GMS软件技术在某市地下轨道交通工程抗浮设防水位确定中的应用

刘 军

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)



GMS软件技术在某市地下轨道交通工程抗浮设防水位确定中的应用

刘 军

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

抗浮设防水位即建筑物运营期间的最高水位，我国相关规范中将历时实测最高水位或工程勘察期间的最高稳定水位定义为建筑物的抗浮设防水位。在地下轨道交通工程领域，按规范确定抗浮设防水位准确度不高，现阶段，国际上普遍采用由美国开发的最先进的综合性地下水模拟软件GMS进行抗浮设防水位确定，该软件具有较好的使用界面、强大的前后处理功能及三维可视效果。本次研究采用GMS软件技术对某市地下水位进行数值模拟，预测极端条件下地下水水位变化，最终确定抗浮设防水位，从而为工程设计提供科学依据。

GMS；地下轨道交通；抗浮设防水位；数值模型

抗浮设防水位指地下水层在建筑物运营期间的最高水位，国家规范《高层建筑岩土工程勘察规程》[1]提出将历时实测最高水位或工程勘察期间的最高稳定水位作为建筑物的抗浮设防水位，但抗浮设防水位不能仅仅以以往实测水位作为其设计值，而需要考虑未来即工程运营期间可能发生的极端条件对地下水位产生的影响来确定。

GMS软件是由美国开发的综合性地下水模拟软件。是目前国际上最先进的综合性地下水模拟软件包,它具有多模块组成的可视化三维地下水模拟软件包,可进行地下水流模拟[2]、溶质运移模拟[3]、热量运移模拟[4]、海水入侵模拟[5]等。GMS软件以其较好的使用界面,强大的前处理、后处理功能及其优良的三维可视效果正得到人们愈加广泛的应用。本次数值模拟是利用GMS中的MODFLOW模块及其地层数据插值建立空间立体模型对某市地下水位进行模拟。在识别后的模型中输入预测激发条件，最终确定工程抗浮设防水位。

1 研究区概况

1.1 基本情况

研究区地处某河谷及其下游冲洪积平原区，地形起伏较大，南东高北西低。由于区内除北部以外区域均为低山丘陵区，北部为开阔的平原区，致使其呈现“簸箕状”特殊地形。地下轨道交通工程基本呈线型由南东至北西贯穿河谷区后到达平原区。

1.2 水文地质概况

区内地下水类型主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水。第四系孔隙水在区内南部沿河呈线状分布，至北部冲洪积平原区开始发散。其含水层岩性为松散砂、卵砾石。碎屑岩类裂隙孔隙水主要分布于西部和东部山区，赋存于新生界古近系-新近系至中生界白垩系、侏罗系及三叠系，含水层岩性多为细砂岩、砂砾岩及泥岩。基岩裂隙水分布在研究区东南部，赋存于古生界二叠系，含水层岩性多为砂岩、泥岩和凝灰岩。

2 地下水数值模型

2.1 水文地质概念模型

本次模型的概化根据区内的钻孔资料、地下水流场等资料为依据。对水文地质条件的概化所包含的内容有：模拟区范围确定、含水层结构概化、水力特征概化、边界条件概化和参数分区等。

本次研究以区内河谷区及部分北部平原区做为地下水流模拟计算区，模型有效计算面积154.92 km2。

根据钻孔资料以及水文地质条件的分析，把区内含水层概化成为两层：第一层为第四系松散岩类孔隙潜水含水层以及基岩风化层，含水层岩性主要为砾石以及风化基岩，其富水性较好，渗透系数较大；第二层为为砂岩，其富水性较差，渗透系数较小。

依据地质、水文地质条件，将河谷的东部和西部外围基岩山区作为地下水流模拟的东、西边界。除来自东西部山区的侧向径流补给概化为二类流量边界，其余地段均概化为二类零流量边界。在垂向上模型的上边界为潜水水面，接受降水入渗、绿化灌溉入渗、北部农业灌溉入渗以及水库入渗和渠系入渗补给，以潜水蒸发等形式排泄。

根据进行的地下水位调查统测数据，对计算区的每一个单元给定初始水位值，根据抽水试验数据确定渗透系数(K)和给水度(μ)等水文地质参数将研究区划分为16个参数分区。

2.2 数学模型

区内含水层在垂向上分为第四系松散岩类孔隙含水层和基岩分化层，孔隙、裂隙连续分布，地下水流动状态为层流，符合达西定律。对应的数学模型选用非均质各向异性三维非稳定流数值模型。

对数值模拟区在平面上采用等间距矩形网格在地下水模型中进行自动剖分，剖分间距为200 m×200 m。垂向上分2层，模型计算区单元总数19 200个，其中有效单元数为7 746个。

本次模拟以2013年11月作为初始时刻，根据地下水位的动态观测频率，时间步长以月为单位，进行分时段模拟。模拟中为保证计算结果的收敛性，采用交替方向隐式差分格式，利用超松弛迭代法(SSOR)求解差分方程。

将区内东、南、西方向的侧向径流量作为边界流入量，在边界上进行赋值；降水入渗补给量概化为单位面状补给量，全区赋值；绿化灌溉入渗补给量根据绿化灌溉范围，将其概化为单位面状补给量，除北部灌溉区的其余区域全部赋值；渠系入渗补给量概化为单位面状补给量，沿渠道线赋值；北部平原灌溉入渗补给量根据农业灌溉的范围，将其概化为单位面状补给量，仅对灌溉区赋值；水库入渗补给量按全年平均入渗，概化为单位面状补给量，按照水库范围赋值。以上补给量均采用补给模块进行模拟，潜水蒸发量根据多年平均蒸发量，采用蒸发模块进行模拟。

2.3 模型的识别与检验

将2013年11月实测的水位流场作为识别的初始流场；将1964年10月至2013年9月区内逐月的地下水位动态数据作为率定含水层参数的依据；将水均衡计算结果作为模型识别的输入，以典型钻孔水位作为模型识别的标准。

模型首先按稳定流运行，消除了时间的影响。通过初始流场的拟合，在调整参数的同时可以判断边界处理的合理性，经调试计算，得到初始流场。

根据模型的识别结果，虽模型计算水位值与多年实测水位月平均值年内变化趋势有所差异，但水位偏差一般小于1.5 m，符合模型精度要求，认为模型可用。

表1 轨道交通工程各站点水位变化情况表 m

注：站点编号为由南向北依次增大

表2 轨道交通工程各站点抗浮设防水位一览表 m

注：站点编号为由南向北依次增大

3 抗浮设防水位确定

3.1 预测方案

抗浮设防水位的确定受多种因素影响，其主要影响因素有气象水文及人为因素。根据对各类影响因素的分析，确定本次采用降水量对水位影响进行预测，为保证工程安全，在预测最高水位年，增加百年一遇降水条件对地下水位的影响。即增加降雨入渗量、渠系入渗量、侧向补给量。

3.2 预测结果分析

由计算结果可知沿线各站点预测期内水位呈上升趋势，其中南段各站点(1#-15#)水位上升最大值1.19 m，最小值0.01 m；北段各站点(15#-23#)水位上升最大值1.18 m，最小值0.07 m。见表1。

3.3 抗浮设防水位的确定

依据区内现状年水位观测资料、水位年变幅和三维流数值计算的预测水位变幅值等，结合工程重要性，以现状年平均水位为基础，增加水位年变幅及预测条件下水位变幅确定抗浮设防水位(见表2)。

4 结语

(1)抗浮设防水位应该是一个预测值，而非测量值。结合GMS软件对未来可能发生的极端条件下的地下水位进行模拟后确定的抗浮设防水位，从工程安全角度来讲，较实测最高水位显然是更安全、更科学的。

(2)通过概化所建立的数值模型虽整体上可以反映区内水文地质条件，但局部可能与实际不符，如地下工程建成后形成的阻水体对地下水流向、水位均会产生影响，对于该类区域应进行专项勘察并重新计算。

[1]中华人民共和国建设部.JGJ72-2004,高层岩土工程勘察规范[S].中国建筑工业出版社.北京：2004.

[2]梁秀娟,林学钰,苏小四,等.GMS与苏锡常地区地下水流模拟[J].人民长江.2005,36(11):26-28+36.

[3]谭文清,孙春,胡婧敏,等.GMS在地下水污染质运移数值模拟预测中的应用[J].东北水利水电.2008,26(5):54-59.

[4]何朋朋. 含水层水热运移试验研究[D].中国地质大学(北京).2011.

[5]吴吉春,薛禹群,谢春红,等.描述海水入侵含水层中交换阳离子运移行为的数学模型[J].科学通报.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

刘军(1990-)，男，新疆昌吉人，助理工程师，主要从事水资源调查研究工作。

P641.72

B

1004-1184(2017)03-0022-02