軌道交通超大基坑區(qū)域抗浮水位動態(tài)分析

劉熙

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

0 引言

巖土項目勘測報告中，通常僅根據(jù)經(jīng)驗給出勘測過程中地下水與地下水位變動區(qū)間，沒有現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，導致提供的抗浮水位不準確。本文通過大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)以及對地形地貌的研究，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，深入探究地下水問題，結(jié)合項目實際情況科學設(shè)定抗浮水位。

1 工程案例及相關(guān)概況

1.1 工程概況

深圳市城市軌道交通某線車輛段位于光明區(qū)塘尾街道片區(qū)，茅洲河西側(cè)，馬角嶺路南側(cè)區(qū)域內(nèi)。地塊南高北低，現(xiàn)狀為工業(yè)廠房及農(nóng)田綠地，場區(qū)最高點為中部小山包頂，最低點為北側(cè)出入段線區(qū)，南北長1300m，東西寬430m，占地約38.5hm2。為實現(xiàn)區(qū)域路口平交、考慮生態(tài)的連續(xù)性，打通用地南側(cè)生態(tài)廊道，以及規(guī)劃部門初步設(shè)計審查意見“宜采取地下建設(shè)，地面覆綠方式”的要求，該車輛段擬采用下沉式方案，軌頂設(shè)計標高10.1m。

1.2 氣象水文

1.2.1 氣象

深圳市是典型的亞熱帶季風氣候，光照充足，降雨較多。天氣與降水量在不同季節(jié)，會出現(xiàn)顯著差異。冬天無低溫，夏季多降水，濕度大，存在冷暖與干濕季差別。體現(xiàn)出顯著的干涼同期、雨熱同季的特征。然而氣溫與降水量年度變動顯著，災(zāi)害性天氣發(fā)生概率高。

1.2.2 水文

該車輛段附近地表水主要為河流及水庫水，河流主要為茅洲河及其支流鵝頸水、大凼水。茅洲河呈樹支狀發(fā)育，彎曲較多，加上流域內(nèi)植被遭到毀壞，之前的草地被多種構(gòu)筑物和馬路取代，具有洪水水位快速上漲、快速下滑的特征。與軌道交通線路相交的水庫有紅坳水庫、橫坑水庫、桂坑水庫、牛牯頭水庫、鵝頸水庫、碧眼水庫。

1.3 地形地貌

深圳市從整體上呈現(xiàn)為東南高、西北低的地勢特點，大多數(shù)是低山丘陵區(qū)，僅有很少的臺地，西部是平原地貌。梧桐山為高度最高的山，海拔達到943.7m。車輛段所處場地主要為沖積平原區(qū)及低臺地地貌，地形平坦，局部略有起伏，地面高程13.87～39.68m。場區(qū)最高點為中部小山丘頂，山頂最大高程39.68m，山丘面積約3.7 萬m2，最低點為北側(cè)出入段線區(qū)。

1.4 地層巖性

本車輛段主要揭露地層為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml），其下為第四系沖洪積層（Q4al+pl）的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、泥炭質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉細砂、中粗砂及礫砂層，基巖上部多為第四系殘積層（Qel）、坡積層（Q4dl）所覆蓋，下伏基巖為加里東期（ηγO1）片麻狀黑云母花崗巖。

2 區(qū)域地下水水位動態(tài)分析

2.1 地下水動態(tài)影響因素

在與環(huán)境相互作用下，地下水含水層水量、鹽量、熱量、能量收支不平衡必然導致含水層各要素隨時間的變化，即地下水動態(tài)的變化。綜合分析影響地下水系統(tǒng)的動態(tài)因素，可以將其分為兩大類，一類是自然因素，一類是人為因素。自然因素主要包括氣象、水文、地應(yīng)力以及賦存地下水的地質(zhì)地形條件等；人為因素主要包括人工開采或補給地下水。

（1）補給因素。從地下水獲取補給的角度，動態(tài)影響因素包括大氣降水和側(cè)向補給等。大氣降水對地下水補給是顯而易見的，尤其是對淺層地下水的補給。降雨量的多寡、降雨的方式、降雨的時長，此外地面植被生長狀況、地面坡度大小等都會在一定程度上作用于地下水補給[1]。

（2）排泄因素。從地下水排泄的角度，動態(tài)影響因素主要包括人工開采、蒸發(fā)等。深圳市地下水主要是作為戰(zhàn)略儲備水源，近年來，人工開采量非常有限。蒸發(fā)是地下水排泄的主要方式，特別是對于水位埋藏較淺的漸層地下水地區(qū)。蒸發(fā)影響地下水不僅僅表現(xiàn)在蒸發(fā)強度的大小上，更重要的是與包氣帶的厚度、包氣帶的巖性有著更為緊密的關(guān)系，包氣帶厚度大、水位埋藏深的地區(qū)，地下水不易以蒸發(fā)的方式進行排泄，包氣帶方面的影響將在徑流與儲藏因素中加以闡述。

（3）徑流與儲藏因素。從地下水徑流的角度，動態(tài)影響因素包括含水層性質(zhì)、包氣帶性質(zhì)、地形地貌等，含水層性質(zhì)包括含水層的巖性、滲透性、弱透水層的巖性、連續(xù)性等方面。含水層性質(zhì)雖然不如大氣降水、人工開采等因素對地下水產(chǎn)生的影響明顯，但也是影響地下水動態(tài)的特征的一個重要方面。包氣帶是大氣降水潛水蒸發(fā)的主要通道、因此包氣帶性質(zhì)間接影響地下水動態(tài)特征，盡管包氣帶對地下水動態(tài)影響因素的影響是間接的，但其影響力度有時會遠遠大于某些直接因素。

（4）局部動態(tài)影響因素。從對局部地下水動態(tài)產(chǎn)生影響的角度，局部動態(tài)影響因素包括河流、湖泊、水庫等地表水體、溝渠等引水通道，另外還有地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況、地震、海嘯等，亦會對局部地下水動態(tài)產(chǎn)生很大影響。

2.2 區(qū)域地下水水位變化特征

場地附近設(shè)有目前有3 口監(jiān)測井，第一口監(jiān)測井是JC-047、第二口監(jiān)測井是JC-087、第三口監(jiān)測井是JC-086。

JC-047 地下水類別是第4 系孔隙潛水，水位最高位置達到7.22m，產(chǎn)生時間是2020 年9 月24 日，水位最低位置是5.10m，出現(xiàn)日期為2020 年5 月6 日。依據(jù)地下水溫度和空氣溫度對照圖，地下水溫度變化區(qū)間是24.88～25.98℃，氣溫變動區(qū)間是8.7～32.3℃，地下水溫度變動不顯著，證明地下水處于較深位置，受氣溫的干擾十分有限。

JC-047 監(jiān)測井最近5 年地下水位變化不大，5 年年平均水位高程在5.41～6.18m。豐水期平均水位高程在5.47～6.41m，枯水期平均水位高程在5.37～5.86m，其中2019 年豐枯水期水位差值較大，為0.55m，其他年份豐枯水期水位高程差值為0.10～0.21m。水位高程主要波動范圍為5.0～7.0m。JC-047 地下水水位動態(tài)曲線如圖1 所示。

圖1 JC-047 地下水水位動態(tài)曲線

JC-086 地下水類別是第4 系孔隙潛水，歷史上水位達到最高位是3.73m，產(chǎn)生時間是2020 年6 月1 日，水位最低位置是3.2m，出現(xiàn)日期為2020 年3 月6 日。依據(jù)地下水溫度和大氣溫度對照圖可知，地下水溫度通常在24.5～29.8℃變化，氣溫通常在8.7～32.1℃變化，地下水溫度和大氣溫度變動形態(tài)相同，證明地下水深度不深，地下水溫度在很大程度上受氣溫作用[2]。

JC-086 監(jiān)測井近5 年地下水位變化不大，5 年年平均水位高程在3.09～3.39m。豐水期平均水位高程在3.12～3.51m，枯水期平均水位高程在3.12～3.30m，豐枯水期水位高程差值為-0.12～0.20m。水位高程波動主要范圍為2.5～3.6m。JC-086 地下水水位動態(tài)曲線如圖2所示。

圖2 JC-086 地下水水位動態(tài)曲線

JC-087 地下水類別是第4 系孔隙潛水，水位最高值是7.19m，產(chǎn)生時間是2020 年9 月16 日，水位最低值是6.20m，出現(xiàn)日期為2020 年2 月26 日。依據(jù)地下水溫度和大氣溫度對照圖可知，地下水溫度通常在21.90～27.20℃變化，氣溫通常在9.1～32.1℃變化，地下水溫度和大氣溫度變動形態(tài)相同，證明地下水深度不深，地下水溫度在很大程度上受氣溫作用[3]。

JC-087 監(jiān)測井近5 年地下水位變化不大，5 年年平均水位高程在6.57～6.95m。豐水期與枯水期水位分別在6.55～7.07m、6.51～6.78m 波動，豐枯水期水位高程差值為-0.04～0.31m。水位高程波動主要范圍為6.0～7.5m。JC-087 地下水水位動態(tài)曲線如圖3 所示。

圖3 JC-087 地下水水位動態(tài)曲線

由上可知，深圳市茅洲河流域地下水類型是第4 系孔隙潛水與基巖裂縫水，為此地下水深度有很大差別，山區(qū)地下水深度較深，大多依托空氣降水補給，排泄一般是側(cè)向徑流與受熱蒸發(fā)，每年6—9 月通常水位較高，每年2—5 月通常水位較低。第4 系孔隙潛水地下水位通常在0.53～2.49m 變化，地下水溫度變動大多和空氣溫度變動相同；深層基層裂隙水通常深度很深，地下水位根據(jù)降雨量的變化而變化，溫度變動不顯著[4]。茅洲河流域地下水系統(tǒng)近6 年平均地下水位變化不大，未出現(xiàn)持續(xù)上升和下降的趨勢，監(jiān)測點多年平均水位變化范圍在-0.32～0.86m。根據(jù)區(qū)域近6 年來地下水位觀測資料，12 月份地下水位與多年最高水位之差為0.16～1.43m。

通過對比車輛段和3 個長期觀測孔所屬的地形地貌類型、地層巖性、地下水類型和補徑排關(guān)系等，發(fā)現(xiàn)車輛段與3 個長期觀測孔的地質(zhì)條件等具有較好的相似性，3 個長期觀測孔地下水位動態(tài)變化規(guī)律可以反映車輛段場地的地下水位動態(tài)規(guī)律[5]。

2.3 區(qū)域抗浮水位確定

通過運行模擬區(qū)地下水預測模型，在百年一遇降雨條件下，模擬區(qū)降水量在7—8 月月降雨量達到歷史最高值，地下水位普遍達到最高值，地下水位最高值時滲流場分布云圖如圖4 所示。

圖4 滲流場分布云圖

通過地下水滲流場模擬圖，結(jié)合場地地形地貌、地下水補給與排泄條件以及車輛段周邊規(guī)劃場坪高程，以及附近3 個長期觀測孔反映的地下水動態(tài)變化規(guī)律，周邊推算出的內(nèi)澇水位等參數(shù)，即可推算出各地塊抗浮設(shè)防水位?？垢≡O(shè)防水位如表1 所示。

3 結(jié)語

綜上所述，抗浮設(shè)防水位的取值至今尚未獲得較為統(tǒng)一的認識。地下水位的長期動態(tài)變化規(guī)律，是一個受氣象、水文、地質(zhì)、城市規(guī)劃、城市用水政策及遠景規(guī)劃等因素綜合影響的隨機現(xiàn)象，試圖對其遠期動態(tài)變化規(guī)律進行預測，尚存在很多困難，然而地下水位的動態(tài)變化直接影響地下結(jié)構(gòu)上的浮力大小，建立一種相對合理的地下水位預測模型具有重要的現(xiàn)實意義。將水文地質(zhì)學、地下水動力學、理論土力學、非飽和土力學相結(jié)合，采用模型試驗、現(xiàn)場測試與數(shù)值分析相結(jié)合的手段，對建設(shè)場地進行滲流分析，對于合理確定軌道交通地下結(jié)構(gòu)設(shè)防水位以及計算底板浮力大小具有重要意義。