三维数值方法在降水设计中的应用

代小强

中国五冶集团有限公司 四川成都 610063

1 工程概况

柳州保利国际中心位于广西柳州市白沙路2号大江郡建设用地E地块，东临滨江东路，西临白沙路，南临壶东大桥匝道，北靠大江郡建设用地CD地块。本项目由一栋综合塔楼、一栋集中商业裙楼及四栋小型商业建筑组成，业态包含商业、电影院、写字楼和星级酒店等[1]。综合塔楼地上54层，高249.9m，地下3层，最大深度20.8m。本工程位于喀斯特地貌地区，地下不仅含有溶洞、溶蚀裂隙、土洞等，还有一层承压性潜水层，水量丰富，主要由柳江河侧向补给，该层地下水测量稳定水位位于塔楼基坑底板以上。同时，受地下丰富承压潜水及长期雨水影响，塔楼基坑土钉墙支护已垮塌失效。上述现状表明，早期降水设计方案并未达到预期效果，其设计的降水措施未能将地下水降到安全线以下，降水设计结果有误。因此，为确保工程施工质量与安全，必须对排水进行重新计算模拟，根据正确的分析结果，重新制定降水方案。

2 施工重点与难点

本工程场地勘察范围内岩土种类多，各岩层渗透性差异较大，场地内不仅育有溶洞、溶蚀裂隙等，还伴有一层丰富的承压性潜水层。目前国内采用的常规的降水设计方法属于二维数值模拟计算，这种计算方法对单层地质渗流可以进行较好的分析，但无法应对复杂的水文地质条件。本工程前期根据二维数值模拟计算而来降水措施，其降水效果与预期偏差较大，也正好验证了这一点。

3 应对技术路线

通过运用三维数值模拟降水设计方法，对本工程排水进行精确的地质模拟及降水数值分析，对降水效果预先进行模拟以便确定最优降水方案。根据得到的模拟降水值，确定降水对建筑及环境造成的影响，再根据以往经验及国内类似环境的优秀处理办法来确定沉降过程中的控制措施[2]。

4 技术原理

根据本工程水文地质条件，建立地下水流的三维数值模拟模型，该模型可较好地模拟场地内各种复杂水文地质条件。

4.1 渗流计算的基本理论

为了有效地降低承压水头，首先应进行地下水的渗流计算分析，这也是降水设计的理论基础。

4.1.1 承压性潜水层的渗流控制方程

建立流体和多孔介质不可压缩时非恒定达西渗流场求解的微分控制方程：

4.1.2 定解条件

式中：H0（x,y,z,t）— 点（x,y,z）处的初始水位（m）；

H1（x,y,z,t）— 点（x,y,z）在t时刻的边界已知水位（m）。

采取向后差分法对以上数学模型进行离散处理，可求得三维数值模型。进而可以分析预测降水后地下水位在时间和空间上的分布情形。

4.2 承压性潜水层降深计算

4.2.1 建立基坑降水数值模拟模型

根据模拟区域的含水层构造、边界情况和水流特征，模拟分析区域以基坑为中心，区域边界到达降水井能影响到的部位。

4.2.2 确定模拟期间及应力期间

模拟期间定为1个月，将整个模拟期划分为3个计算周期，周期内的时间步长为24小时。在计算周期内，外部源汇项的数值不变。

4.2.3 模型划分网格

根据模拟区的含水层构造、边界和水流特征，将模拟区域竖向划分为3层，每层划分为180行、280列矩形网格。基坑网格剖分见图1。

图1 基坑网格剖分平面图

4.2.4 源汇项的处理

（1）组合降水井设置：组合井设置埋置深度、过滤孔长度、水量大小等参数。（2）边界条件的处理：边界设置成定水头，水位保持不变。

4.2.5 基坑降水预测

根据上述已知参数，结合组合降水井构造，在基坑内布置若干组合井并计算。形成水位下降深度分布图。通过数值模拟分析，在基坑布置31口组合井，一个月后水位将趋于稳定，除1#塔楼基坑外，其余部位下降到安全水位。由于降水井已考虑设置到了灰质白云岩面，再往下成孔较困难，因此塔楼部位单独附加采取碎石排水盲沟的方案使水头降到安全水位线[3]。

4.3 地面沉降计算

采用有限差分法，由渗流方程可以求得任一时刻的水位降低值，再由沉降方程可以求出基坑内及周边的沉降量。本次沉降计算针对基坑开挖到底的工况进行计算，其计算结果整理成沉降等值线图。根据预测的沉降量，我们就可以提前制定合理的防沉降影响应对措施。

5 结语

在降水实施过程中，我们实时采集降水数据，并将其与统一工况下的数值模拟预测结果进行对比分析，实测值与预期值相近，说明这种计算方法是行之有效的[4]。

近年来，位于喀斯特地貌地区广西及云贵地区的基础设施建设步伐大幅提速。该区域建筑事业的全面发展，势必会让施工单位在原本复杂的喀斯特地貌条件下迎来更多的挑战。 这种喀斯特地貌地区富水条件下降水设计的三维数值模拟计算方法，适用于具有丰富承压水的溶洞、溶蚀裂隙地区的基坑降水计算分析，其计算方法精度较高，弥补了常规二维降水数值模拟无法解决的计算难题，也给处理其他类型复杂水文地质条件下的降水设计方法提供了借鉴意义。