邊 超，賈 超，楊 霄，丁朋朋，雷炳霄，朱恒華

(1.山東大學(xué)海洋研究院，山東 青島 266232；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250014；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(shí)，原有的地下水流場(chǎng)中會(huì)形成不透水屏障，這將改變?cè)械乃牡刭|(zhì)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(jì)，所有基坑工程事故中直接由地下水處理不當(dāng)引起的占22%[4]，而直接或間接由地下水引起的高達(dá)70%以上[5]。目前，針對(duì)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(yùn)用諸如數(shù)值分析、試驗(yàn)探究、模擬計(jì)算等方法做了大量的工作。在數(shù)值分析方面，高揚(yáng)等[1]利用平面二維流勢(shì)函數(shù)理論和疊加原理，分別求解得到無(wú)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(rùn)曲線方程。在試驗(yàn)探究方面，曾超峰等[6]開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)基坑開挖前降水工程進(jìn)行了縮尺精細(xì)化模擬，通過模型箱對(duì)微型降水井設(shè)置和調(diào)控，真實(shí)再現(xiàn)了實(shí)際基坑降水過程中井流效應(yīng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形的影響。在模擬計(jì)算方面，Jiao等[7]分析了城市建筑對(duì)香港濱海地區(qū)地下水系統(tǒng)的影響，并對(duì)地下構(gòu)筑物存在情況下的地下水流場(chǎng)進(jìn)行了模擬比較。

本文以淄博火車站南廣場(chǎng)還遷商業(yè)綜合體的基坑為例，采用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件對(duì)區(qū)域地下水流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了設(shè)置封閉式止水帷幕后基坑降水對(duì)基坑內(nèi)外地下水流場(chǎng)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(guó)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(jì)算，開挖深度范圍內(nèi)均為第四系地層，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，支護(hù)形式為錨桿支護(hù)，建筑場(chǎng)地周邊22 m范圍內(nèi)無(wú)重要建筑物和構(gòu)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(diǎn)降水方法，坑外帷幕止水，坑內(nèi)降水，該方法能有效減小地下水對(duì)工程的影響[8]。基坑平面及降水系統(tǒng)布置見圖1。基坑內(nèi)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(zhì)條件

研究區(qū)整體屬山前沖積平原地帶，地勢(shì)東南高西北低，地面標(biāo)高在39.7～53.4 m之間，地勢(shì)較為平坦。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告和地質(zhì)剖面圖，概化的地層范圍為-30～0 m，共5個(gè)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(zhì)特征層分布剖面見圖2。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)特征層分布剖面

根據(jù)地下水的含水介質(zhì)性質(zhì)，研究區(qū)內(nèi)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(jié)礫巖含水層，粉土含水層在研究區(qū)內(nèi)局部地區(qū)分布，厚度及含水層水量較小；膠結(jié)礫巖含水層在研究區(qū)內(nèi)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(fēng)化巖含水層，該含水層位于第四系之下。

2 研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬

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

2.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)研究區(qū)邊界的水文地質(zhì)條件和觀測(cè)資料，將側(cè)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(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，概化為隔水邊界；補(bǔ)給項(xiàng)主要包含側(cè)向流入和降雨入滲補(bǔ)給；排泄項(xiàng)主要包括人工開采和側(cè)向流出。

2.2 地下水?dāng)?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(gè)節(jié)點(diǎn)，有效網(wǎng)格數(shù)281 980個(gè)。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(dòng)態(tài)觀測(cè)及降水特征，將模擬期劃分為3月～6月和6月～9月2個(gè)應(yīng)力期，選取前1個(gè)應(yīng)力期進(jìn)行數(shù)學(xué)模型識(shí)別，后1個(gè)應(yīng)力期進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，將本區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)、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?dāng)?shù)學(xué)模型。

3 地下水?dāng)?shù)值模型的識(shí)別與檢驗(yàn)

3.1 數(shù)值模型的識(shí)別

本文選取2019年3月～6月作為模型的識(shí)別階段，在該階段校準(zhǔn)模型的水文地質(zhì)參數(shù)，確定源匯項(xiàng)，最后分析實(shí)測(cè)水位和計(jì)算水位的擬合情況，驗(yàn)證本模型識(shí)別階段的所確定參數(shù)的準(zhǔn)確性。

(1)水文地質(zhì)參數(shù)選取。根據(jù)模擬需要，所涉及的水文地質(zhì)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(zhì)資料中的抽水試驗(yàn)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(zhì)參數(shù)

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

(3)模型識(shí)別結(jié)果與實(shí)際對(duì)比。模擬水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比見圖4。圖4中，虛線為計(jì)算的等水位線，實(shí)線為2019年3月實(shí)測(cè)的等水位線。從圖4可以看出，計(jì)算水流的流向與實(shí)測(cè)無(wú)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(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)情況的清楚認(rèn)識(shí)與預(yù)先進(jìn)行的抽水試驗(yàn)，率定的水文地質(zhì)參數(shù)符合實(shí)際情況，大小變化與實(shí)測(cè)流場(chǎng)規(guī)律相一致。

圖4 模型識(shí)別期模擬水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比(單位：m)

(4)可靠性分析。依據(jù)圖4中的觀測(cè)井的數(shù)據(jù)來校正模型計(jì)算水位，各觀測(cè)井計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得，誤差均在允許范圍內(nèi)，表明模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)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(chǎng)問題。

表2 識(shí)別時(shí)段誤差統(tǒng)計(jì)

3.2 數(shù)值模型的檢驗(yàn)

本文選取2019年6月～9月作為模型檢驗(yàn)期，根據(jù)模型識(shí)別期所校正的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行模型檢驗(yàn)，通過對(duì)實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位進(jìn)行擬合，對(duì)比檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?。圖5為基坑內(nèi)疏干井、降水井的水位擬合結(jié)果。圖5中每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)顯示中點(diǎn)為觀測(cè)值，如果計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位的誤差在校核置信范圍內(nèi)，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(jié)果表明，大部分點(diǎn)的計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位有誤差但在校核置信范圍內(nèi)，符合觀測(cè)結(jié)果，個(gè)別點(diǎn)誤差較大可忽略不計(jì)?？傮w而言，該數(shù)值模型擬合結(jié)果較好。

圖5 疏干井和降水井?dāng)M合結(jié)果

4 地下水流場(chǎng)動(dòng)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(chǎng)見圖6。

圖6 2019年3月初始流場(chǎng)(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(jìn)行分析。研究區(qū)地下水流場(chǎng)分布見圖7?；觾?nèi)流場(chǎng)變化見圖8。從圖7、8可知，6月7日基坑內(nèi)的水位在31～32 m左右，至6月27日基坑內(nèi)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(chǎng)分布(單位：m)

圖8 基坑地下水流場(chǎng)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(chǎng)動(dòng)態(tài)分布規(guī)律。在研究區(qū)范圍內(nèi)，由于基坑采用封閉式止水帷幕，降水井設(shè)置在止水帷幕的內(nèi)側(cè)且降水時(shí)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(shì)線繞過帷幕進(jìn)入基坑底部，為基坑空間滲流。由于止水帷幕過水?dāng)嗝孀冃?，滲流速度加大，導(dǎo)致該處底部等勢(shì)線最密集，水力梯度最大?；觾?nèi)外的地下水位明顯低于較遠(yuǎn)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(dòng)影響已發(fā)生改變，需要采取相應(yīng)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(diǎn)降水對(duì)周圍環(huán)境的影響，如果不采取相應(yīng)措施，會(huì)使地下水漏斗不斷擴(kuò)大，從而打破原有平衡，間接引起土中應(yīng)力重新分布。

4.2 預(yù)測(cè)未來影響

假設(shè)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(yù)測(cè)后續(xù)基坑降水所引起的水位動(dòng)態(tài)變化，總結(jié)驗(yàn)證地下水流場(chǎng)動(dòng)態(tài)分布規(guī)律，預(yù)測(cè)時(shí)間模擬至2021年7月1日，并將預(yù)測(cè)后的模擬結(jié)果和現(xiàn)階段的水位進(jìn)行對(duì)比分析。地下水流場(chǎng)分布見圖9。

圖9 2021年7月1日地下水流場(chǎng)分布(單位：m)

通過對(duì)圖7、8、9的對(duì)比分析，在不考慮工程等其他影響下，保持止水帷幕等設(shè)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(shì)為：研究區(qū)大范圍水位基本保持穩(wěn)定，基坑內(nèi)部的水位在前期降水期間水位快速下降，快速降水結(jié)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(duì)比可知，基坑內(nèi)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(jié)束時(shí)下降約1 m；基坑外部水位基本保持不變。因此，基坑內(nèi)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(yù)測(cè)該地區(qū)基坑地下水的發(fā)展趨勢(shì)，并且該預(yù)測(cè)結(jié)果也驗(yàn)證了地下水流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以淄博火車站南廣場(chǎng)還遷商業(yè)綜合體基坑為例，基于研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)與水文地質(zhì)特征，建立水文地質(zhì)概念模型和地下水三維數(shù)值模型，并進(jìn)行識(shí)別與檢驗(yàn)，最終分析得到基坑地下水流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律并預(yù)測(cè)其趨勢(shì)發(fā)展，結(jié)論如下：

(1)通過建立區(qū)域地下水?dāng)?shù)值模型，對(duì)基坑降水過程中的滲流場(chǎng)進(jìn)行分析，重新確定水文地質(zhì)概念模型的各類參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)模型識(shí)別期水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行模型校正，最后通過實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位擬合對(duì)比對(duì)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明，該數(shù)值模型擬合結(jié)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(nèi)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(huì)對(duì)土體地層產(chǎn)生較大影響，應(yīng)采取回灌等針對(duì)性措施緩解。

(3)假設(shè)不考慮工程等其他影響，保持現(xiàn)有降水方案的情況下，預(yù)測(cè)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(shì)，預(yù)測(cè)結(jié)果符合地下水流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律。