建筑物场区地下水位预测与抗浮水位确定——以青岛啤酒城改造为例

安振东， 刘贯群1，❋， 张 焘， 王 婷， 徐 栋， 周书玉

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)



建筑物场区地下水位预测与抗浮水位确定
——以青岛啤酒城改造为例

安振东2， 刘贯群1，2❋， 张 焘2， 王 婷2， 徐 栋2， 周书玉2

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

通过收集研究区自然地理、气象水文资料，掌握了该区降水、蒸发等规律；通过实地地质、水文地质调查，查清了研究场区的地层结构、含水层类型等水文地质条件。在抽水试验和长期水位观测的基础上，利用数值模拟软件Visual modflow建立了研究场区的三维地下水水流数值模拟模型。根据2011—2012年研究场区地下水位观测数据对模型进行拟合和验证，说明所建立的模型可以用来预报；根据实际施工要求，对-7.8、-2.9和3m处基础进行丰水年丰水期和多年平均降水时丰水期的地下水位进行预报，预报结果在基底标高3m区域内，合理的抗浮水位范围为6～8m；基底标高-2.9m区域内，合理的抗浮水位为5～7.5m；基底标高-7.8m区域，合理的抗浮水位为3～5.5m。预报结果为设计合理的建筑物抗浮水位提供了科学依据。

地下水位； Visual MODFLOW； 数值模拟； 抗浮水位； 建筑物场区

随着城市建设的发展及人口增多，人们对地下空间的利用逐渐增加，地下工程的应用日渐广泛，例如地下停车场，地下轨道交通等，在建设中需要开挖很深的基坑，基础埋置在较深的地层中[1]。在地下水位较高的地区，地下水会对建设在地下的结构物产生向上的浮力。若向上的水浮力大于结构物向下的重力时，结构物的底板可能会发生开裂或者向上拱起的现象。当水浮力相当大时甚至整个结构物都会向上浮起，产生一定的位移，最终结构物不能够正常使用[2]。近年来很多地区都发生过类似工程的事故，而且此类现象出现的次数日趋增多，所以在地下工程的建设中，需要对建筑物进行抗浮设计。地下建筑结构的抗浮设计中采取什么样的抗浮措施，比如确定抗拔桩和抗浮锚杆数量及配重量，关系到抗浮水位的确定[3]。如若抗浮水位设计不当，往往造成投资上的浪费和工期不必要的增加，甚至会危害建筑物的结构安全[4]。如何合理地确定设计抗浮水位成为建筑物抗浮设计的一个关键点。目前抗浮水位的设计大多数根据勘察期水位结合周边工程的经验确立，并不能预测未来极端地下水位变化，给施工过程和建筑物使用带来安全隐患[5]。因此，通过数值模拟手段，使用计算机软件建立施工场区地下水水流数值模拟，通过模型预报施工场区地下水位变化，为设计合理的抗浮水位及抗浮设计提供科学依据十分有意义。 基于此，本文在青岛啤酒城改造场区实际勘察的基础上，通过Visual MODFLOW软件，建立了场区的地下水水流数值模拟模型，拟合验证后通过该软件预测了3种不同深度基础下的地下水位变化，为抗浮设计提供科学依据。

1 研究区环境概况

1.1 自然地理及气象水文概况

1.1.1 地理位置 研究区位于青岛市崂山区，地理坐标为36.0940°N～36.1004°N，120.4598°E～120.469°E，海拔高程3～30m，研究区面积约为4200m2，为苗岭路、深圳路、香港东路和海尔路所包含的区域。

1.1.2 气温 据青岛市多年统计的气象资料，年平均气温12℃，最低气温-21.1℃(1981年12月27日)，最高气温38.2℃(2002年7月15日)。全年7月份最热，平均气温25.3℃；1月份最冷，平均气温-3.3℃[6]。

1.1.3 降水 据青岛市观象山站1955—2001年统计，多年年平均降水量为724mm，降水量年内分布极不均匀。多年平均6～9月降水量占全年降水量的70%以上，旱汛两期降水量差距显著。该区域降水量年际分配也不均，最小年降水量为338.9mm(1981年)，最大年降水量为1407mm(1964年)，最大年降水量可达到最小年降水量的4.0倍多，丰水年(1970年)和多年平均降水量见表1。青岛各年年降水量见图1。多年降水量年内分布见图2。

图1 青岛市崂山水库站历年降水量柱状图Fig.1 Laoshan Reservoir Annual precipitation histogram

图2 崂山水库站多年降水量年内分布Fig.2 Laoshan Reservoir precipitation distribution in the year

1.1.4 蒸发 蒸发数据使用崂山水库水文站的长期观测资料(1976—2010)。蒸发量的年内变化较大，3～7月份占全年蒸发量的50%，蒸发量最大发生在5月份；冬季蒸发量小，11日～次年2月占年蒸发量的15%。水面蒸发量700～1100mm。历年蒸发量分布图见图3。

图3 崂山水库(1976—2010)历年蒸发量分布图

1.2 地质、水文地质条件

1.2.1 地层与含水层划分及地下水贮存条件 研究区地层分为6层，第一层为填土，松散，灰黄色，以回填土为主。第二层细砂，灰褐色，长英质，分选性好。第三层淤泥质粉质黏土，含淤泥质，灰褐色，可塑，以粉质黏土为主。第四层中粗砂，黄褐色，饱和长英质，分选性较差。第五层为强风化花岗岩，紫黄色，颗粒结构或块状结构，风化强烈。第六层为基岩微风化带，岩性为花岗岩。

表1 丰水年(1970年)和多年平均降水量Table 1 The precipitation of wet year (1970) and the mean precipitation of years

地下水主要赋存于第四系冲积层下部，主要含水层为第二层细砂、第四层中粗砂以及第五层强风化花岗岩。1.2.2 地下水补给、径流和排泄 大气降水入渗补给是研究区内的主要补给来源，另外还有北部和西南部侧向地下径流补给。地下水排泄主要有径流排泄和蒸发排泄，地下水径流主要是向下游南部径流排泄，在地下水位埋藏较浅的部位还存在蒸发排泄。区内无河流发育，60%以上为硬化道路及建筑物覆盖，降水多转化地表径流汇集到市政管网内，仅少量降水入渗至含水层转化为地下水。

2 研究区地下水流数值模型

2.1 模型概化

2.1.1 水文地质概念模型 研究区地下水主要分布在细砂、中粗砂和强风化花岗岩中，上部填土、淤泥质粉质黏土和黏土为弱透水层，地下水赋存于含水层的孔隙或风化裂隙中，其运动规律遵循达西定律，因此该区地下水可概化为三维地下水流。

2.1.2 边界概化 侧向边界：场区西北部地形较高，主要分布强风化的花岗岩，基岩裂隙水通过该处流入研究区内，因此将西北部边界概化为侧向补给边界。场区北部地形较高，分布有第四系的细砂和中粗砂以及强风化花岗岩，边界也概化为侧向补给边界。场区东北部由于存在分水岭概化为为零通量边界。场区南部地下水位较低，径流排泄场区的地下水，概化为侧向排泄边界。

垂向边界：该区上部受大气降水和蒸发的影响，为补给和蒸发排泄边界，下部为微风化或基岩，属不透水边界，概化为隔水边界。

2.1.3 地下水运动数学模型 水文地质概念模型概化为如下数学模型：

H(x,y,z,0)=H0(x,y,z),(x,y,z)∈Ω;t=0,

式中：Ω为地下水计算区域；H(x,y,z,t)为区内任一点水头标高，m；H0(x,y,z)为初始水位，m；K为渗透系数；B为含水层底板标高，m；W为源汇项；μs为贮水率或给水度；q为侧向补给或排泄量；Γ2-1二类边界，侧向补给或排泄边界；Γ2-2为二类边界，隔水边界。

2.2 研究区数值模型的建立

2.2.1 网格剖分与时段划分 根据研究区所在位置，为方便模型中网格剖分，模型坐标系用海尔路方向为南北向。研究区渗流总面积4200m2，但为了研究研究区的径流，将其外延，每个单元格长度和宽度均为50m，共剖分24列30行，共剖分为720个正方形单元格，其中有效活动单元格675个，非活动单元45个，剖分5个计算层。水平单元剖分见图4。

图4 研究区平面网格剖分及观测井分布图Fig.4 Study area plane meshing and observation well distribution

为了充分利用现有观测资料，模型的拟合期定位2011年7月1日～2012年1月30日。模型验证期定位2012年2月1日～6月30日，以月为时间段。

2.2.2 水文地质参数初值的确定 建立模型所用水文地质参数是否真实可靠关系到所建模型的准确度与可行性，是进行准确科学计算地下水变化的基础[7]。本次研究所需水文地质参数有蒸发强度(E)，降雨入渗系数(α)，潜水极限蒸发深度(d)，孔隙度(n)，给水度(μ)和渗透系数(K)。

(1)确定降雨入渗系数α。降水入渗补给系数的概念是降雨入渗量补给地下水的水量与降雨量比值。不同的地形与地貌、地表覆盖物、地下水所处埋深、地表岩性、降水量大小等都会对降水入渗补给系数产生影响[8]。基于地表岩性分布情况，通过对场区地下水动态资料的分析与计算，参考黄淮海区域水文地质标准参数，得到场区降水入渗系数见表2。

表2 大气降水入渗系数表Table 2 The precipitation infiltration coefficient table

(2)渗透系数K与给水度μs的确定。渗透系数K与给水度μ的确定根据文地质参数参考工程地质手册(第四版)和现场抽水试验确定参数如表3。

表3 场区各层水文地质参数一览表

(3)源汇项的处理。 地下水侧向径流量根据达西定律计算如下：

式中：I为计算断面处的水力坡度；K为计算断面上的渗透系数，m/d；B为对应断面的长度，m；h为含水层的平均厚度，m。计算结果见表4。

表4 侧向径流计算表Table 4 Lateral runoff calculation table

降雨入渗补给量观测时间内只有4个月有有效降水，经拟合降雨量为56.5mm。潜水蒸强度的影响因素有包气带岩性、潜水位埋深、地表植被和气候。该区潜水极限蒸发深度1.9m，根据阿维杨诺夫公式计算：

一般轻质地土壤或植物吸水深度大蒸发旺盛时，n取小值；土质重或有粘土夹层时，n较大。

2.3 模型的识别与验证

2.3.1 模型的识别 以2011年7月1日～2012年1月30日观测资料为基础，给出研究区地下水位的初始值。以月为计算时段，将计算值与观测值比较，拟合曲线见图5。在拟合阶段最大剩余误差点为C5观测孔，其大小为0.803m；最小剩余误差点为S4观测孔，其值大小为-0.188m；剩余误差平均值为0.043，误差在合理范围内，拟合误差图见图6。总之，大部分地下水位的计算值和观测值总体趋势一致，拟合程度较高，拟合效果满意。

图5 研究区观测井拟合过程线Fig.5 Observation well fitting process of line

图6 识别阶段拟合误差图Fig.6 The recognition phase fitting error graph

2.3.2 模型的验证 选择时间2012年2月1日～2012年6月30日为模型的校正期，以月为计算时段，各观测孔的计算水位与实际观测水位变化趋势一致，误差较小，模型校正阶段观测井水位验证结果见图7。这表明水文地质概念模型的概化与选取的水文地质参数是合理的，所建立的数学模型也能够真实反映出该地下水系统特征。总之，模型模拟结果令人满意，模拟结果说明参数的选择是合理的，源汇项合适，可以用所建模型进行地下水位的预报。

图7 校正阶段观测井水位验证结果图Fig.7 The correction phase observation wells results graph

3 地下水位的预测

3.1 地下水位预测方案

根据实际施工要求，在啤酒城外围加防渗帷幕，防渗帷幕从地面打至基岩面，帷幕在模型中的通过添加密网格线实现。预报的3种方案高程分别为在-7.8、-2.9和3m处设置基础，基础厚1m，基础的设置如图8所示。对3种不同高程的基础进行丰水年及多年平均降水量丰水期的地下水位进行预报。

图8 -7.8、-2.9和3m基础剖面Fig.8 -7.8、-2.9和3m foundation profile

3.2 地下水位预报

3.2.1 -7.8m基础的地下水位预报

(1)丰水年地下水位预报结果。-7.8m基础主要位于强风化花岗岩上，因此强风化花岗岩的水位就是-7.8m基础的水位，其丰水年丰水期的水位见图9。地下水位在3～8.0m之间，S1处地下水位为9.0m，C2处地下水位小于7.0m。

图9 -7.8m基础丰水年丰水期等水位线图Fig.9 -7.8m foundation wet year high water period water table contour

图10 -7.8m基础多年平均降水量时丰水期等水位线图Fig.10 -7.8m foundation mean annual precipitation high water period water table contour

(2)多年平均降水量时丰水期地下水位预报结果。按照多年平均降水量预报的丰水期的地下水水位见图10。场区地下水位在3～7.6m之间，S1处地下水位为8.5m，C2处地下水位小于7.0m。比较图9和图10可知，丰水年和多年丰水期平均水位相差不大，只是在场区北部边界处，丰水年地下水位略高，其它部位地下水位相差不大，其原因主要是在丰水年，降水集中，主要以暴雨形式，场区地形变化较大，降水以径流方式形成地表径流，进入地下水的数量并没有显著增高，丰水年丰水期的地下水位埋深较浅。

3.2.2 -2.9m基础的地下水位预报

(1)丰水年地下水位预报结果。-2.9m基础主要位于粗砂和粉质黏土层上，因此粗砂层的水位就是-2.9m基础的水位，其丰水年丰水期场区地下水位在3～7.0m之间，S1处地下水位为9.0m，C2处地下水位小于7.0m。

(2)多年平均降水量时丰水期地下水位预报结果。按照多年平均降水量时丰水期进行预报，场区地下水位在3～7.0m之间，S1处地下水位为8.5m，C2处地下水位小于7.0m。

3.2.3 3.0m基础的地下水位预报

(1)丰水年地下水位预报结果。3.0m基础主要位于细砂和填土层上，因此细砂层的水位就是3.0m基础的水位，其丰水年丰水期场区地下水位在3～7.0m之间，S1处地下水位为8.5m，C2处地下水位小于7.0m。

(2)多年平均降水量时丰水期地下水位预报结果。按照多年平均降水量时丰水期进行预报，场区地下水位在3～7.0m之间，S1处地下水位为8.5m，C2处地下水位小于7.0m。丰水年和多年平均降雨量丰水期水位相差不大，由于基础位置较高，下游所受影响较小。

4 结论

由于城市用地紧张等原因，开发利用地下空间成为一种趋势。本文通过数值模拟软件对施工场区地下水位进行预报，主要工作和成果如下：

(1)根据实际的勘探资料，建立起了研究区的水文地质模型，即由细砂、粗砂和强风化花岗岩组成的含水系统，地下水主要由降水入渗补给，径流和蒸发为主，三层地下水具有统一的地下水位，其水力联系密切。

(2)模型通过拟合和验证，拟合误差较小，反映了该区地下水运动的规律，可以用来预测地下水位。

(3)根据模型预测的地下水位变化范围可知，在基底标高3m区域内合理的抗浮水位范围为6～8m，基底标高-2.9m区域内合理的抗浮水位为5～7.5m，基底标高-7.8m区域合理的抗浮水位为3～5.5m。

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责任编辑 庞 旻

The Prediction of Groundwater Level About Building Area and Determination of Anti-Floating Water Level：Taking the Transformation of Qingdao Beer City for Example

AN Zhen-Dong2, LIU Guan-Qun1,2, ZHANG Tao2, WANG Ting2, XU Dong2, ZHOU Shu-Yu2

(1.The Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology， Ocean University of China， Qingdao 266100, China； 2. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China， Qingdao 266100, China)

By collecting the study area physical geography ,meteorology and hydrology information, survey the study area hydrology and geology conditions, groundwater level changes oberserved by monitoring hole, pumping tests to get its hydrogeological parameters, building their site hydrogeological model, in the use of numerical simulation software Visual modflow to establish research area numerical simulation of groundwater flow model. According to 2011 to 2012 research field groundwater monitoring data on model for intends collection and validation, determines by established of model real available, according to actual construction requires, respectively on -7.8m, and -2.9m and 3m based in wet water years wet water period and average precipitation wet water period of groundwater changes forecast, according to forecast results for design reasonable of buildings anti-floating water level have significantly meanings. In the 3m area of basement elevation within a reasonable range of anti-float level 6～8m, -2.9m basement elevation area within a reasonable amount of anti-float level for the 5～7.5m, the base elevation of -7.8m reasonable anti-floating water level for 3～5.5m

Underground water level; Visual MODFLOW; simulation and prediction; anti-floating water level; building field

2014-05-14;

2014-06-30

安振东(1989-)，男，硕士生。 E-mail:568682713@qq.com

* 通讯作者： E-mail:lguanqun@ouc.edu.cn

X143

A

1672-5174(2015)04-103-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20140169