GMS方法在某市政工程地下水控制中的應(yīng)用研究

王冬平，魏俊海

(天津市勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300191)

大規(guī)模市政工程建設(shè)中不可避免地會(huì)遇到地下水的控制問(wèn)題，市政工程是一種具有工期長(zhǎng)、工作量大、工序復(fù)雜等特點(diǎn)的工程類(lèi)別。在市政工程建設(shè)中，由于地下水的獨(dú)特的化學(xué)成分，對(duì)工程建筑會(huì)造成極大的作用和影響。主要表現(xiàn)在腐蝕鋼筋、侵蝕地下承力土壤、弱化構(gòu)件屬性。除此之外，地下水的浮力對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工也有著不容忽視的影響，市政工程施工中應(yīng)當(dāng)處理好地下水對(duì)工程建設(shè)的影響。

1 地下水的類(lèi)型及形成因素

在現(xiàn)階段各項(xiàng)工程建設(shè)中，我們普遍將地下水分成三類(lèi)：承壓水、潛水、上層滯水(見(jiàn)圖1)。這主要是根據(jù)地下水的埋藏條件和水力性質(zhì)來(lái)進(jìn)行的分類(lèi)，其中地下水的水力性質(zhì)是造成工程事故的主要性質(zhì)，這也是研究地下水的一個(gè)重要切入點(diǎn)。三類(lèi)水的形成各不相同，包氣帶局部隔水層(弱透水層)之上積聚的具有自由表面的重力水稱為上層滯水(Upper stagnant water)，此類(lèi)地下水主要來(lái)自大氣降雨、地表水的滲入，一般在排水功能完善的城市很少見(jiàn)。上層滯水是一些還跟不上現(xiàn)代化腳步城市要面對(duì)的主要難題，這些城區(qū)排水功能不規(guī)范，地下排水系統(tǒng)老化，設(shè)備設(shè)施得不到更新，雨季來(lái)臨時(shí)，這種問(wèn)題會(huì)更加明顯。根據(jù)調(diào)查顯示，我國(guó)有80%以上的老舊街道存在著地下水侵蝕土層的危險(xiǎn)，而這種危害主要來(lái)源于地表水滲入。

圖1 地下水的分類(lèi)

潛水(phreatic water)，是指地表以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層以上具有自由水面的地下水，它不承受靜水壓力；水位受降水等因素影響而升降；它在重力作用下,由潛水位較高的地方滲流向較低的地方處,是地下徑流的主要源泉.

承壓水(Confined water)是存在于兩個(gè)隔水層之間的具有一定水頭壓力的地下水，承壓水形成條件比較復(fù)雜，它埋藏于兩隔水層之間，形成于透水層中，如果下滲水在隔水層之間布滿整個(gè)透水層則才可能形成所謂的承壓水。另外，周?chē)孛蔡卣骱屯临|(zhì)構(gòu)造也和承壓水關(guān)系緊密，在地質(zhì)構(gòu)造適宜的情況下，無(wú)論是松散沉積物，還是基巖，都可形成承壓水。根本區(qū)別就在于兩者埋藏條件不同，承壓水是埋藏在上下兩個(gè)隔水層之間的地下水，潛水埋藏在第一個(gè)隔水層之上的地下水。城市市政工程中，經(jīng)常遇到的地下水問(wèn)題就是潛水和承壓水問(wèn)題。這兩類(lèi)地下水造成的不良施工困難主要表現(xiàn)在涌突、管涌、結(jié)構(gòu)上浮等。多市在實(shí)施地下工程中都曾有施工人員在地下作業(yè)時(shí)喪生于此，承壓水與潛水的工程影響已然成為社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

2 市政工程地下水處理理論依據(jù)

市政工程中地下水的勘測(cè)是一項(xiàng)巨大的工程，這意味著在滿鋪的市政干道之下要進(jìn)行極其精確的數(shù)據(jù)測(cè)量和水位檢測(cè)，必須借助特定的地下水檢測(cè)器械才能實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化模擬系統(tǒng)GMS在地下水勘測(cè)與防治中具有顯著的成像效果，它將多個(gè)模塊集成，能夠反映真實(shí)的地下水流狀況。而地下水的理論分析也是一個(gè)值得深挖的概念，只有將GMS和地下水理論分析結(jié)合在一起，才能完成對(duì)地下水的一個(gè)全面了解，從而達(dá)到預(yù)期減災(zāi)防災(zāi)的目的。

2.1 GMS的數(shù)據(jù)輸入方式和功能

GMS的全稱是Groundwater Modeling Systems, 即地下水模型系統(tǒng)，是美國(guó)Brigham Young University環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)陸軍排水工程實(shí)驗(yàn)工作站在綜合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D等已有地下水模型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一個(gè)綜合性的地下水模擬軟件。該軟件模塊使用模塊數(shù)據(jù)輸入、外部GIS數(shù)據(jù)輸入、工具性輔助模塊數(shù)據(jù)輸入等方式，使用者根據(jù)自己的數(shù)據(jù)使用要求選擇不同的輸入方式，從而得出相應(yīng)的三維模擬結(jié)果。

2.2 地下水“涌突”的理論依據(jù)

涌突指的是在深基坑大開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)破壞掉承壓水上部不透水頂板的絕對(duì)厚度，進(jìn)而直接承壓水頂破基坑底部的橫向面板造成的破壞現(xiàn)象。涌突的穩(wěn)定性驗(yàn)算可以采用相關(guān)規(guī)范中的公式進(jìn)行：

H/(h×γ)≥K

(1)

式中：H表示不透水頂板開(kāi)挖后的厚度，h為承壓水頭高于不透水頂板的高度，k為涌突穩(wěn)定安全系數(shù)，該系數(shù)規(guī)定大于等于1.1,根據(jù)相關(guān)規(guī)范，只有當(dāng)滿足H≥K×h×γ時(shí)才不會(huì)發(fā)生管涌現(xiàn)象。

2.3 地下水“結(jié)構(gòu)上浮”的理論依據(jù)

結(jié)構(gòu)上浮是指大開(kāi)挖形成的基坑底部結(jié)構(gòu)被地下水沒(méi)過(guò)，地下水形成的水浮力相較上層結(jié)構(gòu)荷載較大時(shí)造成的整個(gè)建筑下沉或者傾斜的現(xiàn)象。這在市政工程中同樣危險(xiǎn)著市政道路和市政地下空間的穩(wěn)定性，根據(jù)市政工程相關(guān)規(guī)范進(jìn)行抗浮驗(yàn)算可以用到以下公式：

K=(結(jié)構(gòu)重力+覆土重力+地上體系重力)/水浮力

(2)

式中：K為抗浮安全系數(shù)。當(dāng)不計(jì)地層側(cè)摩阻力時(shí)，k≥1.05；當(dāng)計(jì)及地層側(cè)摩阻力時(shí)，k≤1.15。

2.4 地下水“流沙”的理論依據(jù)

土體在飽水之后，會(huì)形成“水頭差”，水頭差造成滲透力的方向變化到與重力相反的方向，接著那些松散土顆粒就會(huì)產(chǎn)生懸浮流動(dòng)，“流沙”因此產(chǎn)生。形成“流沙”之后，土壤喪失承載能力，致使工程無(wú)法施工，嚴(yán)重情況還會(huì)引起地基“空心化”，從而引起建筑物的下沉、傾斜甚至倒塌。水力坡度是產(chǎn)生“流沙”這種現(xiàn)象的主要臨界因素，水力坡度越大，水中的顆粒流動(dòng)就會(huì)越迅速，隨著水流整體流動(dòng)的加快達(dá)到流沙產(chǎn)生的臨界點(diǎn)，流沙現(xiàn)象就會(huì)產(chǎn)生。所以控制水力坡度是控制流沙產(chǎn)生的最重要途徑。產(chǎn)生流沙的臨界水力坡度按照下式計(jì)算：

i=γ/r

(3)

《水力學(xué)》推導(dǎo)了該公式的來(lái)源，其中式中r為水的容重，γ為土的有效容重，i為產(chǎn)生流沙的臨界水力坡度。

3 多因素耦合在某市政工程中的具體應(yīng)用

欲改建一條長(zhǎng)約為7.8 km的市政重要線路，該線路是連接城市東部與市中區(qū)的主要公路干線，隨著車(chē)輛逐年增長(zhǎng)，交通壓力越來(lái)越大，傳統(tǒng)的紅綠燈控制車(chē)流的方式在此線路上已經(jīng)失去了作用。在道路的擴(kuò)建過(guò)程中，就遇到了老生常談的地下水問(wèn)題。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場(chǎng)地第一層地下水為潛水，水位位埋深約10.3 m，第二層地下水為承壓水，水位埋深約24 m，承壓水頭約7 m，抗浮水位埋深約4.8 m。

3.1 GMS與理論控制法在該線路中的運(yùn)用

本次模擬將地下水流考慮為最接近真實(shí)情況的三維流動(dòng)，采用外部GIS數(shù)據(jù)輸入，在整段設(shè)置7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，得出每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的k值，表1如實(shí)反映了7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。

表1 各段k值表

通過(guò)k值尋找，我們可以得出每段產(chǎn)生“涌突”臨界開(kāi)挖深度。具體見(jiàn)表2。

表2 臨界開(kāi)挖深度

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知該市政工程在各個(gè)施工段都應(yīng)該控制開(kāi)挖深度，當(dāng)遇到設(shè)計(jì)要求必須大開(kāi)挖至臨界深度一下時(shí)，必須設(shè)置井點(diǎn)進(jìn)行降水處理，否者就會(huì)發(fā)生“涌突”對(duì)施工人員造成危險(xiǎn)，情況嚴(yán)重還將造成原路面的下陷和開(kāi)裂。

3.2 地下水的施工控制方法

本項(xiàng)目是城市改造項(xiàng)目，因此在施工中必須考慮單邊作業(yè)法，在正常施工作業(yè)的情況下還必須為通行車(chē)輛設(shè)置單邊通道、為行人設(shè)置人行便道等。市政管線的管廊設(shè)置在道路兩側(cè)距表面5 m距離，而抗浮水深度是4.8 m，所以降水井的設(shè)置必須滿足兩個(gè)條件：(1)不能大開(kāi)挖，(2)降水井的連接必須使用頂管的施工工藝。

頂管施工就是利用頂管套筒和頂進(jìn)設(shè)備——傳力頂鐵將套筒頂入需要掘進(jìn)的土壤當(dāng)中，工人則在套筒內(nèi)進(jìn)行掘進(jìn)工作，最后利用起吊機(jī)將廢棄土方運(yùn)走。該施工方法主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)跨越施工，對(duì)周?chē)ㄖ绊懶　?/p>

(2)工期短，成本低。

(3)隱蔽作業(yè)，不阻礙交通。

(4)精度高。

圖2 頂管施工示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

在市政工程深基坑施工中，地下水滲透破壞現(xiàn)象極易出現(xiàn)。我們應(yīng)當(dāng)了解地下水造成的施工困難是哪些，并針對(duì)不同的地下水類(lèi)型設(shè)計(jì)理想的施工控制辦法。除此之外地下水的保護(hù)也很重要，進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，不能忽略對(duì)地下水的保護(hù)。根據(jù)對(duì)某市政工程道路改建的測(cè)算我們可以得到以下結(jié)論：

(1)勘察階段需要科學(xué)評(píng)價(jià)地下水對(duì)地質(zhì)、巖土造成的影響。在施工階段應(yīng)當(dāng)選取最合適的地下水控制方法進(jìn)行施工，特殊類(lèi)型地下水需要特殊施工工藝保障施工人員安全和工程完整性。

(2)對(duì)于難以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的工程，可以預(yù)先在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行模擬分析，再結(jié)合實(shí)際情況檢查地下水的各種性質(zhì)。

(3)結(jié)合實(shí)際工程要求，若實(shí)行大開(kāi)挖工藝會(huì)破壞正常交通秩序，危急鄰近建筑穩(wěn)定性，可以采用頂管施工法，既降低造價(jià)也能從根本上減少地下水的影響。

(4)在控制地下水的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注重地下水質(zhì)的保護(hù)。地下水可以用于城市生活、農(nóng)田灌溉、工業(yè)制造。含有特殊元素的地下水還可以作為醫(yī)療用品的原材料。地下水總的來(lái)說(shuō)是處于內(nèi)外平衡的狀態(tài)，人為原因造成地下水過(guò)渡流失可能會(huì)帶來(lái)地面下陷、地下空洞等一系列問(wèn)題。因此在市政建設(shè)中一定要考慮好地下水的變化趨勢(shì)，否則，將對(duì)城市造成難以估量的損失和影響。