基坑的地下水流場問題。

表2 識別時段誤差統(tǒng)計

3.2 數(shù)值模型的檢驗

本文選取2019年6月～9月作為模型檢驗期，根據(jù)模型識別期所校正的水文地質參數(shù)進行模型檢驗，通過對實測水位與計算水位進行擬合，對比檢驗模型的有效性。圖5為基坑內疏干井、降水井的水位擬合結果。圖5中每個觀測點顯示中點為觀測值，如果計算水位和實測水位的誤差在校核置信范圍內，顯示為灰色，如果超出置信區(qū)間范圍但小于200%則呈灰黑色，大于200%則為黑色。擬合結果表明，大部分點的計算水位和實測水位有誤差但在校核置信范圍內，符合觀測結果，個別點誤差較大可忽略不計?？傮w而言，該數(shù)值模型擬合結果較好。

圖5 疏干井和降水井擬合結果

4 地下水流場動態(tài)分布規(guī)律

4.1 現(xiàn)階段影響的分析

模型選取2019年3月～6月作為模擬期，將2019年3月水位分布作為初始條件，確定數(shù)值模型初始條件。2019年3月初始流場見圖6。

圖6 2019年3月初始流場(單位：m)

由于研究區(qū)2019年6月7日～27日水位降幅較大，此后水位變化趨于平穩(wěn)，故選取2019年6月7日～27日階段進行分析。研究區(qū)地下水流場分布見圖7?；觾攘鲌鲎兓妶D8。從圖7、8可知，6月7日基坑內的水位在31～32 m左右，至6月27日基坑內水位維持在27～28 m左右，基坑外水位雍高為10 m左右。

圖7 研究區(qū)地下水流場分布(單位：m)

圖8 基坑地下水流場分布(單位：m)

基于上述分析，得到基坑降水條件下地下水流場動態(tài)分布規(guī)律。在研究區(qū)范圍內，由于基坑采用封閉式止水帷幕，降水井設置在止水帷幕的內側且降水時間較短，帷幕外未受明顯影響。止水帷幕改變了基坑滲流的流態(tài)及水力梯度，有止水帷幕的基坑滲流等勢線繞過帷幕進入基坑底部，為基坑空間滲流。由于止水帷幕過水斷面變小，滲流速度加大，導致該處底部等勢線最密集，水力梯度最大。基坑內外的地下水位明顯低于較遠區(qū)域地下水位，形成明顯降落漏斗，這說明該區(qū)域地下水特征受工程降水活動影響已發(fā)生改變，需要采取相應的回灌措施保證土層壓力仍處于原始平衡狀態(tài)，才能有效防止井點降水對周圍環(huán)境的影響，如果不采取相應措施，會使地下水漏斗不斷擴大，從而打破原有平衡，間接引起土中應力重新分布。

4.2 預測未來影響

假設不考慮工程等其他影響，保持現(xiàn)有降水方案的情況下，根據(jù)現(xiàn)有基坑降水的模型，預測后續(xù)基坑降水所引起的水位動態(tài)變化，總結驗證地下水流場動態(tài)分布規(guī)律，預測時間模擬至2021年7月1日，并將預測后的模擬結果和現(xiàn)階段的水位進行對比分析。地下水流場分布見圖9。

圖9 2021年7月1日地下水流場分布(單位：m)

通過對圖7、8、9的對比分析，在不考慮工程等其他影響下，保持止水帷幕等設施及現(xiàn)有降水方案的情況下，得到該地區(qū)基坑地下水的發(fā)展趨勢為：研究區(qū)大范圍水位基本保持穩(wěn)定，基坑內部的水位在前期降水期間水位快速下降，快速降水結束后地下水位開始緩慢降低。從2019年6月7日及2019年6月27日的水位與2021年7月1日的水位對比可知，基坑內部水位比2019年6月7日降水前下降約6 m，比2019年6月27日降水剛結束時下降約1 m；基坑外部水位基本保持不變。因此，基坑內外的水位變化受止水帷幕影響較大。綜上所述，通過該模型可預測該地區(qū)基坑地下水的發(fā)展趨勢，并且該預測結果也驗證了地下水流場的動態(tài)分布規(guī)律。

5 結 語

本文以淄博火車站南廣場還遷商業(yè)綜合體基坑為例，基于研究區(qū)地層結構與水文地質特征，建立水文地質概念模型和地下水三維數(shù)值模型，并進行識別與檢驗，最終分析得到基坑地下水流場的動態(tài)分布規(guī)律并預測其趨勢發(fā)展，結論如下：

(1)通過建立區(qū)域地下水數(shù)值模型，對基坑降水過程中的滲流場進行分析，重新確定水文地質概念模型的各類參數(shù)對模型進行識別，根據(jù)模型識別期水文地質參數(shù)進行模型校正，最后通過實測水位與計算水位擬合對比對模型進行了檢驗。結果表明，該數(shù)值模型擬合結果較好，可靠度較高，可適用于基坑降水過程的地下水環(huán)境分析。

(2)選取2019年6月7日～27日的降水階段模擬發(fā)現(xiàn)，止水帷幕有效阻隔了基坑內外的水力聯(lián)系，改變了基坑地下水滲流的流態(tài)及水力梯度；由于基坑降水可能會對土體地層產(chǎn)生較大影響，應采取回灌等針對性措施緩解。

(3)假設不考慮工程等其他影響，保持現(xiàn)有降水方案的情況下，預測至2021年7月1日，分析得出該地區(qū)基坑地下水的發(fā)展趨勢，預測結果符合地下水流場的動態(tài)分布規(guī)律。