封閉式槽結(jié)構(gòu)設(shè)計水位探討

封閉式槽結(jié)構(gòu)設(shè)計水位探討隨著我國鐵路及大路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速進展，交通建設(shè)要求和標準也不斷增加。為了保證行車速度和交通安全，大量的鐵路、大路平交改為立交，一些線路不行避開的以路塹下鉆的方式通過地下水位較高的地段，封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)由此開頭消失，且應(yīng)用漸漸增多［1］。由于封閉式路塹U型槽為純地下結(jié)構(gòu)，須進行抗浮設(shè)計，以避開地下水位在各種自然、人為因素影響下超過U型槽結(jié)構(gòu)底板而產(chǎn)生上浮問題，以確保構(gòu)筑物的安全?？垢≡O(shè)計水位數(shù)值是抗浮設(shè)計所需的重要參數(shù)?？垢∷蝗≈颠^高，則必需實行抗浮措施，導致投資費用增加，造成鋪張;取值過低，則水位上升可能導致構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)破壞甚至整體上浮［2］。

因此抗浮設(shè)計水位取值合理與否直接關(guān)系到構(gòu)筑物的安全性及經(jīng)濟性。封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)作為較大跨度工程，在對其進行抗浮設(shè)計水位分析時，需重點考慮以下問題:(1)U型槽結(jié)構(gòu)跨越區(qū)域相對較大，不同區(qū)域含水層巖性及分布特征、地下水賦存狀態(tài)可能存在肯定差異;(2)對于遠期最高水位接近自然地面的工程，其最高水位最終取值需結(jié)合工程場區(qū)現(xiàn)狀及設(shè)計地形條件進行綜合分析。本文以北京某封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)工程為例，在分析場區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對涉及抗浮問題的各主要含水層進行遠期最高水位猜測，并運用FEFLOW模擬軟件進行滲流計算，最終確定U型槽結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計水位。FEFLOW是由德國WASY水資源規(guī)劃系統(tǒng)討論所研制開發(fā)的地下水模擬軟件包，是功能較為齊全的地下水水量及水質(zhì)計算機模擬軟件系統(tǒng)，采納迦遼金有限單元法進行簡單的二維、三維穩(wěn)定及非穩(wěn)定流模擬。

1工程場區(qū)概況

1.1工程概況擬建封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)工程呈近南北走向，全長約398m(里程樁號K0+331～K0+729)，標準段寬約32m。結(jié)構(gòu)底板標高為31.03～22.09m(埋深自南北兩端向中部漸漸增加，最大埋深10.62m)，底板標高最低點處相應(yīng)的里程樁號為K0+526。工程場區(qū)典型地層及構(gòu)筑物基礎(chǔ)埋置狀況見圖1。

1.2工程場區(qū)水文地質(zhì)條件依據(jù)勘察資料，場區(qū)地面下最大鉆探深度39.10m深度范圍內(nèi)主要量測到4層地下水，各層地下水的類型、賦水地層層位及巖性、水位標高見表1。場區(qū)所在區(qū)域潛水為滲入—蒸發(fā)型，主要接受降水入滲和管道滲漏等補給，并以蒸發(fā)為主要排泄方式;層間水的自然?動態(tài)類型屬滲入—徑流型，以地下水側(cè)向徑流和越流補給為主，排泄方式主要為側(cè)向徑流和越流;承壓水自然?動態(tài)類型屬滲入—徑流型，補給方式為地下水側(cè)向徑流和越流，并以側(cè)向徑流、人工開采為主要排泄方式，受人為因素影響，多年來該層地下水水位變化較大。

由圖1可見，擬建構(gòu)筑物基礎(chǔ)主要坐落于潛水含水層、第1層層間水含水層及其之間的相對隔水層中，其抗浮設(shè)計水位將主要受潛水和第1層層間水水位變化的共同影響。依據(jù)滲流理論，場區(qū)各層地下水都存在水力聯(lián)系，而潛水和承壓水水位在各種不利因素影響下存在上升的可能，并在滲流作用下間接導致第1層層間水水位上升和結(jié)構(gòu)基底處水壓力增大。因此，針對本工程而言，需猜測潛水和承壓水的遠期最高水位，并在此基礎(chǔ)上通過滲流分析計算，最終確定本工程的抗浮設(shè)計水位。值得留意的是第1層層間水含水層之上的相對隔水層層厚南北向變化較大，其南端厚度約為1m，向北漸漸增厚至3m左右;第1層層間水含水層之下的相對隔水層層厚及埋深南北向也存在差異。

2場區(qū)地下水遠期最高水位猜測

2.1場區(qū)潛水遠期最高水位猜測場區(qū)潛水主要受大氣降水入滲補給量的影響。依據(jù)場區(qū)所在區(qū)域地下水水位長期觀測數(shù)據(jù)，歷年(自1955年以來)最高地下水水位標高擬合值接近自然地面?？辈炱陂g鉆孔孔口處地面標高為30.73～32.70m，其中場區(qū)北部局部區(qū)段(里程樁號K0+699～K0+729)地形較低(鉆孔孔口處地面標高在30.73～31.53m左右)。依據(jù)潛水分布規(guī)律相關(guān)討論成果，該層地下水在歷史高水位期與地形親密相關(guān)，地形較高處地下水位也相對較高，歷年最高地下水水位埋深一般在地表下0.30～0.50m?？紤]場區(qū)現(xiàn)狀和設(shè)計地形條件，綜合確定場區(qū)潛水遠期最高地下水水位建議值見表2。

2.2場區(qū)承壓水遠期最高水位猜測猜測場區(qū)承壓水含水層水位變化，應(yīng)充分考慮地下水開采量的削減、官廳水庫放水引起的永定河滲漏以及即將實現(xiàn)的“南水北調(diào)(中線)工程”等人為活動的影響。通過討論、分析區(qū)域性承壓水多年水位變化趨勢、變化幅度與上述各因素的關(guān)系，猜測得到工程場區(qū)承壓水的年平均水位標高將達到21.70m?？紤]工程場區(qū)承壓水水位最大年變幅的50%為4.00m，則工程場區(qū)承壓水的遠期最高水位標高將達到25.70m。3場區(qū)地下水滲流數(shù)值模擬由于U型槽結(jié)構(gòu)底板除位于潛水含水層內(nèi)，還主要坐落于第1層層間水含水層及其之上的相對隔水層中。為獲得U型槽結(jié)構(gòu)底板不同位置將來最高水位猜測條件下最大水壓力，需要分析工程場區(qū)水文地質(zhì)條件，概化水文地質(zhì)概念模型，在此基礎(chǔ)上建立地下水數(shù)學模型，運用FEFLOW軟件建立地下水滲流的數(shù)值模擬模型，通過對模型的識別、校正，并將場區(qū)遠期潛水及承壓水最高水位猜測值作為邊界條件輸入模型，即可計算工程場區(qū)不同深度、范圍內(nèi)地基土層中的地下水壓力分布。

3.1水文地質(zhì)概念模型依據(jù)勘察資料揭露的地層以及地下水資料，同時考慮工程設(shè)計條件，建立場區(qū)肯定深度地基土層的三維非均質(zhì)有限元滲流模型。在垂直方向上，根據(jù)地層巖性和賦水特征，將其分為7大層，自上而下分別為潛水含水層、第1相對隔水層、第1層間水含水層、第2相對隔水層、第2層間水含水層、第3相對隔水層和承壓水含水層。由于含水層、相對隔水層的巖性、透水性無明顯方向性，因此，整個模擬區(qū)域可概化為各向同性的非均質(zhì)三維流含水系統(tǒng)。依據(jù)對工程場區(qū)水文地質(zhì)條件的分析，在對各層地下水水位進行現(xiàn)狀分析、猜測時，將依據(jù)自然、人為因素對地下水的影響程度進行綜合取值，將先考慮地下水的側(cè)向徑流和越流補給、排泄影響，將模型的側(cè)邊界設(shè)置為隔水邊界，構(gòu)筑物基礎(chǔ)底板概化為Ⅱ類隔水邊界，將潛水含水層和承壓水含水層概化為Ⅰ類定水頭邊界［3］。

3.2地下水滲流數(shù)學模型本工程中應(yīng)用三維穩(wěn)定流偏微分方程對滲流問題予以描述，對于三維穩(wěn)定流，其掌握方程為［4，5］:式中:h為滲流總水頭函數(shù);K為土層滲透系數(shù);n為邊界外法線的單位矢量;B1為給定水頭邊界條件;B2為給定流量邊界條件。

3.3地下水滲流數(shù)值模擬模型應(yīng)用FEFLOW軟件建立相應(yīng)于水文地質(zhì)概念模型的數(shù)值模型，模型的外形以及邊界條件等依據(jù)建立的水文地質(zhì)概念模型確定。模擬區(qū)域為170×500m2的區(qū)域，垂向上劃分為7層，包括4個含水層和3個相對隔水層;水平方向上進行三角形剖分，共分為800個有限單元網(wǎng)格。各層頂、底板標高用鉆孔實測數(shù)據(jù)以差值方式賦值。模擬區(qū)域網(wǎng)格剖分三維視圖見圖2。

3.4參數(shù)設(shè)置及模型識別模型中各土層滲透系數(shù)均依據(jù)工程所在區(qū)域鄰近工程已有資料確定，其中鄰近工程粘性土層滲透系數(shù)采納實行原狀土樣并進行室內(nèi)滲透試驗方法確定，輕亞粘土、中亞砂土層滲透系數(shù)采納提水試驗方法計算確定，細砂、粉砂層滲透系數(shù)采納顆分數(shù)據(jù)并利用閱歷公式計算確定，砂、卵石層滲透系數(shù)依據(jù)抽水試驗確定。采納勘察期間水位實測數(shù)據(jù)對模型進行識別和校正，主要是對粘性土滲透系數(shù)取值進行微調(diào)，直至各層水位數(shù)值模擬結(jié)果和實測結(jié)果非常接近為止。模型中各土層滲透系數(shù)最終取值見表3。

3.5基底最大水壓力猜測將已獲得的場區(qū)遠期潛水最高水位猜測值(見表2)及承壓水最高水位猜測值(27.50m)作為Ⅰ類定水頭邊界條件輸入模型，通過數(shù)值模擬，計算在潛水及承壓水猜測遠期最高水位條件下場區(qū)地下水滲流場。依據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，猜測高水位時期場區(qū)水壓力分布圖見圖3。依據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果可計算獲得工程場區(qū)不同位置、深度的地下水壓力及等效水位值，擬建U型槽結(jié)構(gòu)基底中線猜測水壓力及等效水位標高見圖4。綜合考慮本工程的特點及抗浮設(shè)計水位取值對工程安全、經(jīng)濟性的影響等因素，本工程抗浮設(shè)計水位可分段取值:里程樁號K0+331～K0+397段的抗浮設(shè)計水位標高按31.90m考慮;里程樁號K0+397～K0+496段的抗浮設(shè)計水位標高按31.50m考慮;里程樁號K0+496～K0+729段的抗浮設(shè)計水位標高按31.10m考慮。本工程潛水及第1層層間水含水層之間的相對隔水層南北向分布不均，南端厚度較小會直接造成該區(qū)段地下水垂向補給相對較大，第1層層間水猜測水位上升，同時消失向北端的水平向滲流，最終打算了擬建U型槽結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計水位接近于潛水猜測最高水位。

4結(jié)論與建議

本文以北京某平改立工程封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)為例，采納地下水數(shù)值模擬軟件FEFLOW，在對工程場區(qū)進行水文地質(zhì)條件分析及遠期最高水位猜測的基礎(chǔ)上進行了滲流模擬，計算確定了U型槽結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計水位，由此可以得出如下結(jié)論建議:(1)在抗浮設(shè)計水位分析中，可在水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，建立相宜的水文地質(zhì)概念模型并確定數(shù)值模型，采納地下水數(shù)值模擬技術(shù)來計算抗浮設(shè)計水位。(2)當擬建構(gòu)筑物跨越區(qū)域相對較大時，如工程場區(qū)含水層巖性及分布特征、地下水賦存狀態(tài)存在肯定差異