基坑降水条件下地下水流场动态分布规律研究

2021-07-14丁朋朋雷炳霄朱恒华

水力发电 2021年4期

边超，贾超，杨霄，丁朋朋，雷炳霄，朱恒华

(1.山东大学海洋研究院，山东青岛 266232；2.山东省地矿工程勘察院，山东济南 250014；3.山东省地质调查院，山东济南 250014；4.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉 430074)

0 引言

随着我国经济的飞速发展，大量的高层建筑和地下工程不断涌现，城市化发展促进了地下空间的开发利用，基坑工程深度和广度也随之不断增加[1]。地下空间被利用时，原有的地下水流场中会形成不透水屏障，这将改变原有的水文地质条件，影响地下水的流量、流速、流向和水力梯度[2-3]。根据统计，所有基坑工程事故中直接由地下水处理不当引起的占22%[4]，而直接或间接由地下水引起的高达70%以上[5]。目前，针对利用地下空间引起的地下水环境的变化这一问题，许多研究运用诸如数值分析、试验探究、模拟计算等方法做了大量的工作。在数值分析方面，高扬等[1]利用平面二维流势函数理论和叠加原理，分别求解得到无止水帷幕工况下潜水完整井和承压完整井在降水-回灌共同作用下的地下水浸润曲线方程。在试验探究方面，曾超峰等[6]开展室内模型试验，对基坑开挖前降水工程进行了缩尺精细化模拟，通过模型箱对微型降水井设置和调控，真实再现了实际基坑降水过程中井流效应对围护结构受力变形的影响。在模拟计算方面，Jiao等[7]分析了城市建筑对香港滨海地区地下水系统的影响，并对地下构筑物存在情况下的地下水流场进行了模拟比较。

本文以淄博火车站南广场还迁商业综合体的基坑为例，采用地下水数值模拟软件对区域地下水流场进行数值模拟，探讨了设置封闭式止水帷幕后基坑降水对基坑内外地下水流场的变化规律。

1 研究背景

1.1 工程概况

淄博市张店区车站街道的还迁商业综合体基坑位于柳泉路以西，昌国路以北，王舍路以南。该车站基坑施工方法采用明挖法，基坑平面尺寸约为120.0 m×263.5 m，开挖深度按10.70～11.60 m计算，开挖深度范围内均为第四系地层，基础形式为筏板基础，支护形式为锚杆支护，建筑场地周边22 m范围内无重要建筑物和构筑物。

该基坑地下水位埋深3.73～4.80 m，水位降深约7.00～7.67 m。采用人工井点降水方法，坑外帷幕止水，坑内降水，该方法能有效减小地下水对工程的影响[8]。基坑平面及降水系统布置见图1。基坑内分布有48口降水井和33口疏干井。

图1 研究区范围示意

1.2 研究区地质条件

研究区整体属山前冲积平原地带，地势东南高西北低，地面标高在39.7～53.4 m之间，地势较为平坦。根据岩土工程勘察报告和地质剖面图，概化的地层范围为-30～0 m，共5个大层，第1层为潜水含水层，该含水层水量小，使用额定出水量为3 m3/h潜水泵抽水2 min即抽干；第2层和第4层为隔水层；第3层为承压含水层，是主要采水层；第5层为基岩层。研究区地质特征层分布剖面见图2。

图2 研究区地质特征层分布剖面

根据地下水的含水介质性质，研究区内地下水类型分为松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水。其中，松散岩类孔隙含水层主要为粉土含水层和胶结砾岩含水层，粉土含水层在研究区内局部地区分布，厚度及含水层水量较小；胶结砾岩含水层在研究区内连续分布，为松散岩类孔隙水主要含水层，厚度为0.7～3.9 m，平均为2.34 m。碎屑岩类裂隙水含水层为风化岩含水层，该含水层位于第四系之下。

2 研究区地下水数值模拟

研究区地下水模拟是在构建水文地质概念模型的基础上，通过确定的模型范围、边界条件和源汇项等不同因素，采用建立的地下水三维数值模型进行模拟分析。

2.1 水文地质概念模型

根据研究区边界的水文地质条件和观测资料，将侧向边界概化为定水头边界；上部边界为潜水面，受降水入渗和人工开采等影响；下部为第三系强风化泥质砂岩，概化为隔水边界；补给项主要包含侧向流入和降雨入渗补给；排泄项主要包括人工开采和侧向流出。

2.2 地下水数值模型

采用MODFLOW建立地下水三维数值模型。网格共有540 192个节点，有效网格数281 980个。网格剖分见图3。

图3 网格剖分

模拟期为2019年3月～9月。根据地下水动态观测及降水特征，将模拟期划分为3月～6月和6月～9月2个应力期，选取前1个应力期进行数学模型识别，后1个应力期进行数学模型的验证。根据研究区水文地质条件，将本区地下水流系统概化为非均质、各向异性、非稳定地下水流系统，根据基本微分方程的定解条件[9]建立地下水数学模型。

3 地下水数值模型的识别与检验

3.1 数值模型的识别

本文选取2019年3月～6月作为模型的识别阶段，在该阶段校准模型的水文地质参数，确定源汇项，最后分析实测水位和计算水位的拟合情况，验证本模型识别阶段的所确定参数的准确性。

(1)水文地质参数选取。根据模拟需要，所涉及的水文地质参数包括降水入渗系数、给水度、渗透系数等。根据研究区的水文地质资料中的抽水试验数据和地层岩性特征，本研究区第四系覆盖地区的降雨入渗系数取为0.2[10]。各地层的渗透系数和给水度见表1。

表1 地下水渗流模型水文地质参数

(2)源汇项的确定。源汇项包括大气降水补给量Q降水和大气蒸发量Q蒸这2个主要参数[10]。根据已有数据及公式[9]计算得到，本研究区大气降水补给量为3 210.06 m3/d，大气蒸发量为558.94 m3/d。

(3)模型识别结果与实际对比。模拟水位与实测水位对比见图4。图4中，虚线为计算的等水位线，实线为2019年3月实测的等水位线。从图4可以看出，计算水流的流向与实测无明显水流方向差异，可以判断研究区边界条件是合理的；由于对研究区水文地质情况的清楚认识与预先进行的抽水试验，率定的水文地质参数符合实际情况，大小变化与实测流场规律相一致。

图4 模型识别期模拟水位与实测水位对比(单位：m)

(4)可靠性分析。依据图4中的观测井的数据来校正模型计算水位，各观测井计算水位与实测水位误差统计结果见表2。根据计算结果可得，误差均在允许范围内，表明模拟结果与实测值吻合良好，故该模型可用于解决还迁商业综合体基坑的地下水流场问题。

表2 识别时段误差统计

3.2 数值模型的检验

本文选取2019年6月～9月作为模型检验期，根据模型识别期所校正的水文地质参数进行模型检验，通过对实测水位与计算水位进行拟合，对比检验模型的有效性。图5为基坑内疏干井、降水井的水位拟合结果。图5中每个观测点显示中点为观测值，如果计算水位和实测水位的误差在校核置信范围内，显示为灰色，如果超出置信区间范围但小于200%则呈灰黑色，大于200%则为黑色。拟合结果表明，大部分点的计算水位和实测水位有误差但在校核置信范围内，符合观测结果，个别点误差较大可忽略不计。总体而言，该数值模型拟合结果较好。

图5 疏干井和降水井拟合结果

4 地下水流场动态分布规律

4.1 现阶段影响的分析

模型选取2019年3月～6月作为模拟期，将2019年3月水位分布作为初始条件，确定数值模型初始条件。2019年3月初始流场见图6。

图6 2019年3月初始流场(单位：m)

由于研究区2019年6月7日～27日水位降幅较大，此后水位变化趋于平稳，故选取2019年6月7日～27日阶段进行分析。研究区地下水流场分布见图7。基坑内流场变化见图8。从图7、8可知，6月7日基坑内的水位在31～32 m左右，至6月27日基坑内水位维持在27～28 m左右，基坑外水位雍高为10 m左右。

图7 研究区地下水流场分布(单位：m)

图8 基坑地下水流场分布(单位：m)

基于上述分析，得到基坑降水条件下地下水流场动态分布规律。在研究区范围内，由于基坑采用封闭式止水帷幕，降水井设置在止水帷幕的内侧且降水时间较短，帷幕外未受明显影响。止水帷幕改变了基坑渗流的流态及水力梯度，有止水帷幕的基坑渗流等势线绕过帷幕进入基坑底部，为基坑空间渗流。由于止水帷幕过水断面变小，渗流速度加大，导致该处底部等势线最密集，水力梯度最大。基坑内外的地下水位明显低于较远区域地下水位，形成明显降落漏斗，这说明该区域地下水特征受工程降水活动影响已发生改变，需要采取相应的回灌措施保证土层压力仍处于原始平衡状态，才能有效防止井点降水对周围环境的影响，如果不采取相应措施，会使地下水漏斗不断扩大，从而打破原有平衡，间接引起土中应力重新分布。

4.2 预测未来影响

假设不考虑工程等其他影响，保持现有降水方案的情况下，根据现有基坑降水的模型，预测后续基坑降水所引起的水位动态变化，总结验证地下水流场动态分布规律，预测时间模拟至2021年7月1日，并将预测后的模拟结果和现阶段的水位进行对比分析。地下水流场分布见图9。

图9 2021年7月1日地下水流场分布(单位：m)

通过对图7、8、9的对比分析，在不考虑工程等其他影响下，保持止水帷幕等设施及现有降水方案的情况下，得到该地区基坑地下水的发展趋势为：研究区大范围水位基本保持稳定，基坑内部的水位在前期降水期间水位快速下降，快速降水结束后地下水位开始缓慢降低。从2019年6月7日及2019年6月27日的水位与2021年7月1日的水位对比可知，基坑内部水位比2019年6月7日降水前下降约6 m，比2019年6月27日降水刚结束时下降约1 m；基坑外部水位基本保持不变。因此，基坑内外的水位变化受止水帷幕影响较大。综上所述，通过该模型可预测该地区基坑地下水的发展趋势，并且该预测结果也验证了地下水流场的动态分布规律。