基于GMS的抗浮設(shè)防水位研究
——以合肥市軌道交通工程地下車站為例

趙燕容,張子民,董小松,陳 健,盧 剛

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100; 2.安徽省城建設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

當(dāng)前,關(guān)于抗浮設(shè)防水位的研究越來越受到重視,當(dāng)?shù)叵滤细×Υ笥诮ㄖ奢d時,往往引起建筑結(jié)構(gòu)破壞從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。1928年美國舊金山市圣弗蘭西斯大壩發(fā)生的潰壩事故使人們首次認(rèn)識到了地下水浮力的危害;1995年北京官廳水庫泄洪導(dǎo)致下游地區(qū)建筑地下室開裂,從此我國開始系統(tǒng)地研究抗浮問題[1];2014年畢節(jié)市某醫(yī)院地下車庫部分梁、板、柱在雨后發(fā)生裂變;2020年南昌市某小區(qū)降雨后地下車庫發(fā)生局部上浮事件,車庫多個結(jié)構(gòu)被破壞。隨著對地下空間的開發(fā),建筑物地下室的數(shù)量和深度不斷增加,抗浮設(shè)防將成為一個常見的技術(shù)問題,地鐵工程因埋深大更易受到地下水浮力的危害,如2011年南京地鐵2號線車站路基被地下水抬升約20 cm,造成地鐵停運。因此,在抗浮設(shè)防工作中得到準(zhǔn)確的抗浮設(shè)防水位具有重要意義。目前,由于水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性,水文地質(zhì)勘察工作很難提供足夠精確的抗浮設(shè)防水位。

抗浮設(shè)防水位是指建筑在各種不利工況組合下,設(shè)計使用年限內(nèi)可能產(chǎn)生的最高地下水位,實際工程中一般使用勘察期間場地歷史最高水位作為抗浮設(shè)防水位,但因很多地區(qū)缺乏歷史資料,需要綜合各種技術(shù)手段來研究和確定抗浮設(shè)防水位。李永彪等[2]通過對地下水動態(tài)的監(jiān)測,運用動態(tài)曲線比擬法預(yù)測了合肥地鐵抗浮水位;蔡海艷[3]以烏魯木齊市地鐵為例,詳細闡述了影響抗浮設(shè)防水位的各種因素(如側(cè)向徑流和降雨入滲),最終以數(shù)值模擬計算得到抗浮設(shè)防水位;劉建豹等[4]基于水文地質(zhì)調(diào)查方法,在查明地下水補徑排條件、季節(jié)動態(tài)變幅后確定了濟南某大廈的抗浮設(shè)防水位;葉樹人[5]提出考慮到建筑物地基的滲透性,可按照一定的折減系數(shù)乘以歷史最高水位得到抗浮設(shè)計水位;段平國等[6]認(rèn)為如果場地與周圍道路形成一定高差,抗浮設(shè)防水位可以按照室外道路標(biāo)高確定;劉國亮等[7]通過研究天津市區(qū)地下水抗浮設(shè)防水位,提出應(yīng)將場地的地貌情況、地質(zhì)條件和建筑物情況綜合分析,使用最不利組合的方法確定抗浮設(shè)防水位。綜上所述,目前對于如何確定抗浮設(shè)防水位沒有統(tǒng)一且明確的方法,并且各地設(shè)防水位的取值存在一定差異,通用性差。若取值過高會增加建設(shè)成本,取值過低則會留下安全隱患,因此如何綜合考慮各影響因素并準(zhǔn)確確定抗浮設(shè)防水位仍是施工設(shè)計中面臨的重難點問題。

以合肥市軌道交通工程車站為研究對象,構(gòu)建地下水滲流三維數(shù)值模型,對研究區(qū)抗浮設(shè)防水位展開研究。通過搜集合肥市多年氣象資料以及地下水監(jiān)測資料,利用GMS數(shù)值模擬軟件及其 MODFLOW-USG模塊建立滲流模型,對構(gòu)建的地下水滲流模型進行識別與驗證,數(shù)值模擬預(yù)測得到的最高地下水位可為地鐵車站工程抗浮設(shè)防水位設(shè)計提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

合肥擬建軌道工程包括8號線1期、7號線與S1號線,其中8號線1期北起北城高鐵站,南至阜陽路站,解決了北城與中心城區(qū)之間聯(lián)系的迫切需要;7號線西起松林路站,東至巢湖南路站,增強了濱湖中心對外輻射功能;S1號線西起新橋機場,向東止于廣東路站,連接了新橋機場、新合肥西站、南站城際站三大交通樞紐。8號線1期、7號線與S1號線車站位置見圖1。研究區(qū)內(nèi)地勢總體由西北向東南傾斜,地形以丘陵、波狀平原為主,毗連巢湖,平均海拔為20～40 m,地形相對平緩。3條線路共有48座地下車站,其中8號線1期13座地下車站,全線共24.8 km;7號線17座地下車站,全線共18.8 km;S1號線18座地下車站,全線共45.9 km。

1.2 水文與氣象

巢湖及其水系位于研究區(qū)南部,瓦布湖、高唐湖及其水系位于研究區(qū)北部。這一地區(qū)的河流以江淮分水嶺為界,南有長江水系,北有淮河水系,前者由南淝河、派河、店埠河、滁河組成,后者包括東淝河、沛河和池河。研究區(qū)內(nèi)河流集水面積小,詳細水系分布如圖2所示。

據(jù)以往資料顯示,合肥市的降水較充足,年平均降水量為994.9 mm。5—9月易出現(xiàn)暴雨,占年降水量的3/5。1954年降水量最大,約1 541.9 mm;1978年降水量最小,約546.2 mm。數(shù)據(jù)顯示,7月份是全年降水量最多的月份,平均為173.9 mm;12月是降水量最少的月份,平均降水量為28.2 mm。年平均蒸發(fā)量835 mm,6—8月溫度最高,蒸發(fā)最強;12月—次年2月溫度最低,蒸發(fā)較弱。

圖1 地鐵車站分布Fig.1 Distribution of subway stations

圖2 研究區(qū)水系Fig.2 Water system of the study area

1.3 地層巖性

合肥市境內(nèi)大部分為第四系松散沉積物覆蓋,主要為第四系人工填土、第四系全新統(tǒng)南淝河組粉質(zhì)黏土、上更新統(tǒng)下蜀組粉質(zhì)黏土、殘積層粉質(zhì)黏土,其在波狀平原區(qū)厚度為5～50 m,在沖擊平原厚度為15～60 m,第四系地層厚度從西北丘陵至巢湖平原逐漸增加。下伏基巖主要為第三系定遠群和白堊系張橋組泥質(zhì)砂巖、砂巖及砂質(zhì)泥巖、泥巖,基巖頂板埋深在10～40 m,其中城區(qū)西北、西部及西南基巖頂板埋深為10～20 m,城區(qū)北部、東部及東南部基巖頂板埋深為25～40 m,最大可達50 m以上。

1.4 水文地質(zhì)條件

合肥市地下水主要由上層滯水、松散巖類孔隙水和基巖裂隙水組成?；靥顚觾?nèi)分布有上層滯水,但其分布不連續(xù),埋深一般在自然地表以下5 m內(nèi)。第四系的松散巖類孔隙水分為潛水和弱承壓水兩類,潛水主要位于上更新統(tǒng)黏性土中,大氣降水是其主要的供水和補給來源,含水量小;弱承壓水主要存在于粉土及砂土中,側(cè)向徑流是其主要補給來源,主要賦存于一、二級階地下古河道中的粉土、粉土夾砂、粉細砂層?；鶐r裂隙水賦存于第三系與白堊系泥質(zhì)砂巖、泥巖強～中風(fēng)化層中,基巖裂隙水發(fā)育具非均一性,富水性弱,水量貧乏,具有承壓性。大蜀山分布著巖漿巖裂隙含水巖組,但其水量很少。

2 地下水滲流數(shù)值模型的建立與識別校準(zhǔn)

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)地下水滲流連續(xù)性方程,在研究區(qū)非均質(zhì)各項同性含水層建立的地下水非穩(wěn)定流三維數(shù)學(xué)模型為

(1)

h為地下水位(m);h0為含水層初始水位(m);q為單位面積過水?dāng)嗝娴牧髁?m/d);W為源匯項(m/d);Γ1和Γ2分別表示第一類、第二類邊界條件;Ω代表研究區(qū);T為導(dǎo)水系數(shù)(m2/d);K為滲透系數(shù)(m/d);M為承壓含水層厚度(m);H為潛水面高程(m);Z為潛水含水層底板高程(m);μ為重力給水度;μ*為彈性貯水系數(shù)。

2.2 水文地質(zhì)模型概化

(1) 含水層概化 地鐵深度影響范圍內(nèi)的地下水包括上層滯水、潛水與承壓水,局部存在的上層滯水沒有固定的自由面,雖然其在小范圍集中產(chǎn)生的自由面也會產(chǎn)生浮力,但因地鐵車站埋深大,上層滯水并沒有直接作用于建筑基低,所以潛水與承壓水對抗浮起主導(dǎo)作用。根據(jù)水文地質(zhì)條件,可將研究區(qū)含水層概化為2層:第1層為潛水含水層,其主要由粉土、粉細砂、粉質(zhì)黏土組成,厚度在10～25 m之間;第2層為承壓含水層,其由下伏風(fēng)化殘積層組成,兩層之間的隔水層由GMS的confining bed模塊模擬。

(2) 邊界條件概化 根據(jù)合肥市水文地質(zhì)圖,將江淮分水嶺確定為研究區(qū)北界,概化為隔水邊界,東南部邊界為店埠河,概化為變水頭邊界,東北部邊界與地下水流線平行,概化為隔水邊界;南部邊界受巢湖影響,概化為變水頭邊界,西北部邊界與地下水流線平行,概化為隔水邊界;西南部邊界是派河,概化為變水頭邊界,模型第二層側(cè)向邊界概化為定水頭邊界。合肥地區(qū)河流與地下水系統(tǒng)水力聯(lián)系良好,河流可以設(shè)置為變水頭邊界,收集各河水位觀測點數(shù)據(jù),插值得到河流水頭變化值。研究區(qū)內(nèi)有兩座水庫:董鋪水庫與大房郢水庫,因模擬運行期間水庫的水位變化不大而水庫面積較大,水庫邊界設(shè)定為定水頭邊界,董鋪水庫水頭設(shè)置為水庫多年平均水位24.02 m,大房郢水庫水頭設(shè)置為水庫多年平均水位18 m。計算模型邊界條件如圖3所示。

2.3 模型構(gòu)建與網(wǎng)格剖分

研究區(qū)南北長49 064 m,東西寬50 194 m,總面積約為1 645 km2。共收集有229個勘察鉆孔數(shù)據(jù),鉆孔分布如圖4所示,利用GMS中Boreholes模塊構(gòu)建三維模型,如圖5所示。模型的網(wǎng)格大小決定了其水力特征和應(yīng)力變化能力,若網(wǎng)格尺寸過大,可能會遺漏地下水系統(tǒng)的特征,因此將平面上單元網(wǎng)格設(shè)置為500 m×500 m,使用U-Grid進行網(wǎng)格剖分,共剖分網(wǎng)格13 324個,節(jié)點20 625個,在垂直方向上共劃分為2層。三維模型坐標(biāo)為笛卡爾坐標(biāo)系,x軸為正東方向,y軸為正北方向,z軸為豎直向上。

圖3 邊界條件示意圖Fig.3 Schematic diagram of boundary conditions

圖4 研究區(qū)鉆孔分布Fig.4 Borehole distribution of the study area

圖5 三維地層模型Fig.5 3D stratigraphic model

2.4 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

建立模型所需參數(shù)有滲透系數(shù)、給水度和貯水系數(shù),其準(zhǔn)確性直接影響模型的可靠性和可信度。通過查閱大量資料,結(jié)合勘察單位提供的區(qū)域水文地質(zhì)條件和水文地質(zhì)試驗成果,確定了研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū),各層的滲透系數(shù)、給水度、貯水系數(shù)見表1和表2,參數(shù)分區(qū)見圖6。

2.5 初始流場

根據(jù)研究區(qū)長觀井實測水位資料與邊界條件,建立穩(wěn)定流模型計算得出初始流場。對比穩(wěn)定流模型計算與觀測值插值得到的初始流場,得出穩(wěn)定流模型計算結(jié)果更加精確,并且通過穩(wěn)定流計算也驗證了模型邊界條件符合研究區(qū)的實際情況[8],研究區(qū)初始流場如圖7所示。

表1 潛水含水層水文地質(zhì)參數(shù)Table 1 Hydrogeological parameters of phreatic aquifer

表2 承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)Table 2 Hydrogeological parameters of confined aquifer

2.6 源匯項

(1) 潛水蒸發(fā) 影響潛水蒸發(fā)的主要因素是水面蒸發(fā)量、潛水埋深與包氣帶巖性。潛水蒸發(fā)計算公式為

(2)

其中:ε為區(qū)域平均潛水蒸發(fā)量;ε0為區(qū)域平均水面蒸發(fā)量;Δ為區(qū)域平均地下水埋深(m),查詢合肥地下水動態(tài)年報取平均地下水埋深為2.88 m;Δ0為潛水停止蒸發(fā)時的埋深(m),取5 m;n為與包氣帶土壤質(zhì)量和氣候相關(guān)的指標(biāo),一般取2。根據(jù)研究區(qū)平均水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)計算得出研究區(qū)平均潛水蒸發(fā)量,如圖8所示[9]。

圖6 研究區(qū)參數(shù)分區(qū)Fig.6 Parameter partitioning of the study area

圖7 研究區(qū)初始流場Fig.7 Initial flow field of the study area

(2) 降水入滲 通過對合肥市土地利用現(xiàn)狀的分析,收集整理近年的降水資料,根據(jù)地面硬化情況將研究區(qū)劃分為2個區(qū)域,硬化分區(qū)如圖9所示,研究區(qū)多年平均降水量如圖10所示。參考地質(zhì)礦產(chǎn)部1985年批準(zhǔn)的參數(shù)值(取值范圍0.07～0.3),將城鎮(zhèn)硬化區(qū)的降水入滲系數(shù)設(shè)為0.07,非硬化區(qū)的降水入滲系數(shù)設(shè)為0.1,降水入滲量的計算公式為

Q=αP,

(3)

其中:Q為降水入滲量(mm);P為降水量(mm);α為降水入滲系數(shù)。計算得出的降水入滲量將以面狀補給的方式分配到各個區(qū)域,再賦值到每一個應(yīng)力期。

圖8 研究區(qū)平均潛水蒸發(fā)量Fig.8 Average phreatic evaporation in the study area

圖9 硬化分區(qū)Fig.9 Ground hardening partitioning

圖10 研究區(qū)多年平均降水量Fig.10 Average precipitation in the study area for many years

2.7 時間離散

全部模擬擬合時間可以劃分為數(shù)個應(yīng)力期,同一個應(yīng)力期內(nèi)源匯強度不變;一個應(yīng)力期還可以劃分為數(shù)個時間段,其中每個時間段稱為時間步長。根據(jù)地下水位觀測資料,模擬期設(shè)置為2019年4月—2021年3月,以每個自然月為應(yīng)力期,總共2年,每月時間步長為當(dāng)月天數(shù)。

2.8 模型的識別與驗證

模型識別:識別時間段為2019年4月—2020年3月,對比計算值與觀測井實測水位值,利用GMS軟件中的PEST模塊對各參數(shù)進行優(yōu)化。PEST有2種方法:先導(dǎo)點法與參數(shù)區(qū)塊法,使用先導(dǎo)點求滲透系數(shù)最優(yōu)值,通過參數(shù)區(qū)塊法求蒸發(fā)最優(yōu)值。2次調(diào)參使得計算值與觀測值逐漸接近。

模型驗證:驗證時間段為2020年4月—2021年3月,為進一步驗證所建立的數(shù)學(xué)模型和模型識別后水文地質(zhì)參數(shù)的可靠性,在研究區(qū)中選擇了6口具有代表性的觀測井,觀測值與計算值的擬合情況如圖11所示。觀測值越靠近計算值曲線,則誤差越小,說明擬合效果好。模型驗證的結(jié)果顯示校準(zhǔn)后的模型精度高,能夠反映研究區(qū)真實的地下水動態(tài)變化,水文地質(zhì)條件的概化具有代表性,數(shù)學(xué)模型也適合于研究區(qū)。

圖11 研究區(qū)觀測井觀測值與計算值對比Fig.11 Comparison of the observed and calculated values of observation wells in the study area

3 各車站最高地下水位及抗浮設(shè)防水位的確定

3.1 百年一遇降水的確定

以1951—2019年合肥市降水統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),使用水文頻率程序繪制出P-Ⅲ型頻率曲線[10],如圖12所示,得出合肥市百年一遇降水量(P=1%)為1 560.6 mm。隨后選擇一個降水量接近1 560.6 mm的年份作為典型年,用于分配每月的降水量。最終選擇1954年作為典型年,其降水分布如圖13所示。

3.2 抗浮設(shè)防水位的確定

將百年一遇降水?dāng)?shù)據(jù)輸入模型,其余邊界條件保持不變,在此基礎(chǔ)上模型運行一年,研究區(qū)各車站最高地下水位變化如圖14所示。圖14中S1號線四里河路站、固鎮(zhèn)路站、8號線1期中段大部分站點位于丘陵與山前,地形起伏坡降大,大部分降水以徑流排泄,接近四里河、板橋河、大房郢水庫、董鋪水庫等排泄區(qū)的站點地下水位漲幅小,相比歷史最高地下水位抬升0～0.7 m;8號線1期北城車輛段站、北城高鐵站與S1號線新橋機場站、T2航站樓站、空港新城站均位于非硬化區(qū),降水入滲較大導(dǎo)致地下水位漲幅較大,相比歷史最高地下水位抬升1.2～3 m;7號線松林路站～徽富路站、S1號線史河路站～揚子江路站位于十五里河、塘西河二級階地,階地表層主要為極微透水性～弱透水的黏性土層覆蓋,滲透性差,地下水排泄困難,地下水位漲幅大,相比歷史最高地下水位抬升1～5 m;7號線上海路站～巢湖南路站、S1號線中山路站、廣東路站位于十五里河河漫灘及一級階地,地形平緩,孔隙發(fā)育,含水層滲透性好,靠近巢湖地下水排泄條件好,相比歷史最高地下水位抬升1～2 m。

圖12 P-Ⅲ型降水量頻率曲線Fig.12 Frequency curve of P-Ⅲ precipitation

圖13 研究區(qū)1954年降水量Fig.13 Precipitation in 1954 in the study area

圖14 8號線1期、7號線、S1號線各車站百年一遇降水條件下最高地下水位Fig.14 The highest ground water level in the 100-year rainfall condition at each station of Phase 1 of Line 8,Line 7 and Line S1

綜合考慮研究區(qū)歷史地下水位變幅、各車站所在場地的地層情況與數(shù)值模擬的結(jié)果,并結(jié)合《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]進行綜合取值,具體各車站抗浮設(shè)防水位取值分別如表3～表5所列。

表3 8號線1期抗浮設(shè)防水位

4 結(jié)論

(1) 以合肥市軌道交通工程地下車站為研究對象,根據(jù)合肥市的水文地質(zhì)條件,結(jié)合大氣降水、蒸發(fā)、河流條件和合肥市近年的地下水監(jiān)測資料,構(gòu)建地下水三維滲流數(shù)值模型。模型經(jīng)識別驗證后,預(yù)測百年一遇降水量情況下研究區(qū)各地下車站的最高地下水位。預(yù)測結(jié)果顯示,地下水埋深呈現(xiàn)西北高、東南低的特點,與研究區(qū)地形趨勢一致,研究區(qū)北部非硬化區(qū)車站站點水位相比歷史最高水位抬升1.2～3 m,研究區(qū)中部硬化區(qū)車站站點水位相比歷史最高水位抬升0～0.7 m,研究區(qū)南部車站站點水位相比歷史最高水位抬升1～5 m。預(yù)測各車站的最高地下水位經(jīng)修正后可作為各車站的抗浮設(shè)防水位,結(jié)合地下水?dāng)?shù)值模擬與頻率分析法確定的抗浮設(shè)防水位與場地最高水位相比,其結(jié)果更加科學(xué)、安全。

表4 7號線抗浮設(shè)防水位

表5 S1號線抗浮設(shè)防水位

(2) 建立以地下水分水嶺與河流為邊界條件的區(qū)域數(shù)值模型,避免了人工邊界可能對預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生的負(fù)面影響,以鉆孔與地表DEM數(shù)據(jù)聯(lián)合建立的三維模型充分還原了合肥市地層結(jié)構(gòu),并通過人工與PEST程序調(diào)參,得到了高可信度的區(qū)域數(shù)值模型,最后預(yù)測計算得出科學(xué)合理的抗浮設(shè)防水位。通過建立水文地質(zhì)數(shù)值模型加深了對區(qū)域水文地質(zhì)情況的了解,為合肥市地鐵工程車站抗浮設(shè)計提供了技術(shù)支撐。

(3) 因施工方案在勘察階段并未固化,提出的抗浮設(shè)防水位僅為建議值,如果施工原因?qū)е聢龅氐乃牡刭|(zhì)條件發(fā)生了變化,其抗浮設(shè)防水位也應(yīng)做出相應(yīng)的修改。