邱運軍，鄭 爽，朱俊樸，幸厚冰，李繼超，王祥秋

（1.中國建設基礎設施有限公司，北京 100000；2.中國建筑第四工程局有限公司，廣東 廣州 510610；3.中建南方投資有限公司，廣東 深圳 518101；4.中建四局土木工程有限公司，廣東 佛山 528000；5.佛山科學技術(shù)學院 交通與土木建筑學院，廣東 佛山 528225）

隨著對巖溶地下水滲流研究的深入，已經(jīng)有許多學者通過研究巖溶含水介質(zhì)［1-2］提出了不同的巖溶介質(zhì)概化模型，如等效多孔介質(zhì)模型、雙重含水介質(zhì)模型［3］以及三重空隙介質(zhì)模型［4］等，目前雙重、三重介質(zhì)模型因需要準確刻畫出巖溶裂隙、管道，在實際工程中極少運用［5］。相對于雙重、三重孔隙介質(zhì)模型而言，等效多孔介質(zhì)模型將巖溶高度概化，目前在工程適用性及經(jīng)濟效益上不可替代。等效多孔介質(zhì)理論研究已取得豐碩成果［6-10］，但其運用于地鐵車站基坑工程這類小區(qū)域復雜巖溶地層地下水滲流模擬的研究較少，其主要原因在于巖溶發(fā)育地段土層厚度高度不均勻，基巖面起伏劇烈［11］。如何根據(jù)現(xiàn)場勘探鉆孔資料，合理概化土層結(jié)構(gòu)并劃分含水層、隔水層，對于巖溶發(fā)育地段基坑滲流數(shù)值模擬至關(guān)重要。此外，因巖溶區(qū)域土層的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)工程勘察室內(nèi)滲透試驗測定的滲透系數(shù)結(jié)果與抽水試驗結(jié)果差異大，難以運用于基坑開挖滲流分析。

本文以佛山地鐵3 號線中山公園站地鐵車站基坑工程為背景，從數(shù)值模擬的角度，基于等效多孔介質(zhì)理論［12］建立基坑巖溶地下水滲流概化模型，借助Visual MODFLOW 平臺對現(xiàn)場抽水試驗進行模擬，通過對比分析各階段模擬水位與實際水位變化情況，反演分析了巖溶區(qū)域土層滲透參數(shù)。

1 工程概況

1.1 場區(qū)地質(zhì)概況

佛山地鐵3 號線中山公園站基坑工程場地地貌屬珠江三角洲平原地貌，地面高度為2.25～5.94 m，地勢平坦，東南部約6.0 km 處為廣州～從化斷裂帶，原詳細勘察場區(qū)受該斷裂次生斷裂影響，區(qū)內(nèi)均普遍為第四系松散層覆蓋，下伏基巖為古近系泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、鈣泥質(zhì)粉砂巖、含礫粗砂巖、泥灰?guī)r。根據(jù)所揭露地層的地質(zhì)年代、成因類型、巖性特征、風化程度等工程特性，將場地內(nèi)巖土層分為填土層、海陸交互相沉積層、沖積-洪積砂層、沖積-洪積-土層、殘積層、巖石全風化帶、巖石強風化帶、巖石中風化帶、巖石微風化帶、斷層角礫巖共10 層?？碧缴疃确秶鷥?nèi)場地地質(zhì)剖面如圖1 所示。

圖1 典型場地地質(zhì)剖面

中山公園站巖溶發(fā)育區(qū)主要集中在YBK57+010～YBK57+080 里程段，該區(qū)域19 個施工鉆孔中13個發(fā)育有溶洞，場地巖溶見洞隙率為68.4 %，巖溶發(fā)育程度等級為巖溶強發(fā)育；在YBK57+107～YBK57+127 里程段有2 個鉆孔揭露到溶洞。巖溶層厚0.2～10.6 m，平均厚度2.89 m，溶洞以半填充或全充填狀態(tài)為主，少量充填，串珠狀溶洞發(fā)育，其充填物主要為流～可塑狀黏性土、礫砂及少量巖塊。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征分析，地下水主要有兩種基本類型，分別為賦存于沖、洪積砂層的松散層孔隙水和賦存于強、中風化帶的基巖裂隙水。根據(jù)鉆探揭露地層、水位及原詳勘抽水試驗結(jié)果，砂層水穩(wěn)定水位埋深約2.67～2.94 m；基巖水穩(wěn)定水位埋深約3.05～3.17 m，巖溶水賦存于中風化巖中的溶蝕裂隙、溶洞之中，含水層無明確界限，埋深和厚度很不穩(wěn)定。根據(jù)勘探資料，部分砂層含水層直接覆蓋于基巖之上，第四系孔隙水與基巖水、巖溶水有一定的水力聯(lián)系。

2 巖溶區(qū)基坑滲流數(shù)值模型建立

2.1 計算區(qū)域的界定及邊界概化

水平方向以抽水試驗及基坑降水對模型邊界水頭無影響為準則，考慮項目現(xiàn)場抽水試驗最大影響半徑為310 m，將對基坑地連墻邊界線外推500 m，形成以基坑為中心的1 315×1 027 m2的模擬區(qū)域，認為區(qū)域邊界水頭不受抽水影響，概化為定水頭邊界。垂直方向以地面作為模型上邊界，綜合考慮巖溶發(fā)育程度及基巖含水層厚度的影響，取基巖面以下20 m 為下邊界，該深度上基層富水性差，透水性極低，視為隔水底板，概化為零流量邊界。

2.2 水文地質(zhì)條件概化

根據(jù)勘探鉆孔數(shù)據(jù)，結(jié)合前人的分析研究［13］，依據(jù)地下水富水性、透水性將模擬區(qū)地下含水層概化為2 層。分別為由淤泥質(zhì)粉細砂、中粗砂組成的潛水含水層和基巖裂隙承壓含水層，巖溶層包含與基巖裂隙承壓含水層中，將其概化為巖溶等效多孔介質(zhì)。為滿足實際工程需求，場區(qū)地下含水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定流含水系統(tǒng)，不考慮降水入滲、蒸發(fā)和河流側(cè)向補給，地下水流服從達西定律。

3 概化模型建立

Visual MODFLOW Flex5.1 可根據(jù)鉆孔的點坐標及揭露的土層頂、底面高程數(shù)據(jù)進行插值，自動生成各土層的頂面和底面。但由于巖溶發(fā)育地段土層結(jié)構(gòu)高度不均，含水層、隔水層均有被侵入體穿插分割，甚至出現(xiàn)斷層錯位的極端現(xiàn)象，這種情況下運用插值方法生成的土層平面通常極度崎嶇，易造成網(wǎng)格剖分無法進行及數(shù)值運算模型不收斂的情況。針對該現(xiàn)象，本研究歸納整理各缺失土層的鉆孔，各類鉆孔土層數(shù)據(jù)不參與涂土層底面高程插值，而用參數(shù)分區(qū)的方式刻畫土層缺失。

3.1 時間、空間離散

采用等間距網(wǎng)格有限差分方法對計算區(qū)域進行剖分，為提高計算精度，對基坑區(qū)域及抽水試驗區(qū)域網(wǎng)格進行加密，加密區(qū)網(wǎng)格單元面積為2.64 m2，模型單元總數(shù)406 944 個，為使模型能反映抽水試驗不同抽水量階段的水位變化，本研究以抽水試驗時間為依據(jù)，潛水層、基巖層兩類抽水試驗以16 h、24 h 為一個應力期，各應力期內(nèi)包含10 個時間步長。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

根據(jù)模型建立前整理歸納的鉆孔坐標點劃分土層缺失區(qū)域（土層天窗），將侵入體水文地質(zhì)參數(shù)設置于該區(qū)域中，以達到模擬侵入體穿插分割土層的目的。對于基巖裂隙含水層，需根據(jù)勘探鉆孔資料揭露的巖溶坐標位置及抽水試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合巖溶專項勘探界定的巖溶區(qū)域范圍，對基巖裂隙含水層進行分區(qū)劃分。本研究M3-Z3-SZS-27 抽水試驗鉆孔位于勘探界定巖溶區(qū)域邊緣，抽水鉆孔未揭露溶洞，抽水試驗滲流場受巖溶含水層影響，抽水滲流強度取決于基巖與溶洞、管道滲流的共同作用，故將M3-Z3-SZS-27 鉆井區(qū)域及巖溶?？苯衣兜膸r溶區(qū)域的中風化基巖層劃分為巖溶等效多孔介質(zhì)場，認為該鉆孔基巖段抽水試驗反映介質(zhì)場滲流特性。由概化結(jié)果，場區(qū)模型細分為8 層，結(jié)合基坑勘探室內(nèi)滲透試驗及水文地質(zhì)手冊水力參數(shù)建議值，參考前人的研究成果，為土層給定滲透系數(shù)初始值，見表1。

表1 滲透系數(shù)初始值

4 水文地質(zhì)參數(shù)反演分析

4.1 現(xiàn)場抽水試驗

中山公園站原位詳細勘察共布置了M3-Z3-SZS-12、M3-Z3-SZS-27 兩個抽水鉆孔，其中M3-Z3-SZS-27 鉆孔位于勘探界定的巖溶區(qū)邊界附近，平面布置如圖2 所示，兩個抽水鉆孔分別對沖、洪積砂層和強、中風化基巖層進行了不同流量的穩(wěn)定流完整井抽水試驗，試驗共完成了12 次降深。

圖2 抽水試驗鉆孔平面布置圖

4.2 抽水試驗數(shù)值模擬

按圖3 布置觀測井，將抽水井、觀測井的空間位置、抽水時間、流量等信息錄入到上述建立的巖溶基坑水文地質(zhì)概化數(shù)值模型，運用Wells 邊界條件對抽水試驗進行數(shù)值模擬，對比分析模擬觀測數(shù)據(jù)與實際觀測結(jié)果，反復修正水文地質(zhì)參數(shù)，使得模擬水位降深實時數(shù)據(jù)與實測結(jié)果高度吻合，以不斷逼近實際的水文地質(zhì)參數(shù)。

圖3 觀測井平面布置圖

巖溶發(fā)育區(qū)域的水文地質(zhì)數(shù)值反演較一般地層困難，分析認為，抽水試驗僅能反映鉆孔周圍土層的水力性質(zhì)，復雜度極高的地層結(jié)構(gòu)可使抽水試驗結(jié)果代表性差，而數(shù)值模擬對土層的高度概化，使模型較難精確反映抽水區(qū)地層水位變化情況，本項目兩孔抽水井結(jié)構(gòu)不一，試驗段含水層厚度差距大，抽水鉆孔相隔遠，任一參數(shù)的細微調(diào)整都將造成降深曲線改變，因此，對于巖溶發(fā)育強烈的地區(qū)，當模擬降深數(shù)據(jù)在時間、空間上與現(xiàn)場勘探觀測數(shù)據(jù)整體吻合，可認為該模型能夠反映基坑巖溶區(qū)水文地質(zhì)條件［14-15］，等效多孔介質(zhì)水力參數(shù)可運用于基坑降水等工程實際。

本研究在修正參數(shù)的過程中以先易后難原則，優(yōu)先修正潛水含水層參數(shù)，待潛水層觀測降深與模擬相近后進行基巖裂隙含水層參數(shù)修正，最后對模型整體進行反復修正，以達到所有觀測孔降深曲線趨勢穩(wěn)定，整體上吻合度良好的目的，最終降深曲線擬合結(jié)果見圖4～6，具體抽水流量、降深及土層等效水力系數(shù)反演結(jié)果分別見表2～3。

圖4 M3-Z3-SZS-12 鉆孔觀測井水位降深曲線（砂層）

圖5 M3-Z3-SZS-27 鉆孔觀測井水位降深曲線（砂層）

圖6 抽水鉆孔水位降深曲線（基巖層）

表2 滲透系數(shù)反演結(jié)果

表3 抽水試驗結(jié)果匯總表

4.3 模擬誤差分析

從鉆孔降深曲線時間變化關(guān)系圖來看，模擬降深曲線與觀測降深曲線變化趨勢一致，其中砂層抽水試驗吻合度較高，各段降深誤差均保持在0.61 m 以內(nèi)，誤差平均值為0.26 m，6 次定流量抽水模擬降深總值為23.407 m，現(xiàn)場觀測降深總值為24.36 m，相對誤差3.91 %。對于基巖層抽水試驗，試驗絕對誤差最大值達到1.224 m，誤差平均值為0.80 m，6 次定流量抽水模擬降深總值為40.645 m，觀測降深總值為36.94 m，相對誤差9.1 %。通過對比分析抽水流量與降深關(guān)系可發(fā)現(xiàn)，基巖層相對較小的抽水量即可引起較大的地下水頭變化，其降深曲線對滲透參數(shù)有較高的敏感度，因此認為抽水降深誤差在合理區(qū)間內(nèi)。

對于巖溶發(fā)育的復雜地層結(jié)構(gòu)帶來的不均一性，基于等效多孔介質(zhì)理論概化的巖溶水文地質(zhì)概念模型較難精確刻畫真實地下水滲流狀況［15］，但在工程角度上，該理論的實用性及經(jīng)濟性不可替代。大部分前人模擬研究大型區(qū)域，以少量鉆孔揭露土層為代表結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造條件劃分參數(shù)分區(qū)，并且用分布于各區(qū)域的少量抽水試驗結(jié)果反映分區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件，使得水文地質(zhì)條件及土層結(jié)構(gòu)概化度高，即便抽水試驗數(shù)值模擬結(jié)果高度吻合，概化模型也僅能達到大區(qū)域范圍上的整體等效，不代表模型反映局部區(qū)域真實情況。

對于巖溶地鐵車站基坑場區(qū)小區(qū)域范圍模擬而言，除巖溶裂隙發(fā)育的基巖層外，相同土層的水力性質(zhì)差距小，對各土層劃分參數(shù)分區(qū)不合實際，除巖溶發(fā)育的基巖層外，抽水試驗結(jié)果差異僅通過抽水鉆孔區(qū)域土層空間結(jié)構(gòu)的變化來體現(xiàn)，然而巖溶發(fā)育地段復雜的土層結(jié)構(gòu)可能造成各抽水井結(jié)構(gòu)差異大，土層高度概化后，抽水井結(jié)構(gòu)準確度有所下降，進一步加大了模擬抽水試驗結(jié)果與實測結(jié)果差距。

本研究在上述各種復雜因素影響下，模擬2 孔抽水試驗12 次降深水位時間關(guān)系變化曲線整體變化趨勢接近實測值，如圖7 所示，各含水層段總降深相對誤差在10%左右，認為該概化數(shù)值模型能夠反映巖溶基坑水文地質(zhì)條件，概化土層等效介質(zhì)參數(shù)可以用以指導工程實踐。

圖7 計算水位與觀測水位吻合程度

5 結(jié)語

（1）基于等效多孔介質(zhì)的地鐵車站基坑巖溶地層數(shù)值模擬及參數(shù)反演分析難度及精度受水文地質(zhì)條件復雜性、實際抽水試驗代表性與概化模型合理性三方面的制約。

（2）巖溶高度發(fā)育地區(qū)單孔抽水試驗結(jié)果反映的水文地質(zhì)條件一般不具有場區(qū)普適性，應根據(jù)實際巖溶裂隙發(fā)育程度，結(jié)合含水層變化特征，在各區(qū)域分別選取具有代表性的地質(zhì)鉆孔進行抽水試驗。巖溶層抽水試驗抽水鉆孔、觀測鉆孔應包含于勘探界定的巖溶區(qū)域范圍內(nèi)，此外，為滿足等效多孔介質(zhì)理論基于達西定律的基本假定，抽水井及觀測井不得貫通巖溶管道、溶洞。

（3）概化模型數(shù)值模擬應根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)合理概化土層及邊界條件，準確刻畫土層空間結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合現(xiàn)場抽水試驗及巖溶含水層位置，合理劃分基巖裂隙、巖溶含水層參數(shù)分區(qū)，以便有效提高基坑巖溶滲流模擬分析的精度。