趙燕容,張子民,董小松,陳 健,盧 剛

(1.河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 211100; 2.安徽省城建設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

當前,關于抗浮設防水位的研究越來越受到重視,當地下水上浮力大于建筑荷載時,往往引起建筑結構破壞從而導致事故的發(fā)生。1928年美國舊金山市圣弗蘭西斯大壩發(fā)生的潰壩事故使人們首次認識到了地下水浮力的危害;1995年北京官廳水庫泄洪導致下游地區(qū)建筑地下室開裂,從此我國開始系統(tǒng)地研究抗浮問題[1];2014年畢節(jié)市某醫(yī)院地下車庫部分梁、板、柱在雨后發(fā)生裂變;2020年南昌市某小區(qū)降雨后地下車庫發(fā)生局部上浮事件,車庫多個結構被破壞。隨著對地下空間的開發(fā),建筑物地下室的數量和深度不斷增加,抗浮設防將成為一個常見的技術問題,地鐵工程因埋深大更易受到地下水浮力的危害,如2011年南京地鐵2號線車站路基被地下水抬升約20 cm,造成地鐵停運。因此,在抗浮設防工作中得到準確的抗浮設防水位具有重要意義。目前,由于水文地質條件的復雜性,水文地質勘察工作很難提供足夠精確的抗浮設防水位。

抗浮設防水位是指建筑在各種不利工況組合下,設計使用年限內可能產生的最高地下水位,實際工程中一般使用勘察期間場地歷史最高水位作為抗浮設防水位,但因很多地區(qū)缺乏歷史資料,需要綜合各種技術手段來研究和確定抗浮設防水位。李永彪等[2]通過對地下水動態(tài)的監(jiān)測,運用動態(tài)曲線比擬法預測了合肥地鐵抗浮水位;蔡海艷[3]以烏魯木齊市地鐵為例,詳細闡述了影響抗浮設防水位的各種因素(如側向徑流和降雨入滲),最終以數值模擬計算得到抗浮設防水位;劉建豹等[4]基于水文地質調查方法,在查明地下水補徑排條件、季節(jié)動態(tài)變幅后確定了濟南某大廈的抗浮設防水位;葉樹人[5]提出考慮到建筑物地基的滲透性,可按照一定的折減系數乘以歷史最高水位得到抗浮設計水位;段平國等[6]認為如果場地與周圍道路形成一定高差,抗浮設防水位可以按照室外道路標高確定;劉國亮等[7]通過研究天津市區(qū)地下水抗浮設防水位,提出應將場地的地貌情況、地質條件和建筑物情況綜合分析,使用最不利組合的方法確定抗浮設防水位。綜上所述,目前對于如何確定抗浮設防水位沒有統(tǒng)一且明確的方法,并且各地設防水位的取值存在一定差異,通用性差。若取值過高會增加建設成本,取值過低則會留下安全隱患,因此如何綜合考慮各影響因素并準確確定抗浮設防水位仍是施工設計中面臨的重難點問題。

以合肥市軌道交通工程車站為研究對象,構建地下水滲流三維數值模型,對研究區(qū)抗浮設防水位展開研究。通過搜集合肥市多年氣象資料以及地下水監(jiān)測資料,利用GMS數值模擬軟件及其 MODFLOW-USG模塊建立滲流模型,對構建的地下水滲流模型進行識別與驗證,數值模擬預測得到的最高地下水位可為地鐵車站工程抗浮設防水位設計提供依據。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

合肥擬建軌道工程包括8號線1期、7號線與S1號線,其中8號線1期北起北城高鐵站,南至阜陽路站,解決了北城與中心城區(qū)之間聯系的迫切需要;7號線西起松林路站,東至巢湖南路站,增強了濱湖中心對外輻射功能;S1號線西起新橋機場,向東止于廣東路站,連接了新橋機場、新合肥西站、南站城際站三大交通樞紐。8號線1期、7號線與S1號線車站位置見圖1。研究區(qū)內地勢總體由西北向東南傾斜,地形以丘陵、波狀平原為主,毗連巢湖,平均海拔為20～40 m,地形相對平緩。3條線路共有48座地下車站,其中8號線1期13座地下車站,全線共24.8 km;7號線17座地下車站,全線共18.8 km;S1號線18座地下車站,全線共45.9 km。

1.2 水文與氣象

巢湖及其水系位于研究區(qū)南部,瓦布湖、高唐湖及其水系位于研究區(qū)北部。這一地區(qū)的河流以江淮分水嶺為界,南有長江水系,北有淮河水系,前者由南淝河、派河、店埠河、滁河組成,后者包括東淝河、沛河和池河。研究區(qū)內河流集水面積小,詳細水系分布如圖2所示。

據以往資料顯示,合肥市的降水較充足,年平均降水量為994.9 mm。5—9月易出現暴雨,占年降水量的3/5。1954年降水量最大,約1 541.9 mm;1978年降水量最小,約546.2 mm。數據顯示,7月份是全年降水量最多的月份,平均為173.9 mm;12月是降水量最少的月份,平均降水量為28.2 mm。年平均蒸發(fā)量835 mm,6—8月溫度最高,蒸發(fā)最強;12月—次年2月溫度最低,蒸發(fā)較弱。

圖1 地鐵車站分布Fig.1 Distribution of subway stations

圖2 研究區(qū)水系Fig.2 Water system of the study area

1.3 地層巖性

合肥市境內大部分為第四系松散沉積物覆蓋,主要為第四系人工填土、第四系全新統(tǒng)南淝河組粉質黏土、上更新統(tǒng)下蜀組粉質黏土、殘積層粉質黏土,其在波狀平原區(qū)厚度為5～50 m,在沖擊平原厚度為15～60 m,第四系地層厚度從西北丘陵至巢湖平原逐漸增加。下伏基巖主要為第三系定遠群和白堊系張橋組泥質砂巖、砂巖及砂質泥巖、泥巖,基巖頂板埋深在10～40 m,其中城區(qū)西北、西部及西南基巖頂板埋深為10～20 m,城區(qū)北部、東部及東南部基巖頂板埋深為25～40 m,最大可達50 m以上。

1.4 水文地質條件

合肥市地下水主要由上層滯水、松散巖類孔隙水和基巖裂隙水組成?；靥顚觾确植加猩蠈訙?但其分布不連續(xù),埋深一般在自然地表以下5 m內。第四系的松散巖類孔隙水分為潛水和弱承壓水兩類,潛水主要位于上更新統(tǒng)黏性土中,大氣降水是其主要的供水和補給來源,含水量小;弱承壓水主要存在于粉土及砂土中,側向徑流是其主要補給來源,主要賦存于一、二級階地下古河道中的粉土、粉土夾砂、粉細砂層?；鶐r裂隙水賦存于第三系與白堊系泥質砂巖、泥巖強～中風化層中,基巖裂隙水發(fā)育具非均一性,富水性弱,水量貧乏,具有承壓性。大蜀山分布著巖漿巖裂隙含水巖組,但其水量很少。

2 地下水滲流數值模型的建立與識別校準

2.1 數學模型

根據地下水滲流連續(xù)性方程,在研究區(qū)非均質各項同性含水層建立的地下水非穩(wěn)定流三維數學模型為

(1)

h為地下水位(m);h0為含水層初始水位(m);q為單位面積過水斷面的流量(m/d);W為源匯項(m/d);Γ1和Γ2分別表示第一類、第二類邊界條件;Ω代表研究區(qū);T為導水系數(m2/d);K為滲透系數(m/d);M為承壓含水層厚度(m);H為潛水面高程(m);Z為潛水含水層底板高程(m);μ為重力給水度;μ*為彈性貯水系數。

2.2 水文地質模型概化

(1) 含水層概化 地鐵深度影響范圍內的地下水包括上層滯水、潛水與承壓水,局部存在的上層滯水沒有固定的自由面,雖然其在小范圍集中產生的自由面也會產生浮力,但因地鐵車站埋深大,上層滯水并沒有直接作用于建筑基低,所以潛水與承壓水對抗浮起主導作用。根據水文地質條件,可將研究區(qū)含水層概化為2層:第1層為潛水含水層,其主要由粉土、粉細砂、粉質黏土組成,厚度在10～25 m之間;第2層為承壓含水層,其由下伏風化殘積層組成,兩層之間的隔水層由GMS的confining bed模塊模擬。

(2) 邊界條件概化 根據合肥市水文地質圖,將江淮分水嶺確定為研究區(qū)北界,概化為隔水邊界,東南部邊界為店埠河,概化為變水頭邊界,東北部邊界與地下水流線平行,概化為隔水邊界;南部邊界受巢湖影響,概化為變水頭邊界,西北部邊界與地下水流線平行,概化為隔水邊界;西南部邊界是派河,概化為變水頭邊界,模型第二層側向邊界概化為定水頭邊界。合肥地區(qū)河流與地下水系統(tǒng)水力聯系良好,河流可以設置為變水頭邊界,收集各河水位觀測點數據,插值得到河流水頭變化值。研究區(qū)內有兩座水庫:董鋪水庫與大房郢水庫,因模擬運行期間水庫的水位變化不大而水庫面積較大,水庫邊界設定為定水頭邊界,董鋪水庫水頭設置為水庫多年平均水位24.02 m,大房郢水庫水頭設置為水庫多年平均水位18 m。計算模型邊界條件如圖3所示。

2.3 模型構建與網格剖分

研究區(qū)南北長49 064 m,東西寬50 194 m,總面積約為1 645 km2。共收集有229個勘察鉆孔數據,鉆孔分布如圖4所示,利用GMS中Boreholes模塊構建三維模型,如圖5所示。模型的網格大小決定了其水力特征和應力變化能力,若網格尺寸過大,可能會遺漏地下水系統(tǒng)的特征,因此將平面上單元網格設置為500 m×500 m,使用U-Grid進行網格剖分,共剖分網格13 324個,節(jié)點20 625個,在垂直方向上共劃分為2層。三維模型坐標為笛卡爾坐標系,x軸為正東方向,y軸為正北方向,z軸為豎直向上。

圖3 邊界條件示意圖Fig.3 Schematic diagram of boundary conditions

圖4 研究區(qū)鉆孔分布Fig.4 Borehole distribution of the study area

圖5 三維地層模型Fig.5 3D stratigraphic model

2.4 水文地質參數分區(qū)

建立模型所需參數有滲透系數、給水度和貯水系數,其準確性直接影響模型的可靠性和可信度。通過查閱大量資料,結合勘察單位提供的區(qū)域水文地質條件和水文地質試驗成果,確定了研究區(qū)的水文地質參數分區(qū),各層的滲透系數、給水度、貯水系數見表1和表2,參數分區(qū)見圖6。

2.5 初始流場

根據研究區(qū)長觀井實測水位資料與邊界條件,建立穩(wěn)定流模型計算得出初始流場。對比穩(wěn)定流模型計算與觀測值插值得到的初始流場,得出穩(wěn)定流模型計算結果更加精確,并且通過穩(wěn)定流計算也驗證了模型邊界條件符合研究區(qū)的實際情況[8],研究區(qū)初始流場如圖7所示。

表1 潛水含水層水文地質參數Table 1 Hydrogeological parameters of phreatic aquifer

表2 承壓含水層水文地質參數Table 2 Hydrogeological parameters of confined aquifer

2.6 源匯項

(1) 潛水蒸發(fā) 影響潛水蒸發(fā)的主要因素是水面蒸發(fā)量、潛水埋深與包氣帶巖性。潛水蒸發(fā)計算公式為

(2)

其中:ε為區(qū)域平均潛水蒸發(fā)量;ε0為區(qū)域平均水面蒸發(fā)量;Δ為區(qū)域平均地下水埋深(m),查詢合肥地下水動態(tài)年報取平均地下水埋深為2.88 m;Δ0為潛水停止蒸發(fā)時的埋深(m),取5 m;n為與包氣帶土壤質量和氣候相關的指標,一般取2。根據研究區(qū)平均水面蒸發(fā)量數據計算得出研究區(qū)平均潛水蒸發(fā)量,如圖8所示[9]。

圖6 研究區(qū)參數分區(qū)Fig.6 Parameter partitioning of the study area

圖7 研究區(qū)初始流場Fig.7 Initial flow field of the study area

(2) 降水入滲 通過對合肥市土地利用現狀的分析,收集整理近年的降水資料,根據地面硬化情況將研究區(qū)劃分為2個區(qū)域,硬化分區(qū)如圖9所示,研究區(qū)多年平均降水量如圖10所示。參考地質礦產部1985年批準的參數值(取值范圍0.07～0.3),將城鎮(zhèn)硬化區(qū)的降水入滲系數設為0.07,非硬化區(qū)的降水入滲系數設為0.1,降水入滲量的計算公式為

Q=αP,

(3)

其中:Q為降水入滲量(mm);P為降水量(mm);α為降水入滲系數。計算得出的降水入滲量將以面狀補給的方式分配到各個區(qū)域,再賦值到每一個應力期。

圖8 研究區(qū)平均潛水蒸發(fā)量Fig.8 Average phreatic evaporation in the study area

圖9 硬化分區(qū)Fig.9 Ground hardening partitioning

圖10 研究區(qū)多年平均降水量Fig.10 Average precipitation in the study area for many years

2.7 時間離散

全部模擬擬合時間可以劃分為數個應力期,同一個應力期內源匯強度不變;一個應力期還可以劃分為數個時間段,其中每個時間段稱為時間步長。根據地下水位觀測資料,模擬期設置為2019年4月—2021年3月,以每個自然月為應力期,總共2年,每月時間步長為當月天數。

2.8 模型的識別與驗證

模型識別:識別時間段為2019年4月—2020年3月,對比計算值與觀測井實測水位值,利用GMS軟件中的PEST模塊對各參數進行優(yōu)化。PEST有2種方法:先導點法與參數區(qū)塊法,使用先導點求滲透系數最優(yōu)值,通過參數區(qū)塊法求蒸發(fā)最優(yōu)值。2次調參使得計算值與觀測值逐漸接近。

模型驗證:驗證時間段為2020年4月—2021年3月,為進一步驗證所建立的數學模型和模型識別后水文地質參數的可靠性,在研究區(qū)中選擇了6口具有代表性的觀測井,觀測值與計算值的擬合情況如圖11所示。觀測值越靠近計算值曲線,則誤差越小,說明擬合效果好。模型驗證的結果顯示校準后的模型精度高,能夠反映研究區(qū)真實的地下水動態(tài)變化,水文地質條件的概化具有代表性,數學模型也適合于研究區(qū)。

圖11 研究區(qū)觀測井觀測值與計算值對比Fig.11 Comparison of the observed and calculated values of observation wells in the study area

3 各車站最高地下水位及抗浮設防水位的確定

3.1 百年一遇降水的確定

以1951—2019年合肥市降水統(tǒng)計數據為基礎,使用水文頻率程序繪制出P-Ⅲ型頻率曲線[10],如圖12所示,得出合肥市百年一遇降水量(P=1%)為1 560.6 mm。隨后選擇一個降水量接近1 560.6 mm的年份作為典型年,用于分配每月的降水量。最終選擇1954年作為典型年,其降水分布如圖13所示。

3.2 抗浮設防水位的確定

將百年一遇降水數據輸入模型,其余邊界條件保持不變,在此基礎上模型運行一年,研究區(qū)各車站最高地下水位變化如圖14所示。圖14中S1號線四里河路站、固鎮(zhèn)路站、8號線1期中段大部分站點位于丘陵與山前,地形起伏坡降大,大部分降水以徑流排泄,接近四里河、板橋河、大房郢水庫、董鋪水庫等排泄區(qū)的站點地下水位漲幅小,相比歷史最高地下水位抬升0～0.7 m;8號線1期北城車輛段站、北城高鐵站與S1號線新橋機場站、T2航站樓站、空港新城站均位于非硬化區(qū),降水入滲較大導致地下水位漲幅較大,相比歷史最高地下水位抬升1.2～3 m;7號線松林路站～徽富路站、S1號線史河路站～揚子江路站位于十五里河、塘西河二級階地,階地表層主要為極微透水性～弱透水的黏性土層覆蓋,滲透性差,地下水排泄困難,地下水位漲幅大,相比歷史最高地下水位抬升1～5 m;7號線上海路站～巢湖南路站、S1號線中山路站、廣東路站位于十五里河河漫灘及一級階地,地形平緩,孔隙發(fā)育,含水層滲透性好,靠近巢湖地下水排泄條件好,相比歷史最高地下水位抬升1～2 m。

圖12 P-Ⅲ型降水量頻率曲線Fig.12 Frequency curve of P-Ⅲ precipitation

圖13 研究區(qū)1954年降水量Fig.13 Precipitation in 1954 in the study area

圖14 8號線1期、7號線、S1號線各車站百年一遇降水條件下最高地下水位Fig.14 The highest ground water level in the 100-year rainfall condition at each station of Phase 1 of Line 8,Line 7 and Line S1

綜合考慮研究區(qū)歷史地下水位變幅、各車站所在場地的地層情況與數值模擬的結果,并結合《建筑工程抗浮技術標準》[11]進行綜合取值,具體各車站抗浮設防水位取值分別如表3～表5所列。

表3 8號線1期抗浮設防水位

4 結論

(1) 以合肥市軌道交通工程地下車站為研究對象,根據合肥市的水文地質條件,結合大氣降水、蒸發(fā)、河流條件和合肥市近年的地下水監(jiān)測資料,構建地下水三維滲流數值模型。模型經識別驗證后,預測百年一遇降水量情況下研究區(qū)各地下車站的最高地下水位。預測結果顯示,地下水埋深呈現西北高、東南低的特點,與研究區(qū)地形趨勢一致,研究區(qū)北部非硬化區(qū)車站站點水位相比歷史最高水位抬升1.2～3 m,研究區(qū)中部硬化區(qū)車站站點水位相比歷史最高水位抬升0～0.7 m,研究區(qū)南部車站站點水位相比歷史最高水位抬升1～5 m。預測各車站的最高地下水位經修正后可作為各車站的抗浮設防水位,結合地下水數值模擬與頻率分析法確定的抗浮設防水位與場地最高水位相比,其結果更加科學、安全。

表4 7號線抗浮設防水位

表5 S1號線抗浮設防水位

(2) 建立以地下水分水嶺與河流為邊界條件的區(qū)域數值模型,避免了人工邊界可能對預測結果產生的負面影響,以鉆孔與地表DEM數據聯合建立的三維模型充分還原了合肥市地層結構,并通過人工與PEST程序調參,得到了高可信度的區(qū)域數值模型,最后預測計算得出科學合理的抗浮設防水位。通過建立水文地質數值模型加深了對區(qū)域水文地質情況的了解,為合肥市地鐵工程車站抗浮設計提供了技術支撐。

(3) 因施工方案在勘察階段并未固化,提出的抗浮設防水位僅為建議值,如果施工原因導致場地的水文地質條件發(fā)生了變化,其抗浮設防水位也應做出相應的修改。