烏魯木齊市軌道交通2號線抗浮設(shè)防水位研究

陳 立，方 靜

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830091)

烏魯木齊市軌道交通2號線抗浮設(shè)防水位研究

陳 立，方 靜

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830091)

本文在對烏魯木齊軌道交通2號線地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往研究工作和野外實地調(diào)查，對研究區(qū)抗浮水位的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)分析，并通過數(shù)值模擬法計算預(yù)測百年一遇洪水工況下軌道交通2號線地下水水位的上升幅度和趨勢，最終確定烏魯木齊市城市軌道交通2號線一期工程抗浮設(shè)防水位的合理建議值。進(jìn)而可以解決百年一遇洪水情況下的烏市軌道交通2號線抗浮設(shè)防與防滲水位問題，并提出相應(yīng)的成果，滿足工程設(shè)計的要求。

水文地質(zhì)條件；數(shù)值模擬；抗浮設(shè)防水位；軌道交通；烏魯木齊

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、地下空間建設(shè)理論和技術(shù)的不斷完善，城市地下空間利用程度逐漸增大。伴隨著建筑物基礎(chǔ)砌置深度的不斷加深，抗浮問題越來越多，在施工期間地下水會很大程度地影響地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)，在竣工后也會對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不同程度地影響，所以要確保結(jié)構(gòu)物達(dá)到抗浮要求[1-2]。因此，本文在對烏魯木齊軌道交通2號線地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往研究工作和野外實地調(diào)查[3-5]，對研究區(qū)抗浮水位的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)分析，并通過數(shù)值模擬法計算預(yù)測百年一遇洪水工況下軌道交通2號線地下水水位的上升幅度和趨勢，最終確定烏魯木齊市城市軌道交通2號線一期工程抗浮設(shè)防水位的合理建議值。

1 研究區(qū)概況

1.1 交通位置

軌道交通2號線位于新疆烏魯木齊市區(qū)，線路布置總體呈東南-西北向，沿線交通便利。地勢總體南高北低，東高西低，平均海拔800 m。區(qū)內(nèi)主要的地貌類型包括帶狀斜地、河谷低地、圓頂?shù)椭猩?、山間緩傾斜礫質(zhì)平原和崗狀礫質(zhì)臺地。

1.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)大部分地區(qū)被第四系覆蓋，在隆起地帶，古生界至新生界地層均有出露。其中古生界主要為二疊系，中生界包括三疊系、侏羅系和白堊系。

研究區(qū)地處天山—興安地槽區(qū)西段，位于準(zhǔn)噶爾—北天山褶皺系的北天山地槽褶皺帶中部，地跨該褶皺帶的博格達(dá)復(fù)背斜和烏魯木齊山前凹陷兩個三級構(gòu)造單元。

研究區(qū)斷裂形變強(qiáng)烈，其性質(zhì)、規(guī)模、分布均明顯受構(gòu)造運(yùn)動的控制，其共同特點(diǎn)主要是：走向基本為北東、北東東向；斷裂與褶皺構(gòu)造緊密相伴，多發(fā)育其翼部，與褶皺軸向相一致。其中對區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)影響較大的斷裂有雅馬里克斷裂帶、西山斷裂、八鋼—石化斷層、九家灣斷層組分支斷層。

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于烏拉泊洼地南部烏魯木齊河谷段，主要接受來自倉房溝及兩側(cè)各條主溝的側(cè)向徑流補(bǔ)給，在堆積的松散砂礫石、卵礫石層中形成松散巖類孔隙水，由卡子灣及植物園一帶的出山口向下游側(cè)向徑流排泄；河谷兩側(cè)的山區(qū)降雨充沛，在褶皺斷裂及裂隙發(fā)育地段形成碎屑巖類裂隙孔隙水及基巖裂隙水，以泉或地下徑流側(cè)向注入河谷的方式排泄。

2 抗浮設(shè)防水位分析

依據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》、《巖土工程勘察規(guī)范》、《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范，結(jié)合烏魯木齊市軌道交通2號線初步勘察成果(主要采用各站點(diǎn)及站點(diǎn)區(qū)間沿地鐵線剖面的水位及地層數(shù)據(jù))、現(xiàn)狀年水位觀測資料、水位年變幅和三維流數(shù)值模擬計算的預(yù)測水位變幅值(考慮百年一遇洪水、降水入滲、地下水側(cè)向補(bǔ)給、地表水滲漏、地下水開采、綠化灌溉及地下工程建設(shè)對地下水位的影響等因素)等因素，并取安全系數(shù)1.2來確定抗浮設(shè)防水位。如公式1所示。

h抗=h枯+(Δh年+Δh預(yù))×1.2

(1)

式中：h抗為抗浮設(shè)防水位(m)；h枯為年內(nèi)最低水位(m)；△h年為水位年變幅(m)；△h預(yù)為數(shù)值模型預(yù)測最大水位變幅(m)，包括洪水引發(fā)的水位變幅及降水增加引發(fā)的水位變幅。

3 抗浮設(shè)防水位要素計算

3.1 最低水位的確定

根據(jù)地下水動態(tài)監(jiān)測資料及收集的多年動態(tài)監(jiān)測資料，確定勘察期間最低水位，有多年動態(tài)監(jiān)測資料的采用多年動態(tài)監(jiān)測資料的枯水期水位，沒有多年動態(tài)監(jiān)測資料的采用勘查期內(nèi)最低水位。

3.2 水位年變幅

本次研究分別采用監(jiān)測期內(nèi)動態(tài)曲線比擬法和多年動態(tài)曲線比擬法兩種方法確定了地下水的年變幅，為抗浮設(shè)防水位的確定提供依據(jù)。

3.3 預(yù)測水位變幅

在系統(tǒng)分析研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對實際的地質(zhì)體進(jìn)行科學(xué)的概化，利用三維地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Processing MODLFOW建立了研究區(qū)的數(shù)值模型，并對模型并進(jìn)行求解。同時，利用研究區(qū)已有的觀測孔長觀資料及水均衡項資料對建立的模型進(jìn)行了率定。利用率定后的模型在現(xiàn)狀條件下，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)百年一遇洪水的條件下，對研究區(qū)內(nèi)地下水進(jìn)行了情景模擬與預(yù)測。

3.3.1 含水層的結(jié)構(gòu)概化

將計算區(qū)含水層概化為兩層，第一層為第四系松散巖類孔隙潛水含水層以及基巖風(fēng)化層，含水層巖性主要為砂卵礫石、砂礫石、含土砂礫石以及風(fēng)化基巖；第二層為砂巖。根據(jù)實際的需要可把含水系統(tǒng)概化多孔介質(zhì)為非均質(zhì)、各向同性介質(zhì)，空間上有二層地質(zhì)體構(gòu)成的地下水含水系統(tǒng):上部為淺層潛水含水層和中層強(qiáng)風(fēng)化泥巖砂巖，下部為砂巖構(gòu)成的孔隙-裂隙水含水層。

3.3.2 地下水流系統(tǒng)特征

地下水含水空間為第四系松散巖類的孔隙、碎屑巖類裂隙孔隙，孔隙、裂隙分布連續(xù)，呈漸進(jìn)式變化，孔隙、裂隙中的地下水流動狀態(tài)為層流,符合達(dá)西定律，計算區(qū)地下水流態(tài)概化為三維非穩(wěn)定層流。

3.3.3 模型邊界條件特征

烏魯木齊河谷的東部和西部其外部環(huán)境均為基巖山區(qū)，可作為地下水模擬的東、西部邊界。除來自西山及東山方向的側(cè)向徑流補(bǔ)給概化為二類流量邊界，其余地段概化為二類零流量邊界。地下水由南向北流動，南部和北部邊界以有鉆孔控制的斷面為邊界，概化為二類流量邊界。垂向邊界，把潛水水面作為模型的上邊界，通過該邊界地下水流系統(tǒng)與外界發(fā)生垂向水量交換，如接受降水入滲補(bǔ)給、潛水蒸發(fā)、田間灌溉回歸水補(bǔ)給等，地下水排泄以開采及部分地區(qū)的潛水蒸發(fā)為主。

3.3.4 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)計算區(qū)水文地質(zhì)概念模型，對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型選用二層非均質(zhì)各向同性三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型。

3.3.5 模型前處理

對計算區(qū)在空間上的離散包括平面上的網(wǎng)格剖分和垂向上的分層。平面上采用等間距矩形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，采用等間距有限差分的離散方法，在地下水模型中進(jìn)行自動剖分，剖分網(wǎng)格間距為200×200，每個單元面積0.04 km2。垂向剖分2層，模型計算區(qū)單元總數(shù)為120×80×2=19 200個，模型計算區(qū)有效單元數(shù)為3 965×2=7 930個，有效模擬面積為158.63 km2。

研究區(qū)內(nèi)長觀資料的觀測井共52眼，根據(jù)本次工作地下水統(tǒng)測資料繪制地下水等水位線，作為初始流場，對每一個單元賦初始水位值。

3.3.6 模型的識別與驗證

選擇2015年2月到2015年7月(共6個時段)進(jìn)行模型的識別。

地下水計算水位與實測水位誤差統(tǒng)計表明，水位擬合誤差小于0.5m的結(jié)點(diǎn)占已知水位結(jié)點(diǎn)數(shù)的85%以上，計算水位與實測水位等值線的整體擬和程度良好。

3.3.7 預(yù)測條件下的地下水補(bǔ)排變化

在現(xiàn)狀年(2015年)的基礎(chǔ)上，通過對歷史降水進(jìn)行分析，包括歷史降水量，確定在非洪水工況下規(guī)劃期間由于降水增加下滲可能引發(fā)的地下水位上升及對百年一遇降水量進(jìn)行預(yù)測，增加百年一遇洪水條件下的側(cè)向徑流量及渠系入滲補(bǔ)給量，最終確定百年一遇工況下的地下水的補(bǔ)給增加量。在預(yù)測最高水位年，對模擬計算區(qū)的地下水水位進(jìn)行預(yù)測。

4 抗浮設(shè)防水位及防滲水位的確定

根據(jù)上述抗浮水位的確定原則，以地下水長期觀測資料為基礎(chǔ)，結(jié)合烏魯木齊市軌道交通2號線一期工程巖土工程初步勘察報告期間的地下水位埋深，考慮地貌單元、含水層特征等因素對站點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，最終以長期觀測資料中歷史最高水位為基礎(chǔ)，結(jié)合工程重要性、降水入滲、地下水側(cè)向補(bǔ)給、百年一遇洪水對地下水的影響、地下水年變幅、綠化灌溉及地下工程建設(shè)等因素通過三維流數(shù)值模擬計算來預(yù)測場區(qū)遠(yuǎn)期最高水位，最終，作為烏魯木齊市城市軌道交通2號線一期工程的抗浮設(shè)防水位。

5 結(jié)語

本文在對烏魯木齊軌道交通2號線地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往研究工作和野外實地調(diào)查，對研究區(qū)抗浮水位的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)而可以解決百年一遇洪水情況下的烏市軌道交通2號線抗浮設(shè)防與防滲水位問題，并提出相應(yīng)的成果，滿足工程設(shè)計的要求。

(1)本文通過分析抗浮設(shè)防水位的要素，確定了各個要素的計算方法，首次建立了烏魯木齊市軌道交通2號線地下水流準(zhǔn)三維數(shù)值模擬模型，預(yù)測了百年一遇洪水工況下地下水位的動態(tài)變化，最終提出合理的抗浮設(shè)防水位。

(2)為了提高未來地鐵運(yùn)行期的安全性，根據(jù)烏魯木齊地質(zhì)、地貌水文地質(zhì)條件及《新疆烏魯木齊市軌道交通建設(shè)規(guī)劃》，建議統(tǒng)一布設(shè)軌道交通3-7號線的地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，投入適當(dāng)?shù)目碧焦ぷ髁?，提高研究成果的精度?/p>

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2017-06-14

陳立(1986-)，男，四川綿陽人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方面的工作。

P641.6

B

1004-1184(2017)04-0218-02