GMS軟件技術(shù)在某市地下軌道交通工程抗浮設(shè)防水位確定中的應(yīng)用

劉 軍

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

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GMS軟件技術(shù)在某市地下軌道交通工程抗浮設(shè)防水位確定中的應(yīng)用

劉 軍

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

抗浮設(shè)防水位即建筑物運營期間的最高水位，我國相關(guān)規(guī)范中將歷時實測最高水位或工程勘察期間的最高穩(wěn)定水位定義為建筑物的抗浮設(shè)防水位。在地下軌道交通工程領(lǐng)域，按規(guī)范確定抗浮設(shè)防水位準(zhǔn)確度不高，現(xiàn)階段，國際上普遍采用由美國開發(fā)的最先進(jìn)的綜合性地下水模擬軟件GMS進(jìn)行抗浮設(shè)防水位確定，該軟件具有較好的使用界面、強(qiáng)大的前后處理功能及三維可視效果。本次研究采用GMS軟件技術(shù)對某市地下水位進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測極端條件下地下水水位變化，最終確定抗浮設(shè)防水位，從而為工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

GMS；地下軌道交通；抗浮設(shè)防水位；數(shù)值模型

抗浮設(shè)防水位指地下水層在建筑物運營期間的最高水位，國家規(guī)范《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》[1]提出將歷時實測最高水位或工程勘察期間的最高穩(wěn)定水位作為建筑物的抗浮設(shè)防水位，但抗浮設(shè)防水位不能僅僅以以往實測水位作為其設(shè)計值，而需要考慮未來即工程運營期間可能發(fā)生的極端條件對地下水位產(chǎn)生的影響來確定。

GMS軟件是由美國開發(fā)的綜合性地下水模擬軟件。是目前國際上最先進(jìn)的綜合性地下水模擬軟件包,它具有多模塊組成的可視化三維地下水模擬軟件包,可進(jìn)行地下水流模擬[2]、溶質(zhì)運移模擬[3]、熱量運移模擬[4]、海水入侵模擬[5]等。GMS軟件以其較好的使用界面,強(qiáng)大的前處理、后處理功能及其優(yōu)良的三維可視效果正得到人們愈加廣泛的應(yīng)用。本次數(shù)值模擬是利用GMS中的MODFLOW模塊及其地層數(shù)據(jù)插值建立空間立體模型對某市地下水位進(jìn)行模擬。在識別后的模型中輸入預(yù)測激發(fā)條件，最終確定工程抗浮設(shè)防水位。

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況

研究區(qū)地處某河谷及其下游沖洪積平原區(qū)，地形起伏較大，南東高北西低。由于區(qū)內(nèi)除北部以外區(qū)域均為低山丘陵區(qū)，北部為開闊的平原區(qū)，致使其呈現(xiàn)“簸箕狀”特殊地形。地下軌道交通工程基本呈線型由南東至北西貫穿河谷區(qū)后到達(dá)平原區(qū)。

1.2 水文地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)地下水類型主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水。第四系孔隙水在區(qū)內(nèi)南部沿河呈線狀分布，至北部沖洪積平原區(qū)開始發(fā)散。其含水層巖性為松散砂、卵礫石。碎屑巖類裂隙孔隙水主要分布于西部和東部山區(qū)，賦存于新生界古近系-新近系至中生界白堊系、侏羅系及三疊系，含水層巖性多為細(xì)砂巖、砂礫巖及泥巖?；鶐r裂隙水分布在研究區(qū)東南部，賦存于古生界二疊系，含水層巖性多為砂巖、泥巖和凝灰?guī)r。

2 地下水?dāng)?shù)值模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

本次模型的概化根據(jù)區(qū)內(nèi)的鉆孔資料、地下水流場等資料為依據(jù)。對水文地質(zhì)條件的概化所包含的內(nèi)容有：模擬區(qū)范圍確定、含水層結(jié)構(gòu)概化、水力特征概化、邊界條件概化和參數(shù)分區(qū)等。

本次研究以區(qū)內(nèi)河谷區(qū)及部分北部平原區(qū)做為地下水流模擬計算區(qū)，模型有效計算面積154.92 km2。

根據(jù)鉆孔資料以及水文地質(zhì)條件的分析，把區(qū)內(nèi)含水層概化成為兩層：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，含水層巖性主要為礫石以及風(fēng)化基巖，其富水性較好，滲透系數(shù)較大；第二層為為砂巖，其富水性較差，滲透系數(shù)較小。

依據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，將河谷的東部和西部外圍基巖山區(qū)作為地下水流模擬的東、西邊界。除來自東西部山區(qū)的側(cè)向徑流補(bǔ)給概化為二類流量邊界，其余地段均概化為二類零流量邊界。在垂向上模型的上邊界為潛水水面，接受降水入滲、綠化灌溉入滲、北部農(nóng)業(yè)灌溉入滲以及水庫入滲和渠系入滲補(bǔ)給，以潛水蒸發(fā)等形式排泄。

根據(jù)進(jìn)行的地下水位調(diào)查統(tǒng)測數(shù)據(jù)，對計算區(qū)的每一個單元給定初始水位值，根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)確定滲透系數(shù)(K)和給水度(μ)等水文地質(zhì)參數(shù)將研究區(qū)劃分為16個參數(shù)分區(qū)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

區(qū)內(nèi)含水層在垂向上分為第四系松散巖類孔隙含水層和基巖分化層，孔隙、裂隙連續(xù)分布，地下水流動狀態(tài)為層流，符合達(dá)西定律。對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型選用非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型。

對數(shù)值模擬區(qū)在平面上采用等間距矩形網(wǎng)格在地下水模型中進(jìn)行自動剖分，剖分間距為200 m×200 m。垂向上分2層，模型計算區(qū)單元總數(shù)19 200個，其中有效單元數(shù)為7 746個。

本次模擬以2013年11月作為初始時刻，根據(jù)地下水位的動態(tài)觀測頻率，時間步長以月為單位，進(jìn)行分時段模擬。模擬中為保證計算結(jié)果的收斂性，采用交替方向隱式差分格式，利用超松弛迭代法(SSOR)求解差分方程。

將區(qū)內(nèi)東、南、西方向的側(cè)向徑流量作為邊界流入量，在邊界上進(jìn)行賦值；降水入滲補(bǔ)給量概化為單位面狀補(bǔ)給量，全區(qū)賦值；綠化灌溉入滲補(bǔ)給量根據(jù)綠化灌溉范圍，將其概化為單位面狀補(bǔ)給量，除北部灌溉區(qū)的其余區(qū)域全部賦值；渠系入滲補(bǔ)給量概化為單位面狀補(bǔ)給量，沿渠道線賦值；北部平原灌溉入滲補(bǔ)給量根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉的范圍，將其概化為單位面狀補(bǔ)給量，僅對灌溉區(qū)賦值；水庫入滲補(bǔ)給量按全年平均入滲，概化為單位面狀補(bǔ)給量，按照水庫范圍賦值。以上補(bǔ)給量均采用補(bǔ)給模塊進(jìn)行模擬，潛水蒸發(fā)量根據(jù)多年平均蒸發(fā)量，采用蒸發(fā)模塊進(jìn)行模擬。

2.3 模型的識別與檢驗

將2013年11月實測的水位流場作為識別的初始流場；將1964年10月至2013年9月區(qū)內(nèi)逐月的地下水位動態(tài)數(shù)據(jù)作為率定含水層參數(shù)的依據(jù)；將水均衡計算結(jié)果作為模型識別的輸入，以典型鉆孔水位作為模型識別的標(biāo)準(zhǔn)。

模型首先按穩(wěn)定流運行，消除了時間的影響。通過初始流場的擬合，在調(diào)整參數(shù)的同時可以判斷邊界處理的合理性，經(jīng)調(diào)試計算，得到初始流場。

根據(jù)模型的識別結(jié)果，雖模型計算水位值與多年實測水位月平均值年內(nèi)變化趨勢有所差異，但水位偏差一般小于1.5 m，符合模型精度要求，認(rèn)為模型可用。

表1 軌道交通工程各站點水位變化情況表 m

注：站點編號為由南向北依次增大

表2 軌道交通工程各站點抗浮設(shè)防水位一覽表 m

注：站點編號為由南向北依次增大

3 抗浮設(shè)防水位確定

3.1 預(yù)測方案

抗浮設(shè)防水位的確定受多種因素影響，其主要影響因素有氣象水文及人為因素。根據(jù)對各類影響因素的分析，確定本次采用降水量對水位影響進(jìn)行預(yù)測，為保證工程安全，在預(yù)測最高水位年，增加百年一遇降水條件對地下水位的影響。即增加降雨入滲量、渠系入滲量、側(cè)向補(bǔ)給量。

3.2 預(yù)測結(jié)果分析

由計算結(jié)果可知沿線各站點預(yù)測期內(nèi)水位呈上升趨勢，其中南段各站點(1#-15#)水位上升最大值1.19 m，最小值0.01 m；北段各站點(15#-23#)水位上升最大值1.18 m，最小值0.07 m。見表1。

3.3 抗浮設(shè)防水位的確定

依據(jù)區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀年水位觀測資料、水位年變幅和三維流數(shù)值計算的預(yù)測水位變幅值等，結(jié)合工程重要性，以現(xiàn)狀年平均水位為基礎(chǔ)，增加水位年變幅及預(yù)測條件下水位變幅確定抗浮設(shè)防水位(見表2)。

4 結(jié)語

(1)抗浮設(shè)防水位應(yīng)該是一個預(yù)測值，而非測量值。結(jié)合GMS軟件對未來可能發(fā)生的極端條件下的地下水位進(jìn)行模擬后確定的抗浮設(shè)防水位，從工程安全角度來講，較實測最高水位顯然是更安全、更科學(xué)的。

(2)通過概化所建立的數(shù)值模型雖整體上可以反映區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，但局部可能與實際不符，如地下工程建成后形成的阻水體對地下水流向、水位均會產(chǎn)生影響，對于該類區(qū)域應(yīng)進(jìn)行專項勘察并重新計算。

[1]中華人民共和國建設(shè)部.JGJ72-2004,高層巖土工程勘察規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社.北京：2004.

[2]梁秀娟,林學(xué)鈺,蘇小四,等.GMS與蘇錫常地區(qū)地下水流模擬[J].人民長江.2005,36(11):26-28+36.

[3]譚文清,孫春,胡婧敏,等.GMS在地下水污染質(zhì)運移數(shù)值模擬預(yù)測中的應(yīng)用[J].東北水利水電.2008,26(5):54-59.

[4]何朋朋. 含水層水熱運移試驗研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)(北京).2011.

[5]吳吉春,薛禹群,謝春紅,等.描述海水入侵含水層中交換陽離子運移行為的數(shù)學(xué)模型[J].科學(xué)通報.1996,41(1):91-93.

Application of GMS software in the determination of anti floating water level of underground rail transit project

LIU Jun

(The Xinjiang Uygur Autonomous Region water conservancy and Hydropower Survey and Design Inst, Xinjiang Urumqi, 830000, China)

Anti floating water level is the highest water level during the operation of the building. In our country, the maximum stable water level during the period of the highest water level or the period of engineering investigation is defined as the anti floating water level of the building in China's relevant norms. In the field of underground rail transit engineering, according to the standard the anti floating water level is not accurate. At the present stage, the international advanced groundwater simulation software-(GMS) is widely used in the world to determine the anti floating water level. The software has a good interface, powerful functions and 3D visualization. By using GMS software to simulate the groundwater level of a city this study predicted groundwater level change under extreme conditions and determined the anti floating water level finally, thus it provided scientific basis for engineering design.

GMS; underground rail transit; Anti floating water level; numerical model

2017-02-13

劉軍(1990-)，男，新疆昌吉人，助理工程師，主要從事水資源調(diào)查研究工作。

P641.72

B

1004-1184(2017)03-0022-02