基于數(shù)值模擬法的臨河建筑抗浮設(shè)防水位計(jì)算
——以成都金馬河臨河某商住樓為例

陳 鵬，張 繼，李 江

(四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000)

抗浮設(shè)防水位的取值對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全具有重要的意義。臨河建筑在進(jìn)行抗浮設(shè)防水位計(jì)算時(shí)經(jīng)常采用地面高程或歷史最高洪水位，這樣的取值往往導(dǎo)致抗浮設(shè)防水位偏高?？垢≡O(shè)防水位取值偏高，將會(huì)大大增加建筑物的抗浮投資，造成工程建設(shè)的巨大浪費(fèi)；抗浮設(shè)防水位取值偏低則可能導(dǎo)致建筑物地下結(jié)構(gòu)存在極大安全隱患，一旦遭遇極端天氣，輕則造成地下室結(jié)構(gòu)梁板開裂、地下室滲水，重則地下室上浮結(jié)構(gòu)破壞[1-3]。因此如何確定合理的抗浮設(shè)防水位，具有十分重要的意義。

1 臨河建筑抗浮設(shè)防水位數(shù)值模擬方法

臨河建筑因靠近河流，一般來(lái)說(shuō)臨河建筑所在場(chǎng)地地下水水位埋藏淺，第四系松散巖類孔隙水含水巖組滲透性能較好，滲透系數(shù)較大，因此建筑場(chǎng)地內(nèi)地下水流場(chǎng)受河水位變化影響大。若河流上下游修建水工結(jié)構(gòu)工程，將導(dǎo)致臨河建筑場(chǎng)地內(nèi)地下水流場(chǎng)受河流人工調(diào)蓄產(chǎn)生較大波動(dòng)，尤其是近些年來(lái)，汛期極端暴雨天氣增多，導(dǎo)致臨河建筑所在場(chǎng)地地下水流場(chǎng)難以通過(guò)常規(guī)勘察手段來(lái)確定。

地下水流模擬方法是基于計(jì)算機(jī)利用數(shù)值方法來(lái)分析和預(yù)測(cè)不同條件下局部或區(qū)域地下水系統(tǒng)行為的一種手段。早期的地下水模擬采用的物理模型進(jìn)行模擬，隨著電子計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，地下水流模擬逐漸從類比法(物理模擬)過(guò)渡到數(shù)值法，數(shù)值模擬方法就是在計(jì)算機(jī)上采用離散化的方式去求解數(shù)學(xué)模型，得到數(shù)學(xué)模型的近似解[4-5]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，地下水?dāng)?shù)值模擬法已經(jīng)發(fā)展成為解決地下水各種問(wèn)題的主要方法。這種方法具有較高的仿真度，能夠很好地反應(yīng)復(fù)雜及多變的水文條件下的地下水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。針對(duì)臨河建筑抗浮設(shè)防水位的計(jì)算采用數(shù)值模擬方法可有效的模擬各類水文條件下，臨河建筑場(chǎng)地內(nèi)的地下水流場(chǎng)的變化情況，從而提出科學(xué)合理的抗浮設(shè)防水位，這樣在工程投資的經(jīng)濟(jì)性和臨河建筑的安全性之間取得一個(gè)較好的平衡點(diǎn)。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型及邊界概化

研究區(qū)為成都金馬河臨河一大型商住樓濱湖印象建設(shè)項(xiàng)目，其西邊界為金馬河，多年平均水位為510.0 m。因研究區(qū)地處成都平原內(nèi)，區(qū)內(nèi)大范圍皆為平原區(qū)，地勢(shì)平坦，故將不因項(xiàng)目區(qū)周圍水位升降而產(chǎn)生明顯水位變化的位置作為計(jì)算區(qū)的其余三邊邊界，可概化為流量邊界。正常情況下區(qū)內(nèi)地下水向金馬河排泄，在暴雨條件或上游泄洪條件下，部分地表水補(bǔ)給地下水。 區(qū)內(nèi)含水介質(zhì)主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂卵石含水層，上部的薄層第四系全新統(tǒng)人工填土層以粘性土為主，為弱透水地層。區(qū)內(nèi)第四系全新統(tǒng)沖積砂卵石含水層總體厚度大。

計(jì)算區(qū)西部邊界為金馬河，在天然條件下，地下水在接受大氣降水入滲補(bǔ)給后向金馬河排泄，在暴雨條件或上游泄洪條件下，部分地表水補(bǔ)給地下水，可將金馬河概化為河流邊界。實(shí)際計(jì)算時(shí)金馬河的水位根據(jù)上游水閘(3號(hào)閘)的運(yùn)行情況(蓄水、泄洪)，按實(shí)際水位值代入模型中計(jì)算。北、東、南三邊邊界為不因項(xiàng)目區(qū)周圍水位升降而產(chǎn)生明顯水位變化的流量邊界。計(jì)算區(qū)的頂面為潛水面，在該面上發(fā)生著降水入滲、潛水蒸發(fā)等垂向水交換作用，可概化為潛水面邊界。其中降水入滲采用全年降雨量按大氣降水入滲系數(shù)代入模型中計(jì)算。區(qū)內(nèi)地面以下30 m以上的成都平原上部含水層作為計(jì)算范圍，30 m以下的中更新統(tǒng)含水層為隔水邊界[6-9]。因目前實(shí)測(cè)的地下水流場(chǎng)為平水期流場(chǎng)，為了保險(xiǎn)起見，模型計(jì)算采用豐水期水位作為初始流場(chǎng)。

圖1 計(jì)算區(qū)地面DEM影像圖

根據(jù)前述水文地質(zhì)概念模型，計(jì)算區(qū)地下水三維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型可建立為：

式中：H為地下水位標(biāo)高(m)；K為滲透系數(shù)(m/d)；μ為給水度；t為時(shí)間(d)；x，y，z為坐標(biāo)變量(m)；Hs為給定水位標(biāo)高(m)；Kr為河床介質(zhì)垂向滲透系數(shù)(m/d)；Mr為河床介質(zhì)厚度(m)；Γ2為二類邊界；D為計(jì)算區(qū)范圍。

3 參數(shù)選取及模型識(shí)別

模型的初始參數(shù)采用項(xiàng)目勘察期間取得相關(guān)參數(shù)及研究區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料中收集的參數(shù)進(jìn)行模型識(shí)別。

根據(jù)研究區(qū)的勘察資料，在研究區(qū)場(chǎng)地四周施工了27眼降水井，平均井深22.50 m。在場(chǎng)地在實(shí)測(cè)場(chǎng)地內(nèi)27眼降水井流量、初始地下水位及當(dāng)日金馬河河水位高程為510.0 m。將收集和實(shí)測(cè)的相關(guān)資料代入模型，調(diào)整研究區(qū)的滲透系數(shù)，采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合。根據(jù)擬合結(jié)果，確定研究區(qū)各地層參數(shù)取值，場(chǎng)地內(nèi)基坑降水條件下的地下水流場(chǎng)圖見圖2。通過(guò)模型識(shí)別顯示該計(jì)算模型能較好的反應(yīng)工作區(qū)的地下水滲流情況，可用于研究區(qū)內(nèi)各種情況下的地下水滲流場(chǎng)的數(shù)值模擬。

圖2 計(jì)算區(qū)模型識(shí)別地下水流場(chǎng)圖

4 模擬計(jì)算

4.1 上游水閘蓄水情況下臨河建筑場(chǎng)地內(nèi)流場(chǎng)變化情況

根據(jù)上游水閘運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)提供的資料，3號(hào)閘正常運(yùn)行工況下，閘前水位抬高，閘前正常水位516.00 m，閘后(下游)正常水位510.00 m，濱湖印象商住樓處于3號(hào)閘下游約500 m處，該處的地下水水位由三號(hào)閘上下游河段水位差形成的滲流場(chǎng)確定。

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，當(dāng)3號(hào)閘開始蓄水，閘前水位從510.0 m蓄水至516.0 m，閘后水位510.0 m時(shí)，3號(hào)閘上下游之間6.0 m的水位差，必然導(dǎo)致上游地下水繞過(guò)3號(hào)閘向下游滲流，引起下游地下水位的抬升。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，在3號(hào)閘開始蓄水，濱湖印象商住樓場(chǎng)地地下水位于從510.6 m上漲至511.6 m，場(chǎng)地內(nèi)北部地下水位高于南部(圖3)。

圖3 閘前水位蓄水至516.0m時(shí)研究區(qū)地下水流場(chǎng)圖

4.2 上游水閘泄洪情況下臨河建筑場(chǎng)地內(nèi)流場(chǎng)變化情況

前述計(jì)算僅僅基于上游水閘正常工況下計(jì)算研究區(qū)地下水流場(chǎng)的變化情況。根據(jù)水利部門提供的資料，在3號(hào)閘泄洪條件下，金馬河各泄洪標(biāo)準(zhǔn)洪量如下， 100 a一遇洪水(P=1%)、50 a一遇洪水(P=2%)、20 a一遇洪水(P=5%)和10 a一遇洪水(P=10%)，相應(yīng)洪峰流量分別為4 570 m3/s、4 220 m3/s、3 740 m3/s和3 380 m3/s。3號(hào)閘蓄水控制河段修建景觀閘前后水面線計(jì)算成果如以下表所示。其中斷面樁號(hào)42+850為3號(hào)閘所處位置， 43+300為濱湖印象(一地)商住樓項(xiàng)目處所在位置附近河道。

表1 金馬河水閘工程庫(kù)區(qū)水面線計(jì)算成果一覽表

表2 金馬河水閘工程泄洪條件下地下水水位計(jì)算成果一覽表

根據(jù)前述資料，采用數(shù)值模擬計(jì)算3號(hào)閘泄洪條件下，100 a一遇洪水(P=1%)、50 a一遇洪水(P=2%)、

20 a一遇洪水(P=5%)和10 a一遇洪水(P=10%)時(shí)研究區(qū)的地下水流場(chǎng)變化情況，計(jì)算結(jié)果詳見表2。

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，當(dāng)遇到100 a一遇洪水(P=1%)3號(hào)閘泄洪時(shí)，金馬河水位迅速上漲，局部地表水補(bǔ)給地下水，導(dǎo)致項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地下水位上升。此時(shí)濱湖印象商住樓場(chǎng)地地下水位位于512.1～512.7 m之間。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，考慮一定的1 m保險(xiǎn)系數(shù)，建議該項(xiàng)目抗浮設(shè)防水位取513.7 m。而該項(xiàng)目原勘察報(bào)告提出的抗浮設(shè)防水位為上游水閘蓄水的最高水位516.0 m。因此通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算降低了原抗浮設(shè)防水位的標(biāo)高，大大減少了項(xiàng)目的抗浮投資，在工程投資的經(jīng)濟(jì)性和臨河建筑的安全性之間把握了一個(gè)較好的平衡點(diǎn)。