岩溶发育地段地铁车站深基坑工程渗流参数数值模拟研究

邱运军，郑 爽，朱俊樸，幸厚冰，李继超，王祥秋

（1.中国建设基础设施有限公司，北京 100000；2.中国建筑第四工程局有限公司，广东 广州 510610；3.中建南方投资有限公司，广东 深圳 518101；4.中建四局土木工程有限公司，广东 佛山 528000；5.佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院，广东 佛山 528225）

随着对岩溶地下水渗流研究的深入，已经有许多学者通过研究岩溶含水介质［1-2］提出了不同的岩溶介质概化模型，如等效多孔介质模型、双重含水介质模型［3］以及三重空隙介质模型［4］等，目前双重、三重介质模型因需要准确刻画出岩溶裂隙、管道，在实际工程中极少运用［5］。相对于双重、三重孔隙介质模型而言，等效多孔介质模型将岩溶高度概化，目前在工程适用性及经济效益上不可替代。等效多孔介质理论研究已取得丰硕成果［6-10］，但其运用于地铁车站基坑工程这类小区域复杂岩溶地层地下水渗流模拟的研究较少，其主要原因在于岩溶发育地段土层厚度高度不均匀，基岩面起伏剧烈［11］。如何根据现场勘探钻孔资料，合理概化土层结构并划分含水层、隔水层，对于岩溶发育地段基坑渗流数值模拟至关重要。此外，因岩溶区域土层的结构特点，根据工程勘察室内渗透试验测定的渗透系数结果与抽水试验结果差异大，难以运用于基坑开挖渗流分析。

本文以佛山地铁3 号线中山公园站地铁车站基坑工程为背景，从数值模拟的角度，基于等效多孔介质理论［12］建立基坑岩溶地下水渗流概化模型，借助Visual MODFLOW 平台对现场抽水试验进行模拟，通过对比分析各阶段模拟水位与实际水位变化情况，反演分析了岩溶区域土层渗透参数。

1 工程概况

1.1 场区地质概况

佛山地铁3 号线中山公园站基坑工程场地地貌属珠江三角洲平原地貌，地面高度为2.25～5.94 m，地势平坦，东南部约6.0 km 处为广州～从化断裂带，原详细勘察场区受该断裂次生断裂影响，区内均普遍为第四系松散层覆盖，下伏基岩为古近系泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、钙泥质粉砂岩、含砾粗砂岩、泥灰岩。根据所揭露地层的地质年代、成因类型、岩性特征、风化程度等工程特性，将场地内岩土层分为填土层、海陆交互相沉积层、冲积-洪积砂层、冲积-洪积-土层、残积层、岩石全风化带、岩石强风化带、岩石中风化带、岩石微风化带、断层角砾岩共10 层。勘探深度范围内场地地质剖面如图1 所示。

图1 典型场地地质剖面

中山公园站岩溶发育区主要集中在YBK57+010～YBK57+080 里程段，该区域19 个施工钻孔中13个发育有溶洞，场地岩溶见洞隙率为68.4 %，岩溶发育程度等级为岩溶强发育；在YBK57+107～YBK57+127 里程段有2 个钻孔揭露到溶洞。岩溶层厚0.2～10.6 m，平均厚度2.89 m，溶洞以半填充或全充填状态为主，少量充填，串珠状溶洞发育，其充填物主要为流～可塑状黏性土、砾砂及少量岩块。

1.2 水文地质条件

根据地下水赋存条件、含水介质及水力特征分析，地下水主要有两种基本类型，分别为赋存于冲、洪积砂层的松散层孔隙水和赋存于强、中风化带的基岩裂隙水。根据钻探揭露地层、水位及原详勘抽水试验结果，砂层水稳定水位埋深约2.67～2.94 m；基岩水稳定水位埋深约3.05～3.17 m，岩溶水赋存于中风化岩中的溶蚀裂隙、溶洞之中，含水层无明确界限，埋深和厚度很不稳定。根据勘探资料，部分砂层含水层直接覆盖于基岩之上，第四系孔隙水与基岩水、岩溶水有一定的水力联系。

2 岩溶区基坑渗流数值模型建立

2.1 计算区域的界定及边界概化

水平方向以抽水试验及基坑降水对模型边界水头无影响为准则，考虑项目现场抽水试验最大影响半径为310 m，将对基坑地连墙边界线外推500 m，形成以基坑为中心的1 315×1 027 m2的模拟区域，认为区域边界水头不受抽水影响，概化为定水头边界。垂直方向以地面作为模型上边界，综合考虑岩溶发育程度及基岩含水层厚度的影响，取基岩面以下20 m 为下边界，该深度上基层富水性差，透水性极低，视为隔水底板，概化为零流量边界。

2.2 水文地质条件概化

根据勘探钻孔数据，结合前人的分析研究［13］，依据地下水富水性、透水性将模拟区地下含水层概化为2 层。分别为由淤泥质粉细砂、中粗砂组成的潜水含水层和基岩裂隙承压含水层，岩溶层包含与基岩裂隙承压含水层中，将其概化为岩溶等效多孔介质。为满足实际工程需求，场区地下含水系统概化为非均质各向同性非稳定流含水系统，不考虑降水入渗、蒸发和河流侧向补给，地下水流服从达西定律。

3 概化模型建立

Visual MODFLOW Flex5.1 可根据钻孔的点坐标及揭露的土层顶、底面高程数据进行插值，自动生成各土层的顶面和底面。但由于岩溶发育地段土层结构高度不均，含水层、隔水层均有被侵入体穿插分割，甚至出现断层错位的极端现象，这种情况下运用插值方法生成的土层平面通常极度崎岖，易造成网格剖分无法进行及数值运算模型不收敛的情况。针对该现象，本研究归纳整理各缺失土层的钻孔，各类钻孔土层数据不参与涂土层底面高程插值，而用参数分区的方式刻画土层缺失。

3.1 时间、空间离散

采用等间距网格有限差分方法对计算区域进行剖分，为提高计算精度，对基坑区域及抽水试验区域网格进行加密，加密区网格单元面积为2.64 m2，模型单元总数406 944 个，为使模型能反映抽水试验不同抽水量阶段的水位变化，本研究以抽水试验时间为依据，潜水层、基岩层两类抽水试验以16 h、24 h 为一个应力期，各应力期内包含10 个时间步长。

3.2 水文地质参数分区

根据模型建立前整理归纳的钻孔坐标点划分土层缺失区域（土层天窗），将侵入体水文地质参数设置于该区域中，以达到模拟侵入体穿插分割土层的目的。对于基岩裂隙含水层，需根据勘探钻孔资料揭露的岩溶坐标位置及抽水试验数据，结合岩溶专项勘探界定的岩溶区域范围，对基岩裂隙含水层进行分区划分。本研究M3-Z3-SZS-27 抽水试验钻孔位于勘探界定岩溶区域边缘，抽水钻孔未揭露溶洞，抽水试验渗流场受岩溶含水层影响，抽水渗流强度取决于基岩与溶洞、管道渗流的共同作用，故将M3-Z3-SZS-27 钻井区域及岩溶专勘揭露的岩溶区域的中风化基岩层划分为岩溶等效多孔介质场，认为该钻孔基岩段抽水试验反映介质场渗流特性。由概化结果，场区模型细分为8 层，结合基坑勘探室内渗透试验及水文地质手册水力参数建议值，参考前人的研究成果，为土层给定渗透系数初始值，见表1。

表1 渗透系数初始值

4 水文地质参数反演分析

4.1 现场抽水试验

中山公园站原位详细勘察共布置了M3-Z3-SZS-12、M3-Z3-SZS-27 两个抽水钻孔，其中M3-Z3-SZS-27 钻孔位于勘探界定的岩溶区边界附近，平面布置如图2 所示，两个抽水钻孔分别对冲、洪积砂层和强、中风化基岩层进行了不同流量的稳定流完整井抽水试验，试验共完成了12 次降深。

图2 抽水试验钻孔平面布置图

4.2 抽水试验数值模拟

按图3 布置观测井，将抽水井、观测井的空间位置、抽水时间、流量等信息录入到上述建立的岩溶基坑水文地质概化数值模型，运用Wells 边界条件对抽水试验进行数值模拟，对比分析模拟观测数据与实际观测结果，反复修正水文地质参数，使得模拟水位降深实时数据与实测结果高度吻合，以不断逼近实际的水文地质参数。

图3 观测井平面布置图

岩溶发育区域的水文地质数值反演较一般地层困难，分析认为，抽水试验仅能反映钻孔周围土层的水力性质，复杂度极高的地层结构可使抽水试验结果代表性差，而数值模拟对土层的高度概化，使模型较难精确反映抽水区地层水位变化情况，本项目两孔抽水井结构不一，试验段含水层厚度差距大，抽水钻孔相隔远，任一参数的细微调整都将造成降深曲线改变，因此，对于岩溶发育强烈的地区，当模拟降深数据在时间、空间上与现场勘探观测数据整体吻合，可认为该模型能够反映基坑岩溶区水文地质条件［14-15］，等效多孔介质水力参数可运用于基坑降水等工程实际。

本研究在修正参数的过程中以先易后难原则，优先修正潜水含水层参数，待潜水层观测降深与模拟相近后进行基岩裂隙含水层参数修正，最后对模型整体进行反复修正，以达到所有观测孔降深曲线趋势稳定，整体上吻合度良好的目的，最终降深曲线拟合结果见图4～6，具体抽水流量、降深及土层等效水力系数反演结果分别见表2～3。

图4 M3-Z3-SZS-12 钻孔观测井水位降深曲线（砂层）

图5 M3-Z3-SZS-27 钻孔观测井水位降深曲线（砂层）

图6 抽水钻孔水位降深曲线（基岩层）

表2 渗透系数反演结果

表3 抽水试验结果汇总表

4.3 模拟误差分析

从钻孔降深曲线时间变化关系图来看，模拟降深曲线与观测降深曲线变化趋势一致，其中砂层抽水试验吻合度较高，各段降深误差均保持在0.61 m 以内，误差平均值为0.26 m，6 次定流量抽水模拟降深总值为23.407 m，现场观测降深总值为24.36 m，相对误差3.91 %。对于基岩层抽水试验，试验绝对误差最大值达到1.224 m，误差平均值为0.80 m，6 次定流量抽水模拟降深总值为40.645 m，观测降深总值为36.94 m，相对误差9.1 %。通过对比分析抽水流量与降深关系可发现，基岩层相对较小的抽水量即可引起较大的地下水头变化，其降深曲线对渗透参数有较高的敏感度，因此认为抽水降深误差在合理区间内。

对于岩溶发育的复杂地层结构带来的不均一性，基于等效多孔介质理论概化的岩溶水文地质概念模型较难精确刻画真实地下水渗流状况［15］，但在工程角度上，该理论的实用性及经济性不可替代。大部分前人模拟研究大型区域，以少量钻孔揭露土层为代表结合地质构造条件划分参数分区，并且用分布于各区域的少量抽水试验结果反映分区内的水文地质条件，使得水文地质条件及土层结构概化度高，即便抽水试验数值模拟结果高度吻合，概化模型也仅能达到大区域范围上的整体等效，不代表模型反映局部区域真实情况。

对于岩溶地铁车站基坑场区小区域范围模拟而言，除岩溶裂隙发育的基岩层外，相同土层的水力性质差距小，对各土层划分参数分区不合实际，除岩溶发育的基岩层外，抽水试验结果差异仅通过抽水钻孔区域土层空间结构的变化来体现，然而岩溶发育地段复杂的土层结构可能造成各抽水井结构差异大，土层高度概化后，抽水井结构准确度有所下降，进一步加大了模拟抽水试验结果与实测结果差距。

本研究在上述各种复杂因素影响下，模拟2 孔抽水试验12 次降深水位时间关系变化曲线整体变化趋势接近实测值，如图7 所示，各含水层段总降深相对误差在10%左右，认为该概化数值模型能够反映岩溶基坑水文地质条件，概化土层等效介质参数可以用以指导工程实践。

图7 计算水位与观测水位吻合程度

5 结语

（1）基于等效多孔介质的地铁车站基坑岩溶地层数值模拟及参数反演分析难度及精度受水文地质条件复杂性、实际抽水试验代表性与概化模型合理性三方面的制约。

（2）岩溶高度发育地区单孔抽水试验结果反映的水文地质条件一般不具有场区普适性，应根据实际岩溶裂隙发育程度，结合含水层变化特征，在各区域分别选取具有代表性的地质钻孔进行抽水试验。岩溶层抽水试验抽水钻孔、观测钻孔应包含于勘探界定的岩溶区域范围内，此外，为满足等效多孔介质理论基于达西定律的基本假定，抽水井及观测井不得贯通岩溶管道、溶洞。

（3）概化模型数值模拟应根据钻孔数据合理概化土层及边界条件，准确刻画土层空间结构模型，并结合现场抽水试验及岩溶含水层位置，合理划分基岩裂隙、岩溶含水层参数分区，以便有效提高基坑岩溶渗流模拟分析的精度。