三維數(shù)值方法在降水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

代小強(qiáng)

中國五冶集團(tuán)有限公司 四川成都 610063

1 工程概況

柳州保利國際中心位于廣西柳州市白沙路2號(hào)大江郡建設(shè)用地E地塊，東臨濱江東路，西臨白沙路，南臨壺東大橋匝道，北靠大江郡建設(shè)用地CD地塊。本項(xiàng)目由一棟綜合塔樓、一棟集中商業(yè)裙樓及四棟小型商業(yè)建筑組成，業(yè)態(tài)包含商業(yè)、電影院、寫字樓和星級(jí)酒店等[1]。綜合塔樓地上54層，高249.9m，地下3層，最大深度20.8m。本工程位于喀斯特地貌地區(qū)，地下不僅含有溶洞、溶蝕裂隙、土洞等，還有一層承壓性潛水層，水量豐富，主要由柳江河側(cè)向補(bǔ)給，該層地下水測(cè)量穩(wěn)定水位位于塔樓基坑底板以上。同時(shí)，受地下豐富承壓潛水及長期雨水影響，塔樓基坑土釘墻支護(hù)已垮塌失效。上述現(xiàn)狀表明，早期降水設(shè)計(jì)方案并未達(dá)到預(yù)期效果，其設(shè)計(jì)的降水措施未能將地下水降到安全線以下，降水設(shè)計(jì)結(jié)果有誤。因此，為確保工程施工質(zhì)量與安全，必須對(duì)排水進(jìn)行重新計(jì)算模擬，根據(jù)正確的分析結(jié)果，重新制定降水方案。

2 施工重點(diǎn)與難點(diǎn)

本工程場(chǎng)地勘察范圍內(nèi)巖土種類多，各巖層滲透性差異較大，場(chǎng)地內(nèi)不僅育有溶洞、溶蝕裂隙等，還伴有一層豐富的承壓性潛水層。目前國內(nèi)采用的常規(guī)的降水設(shè)計(jì)方法屬于二維數(shù)值模擬計(jì)算，這種計(jì)算方法對(duì)單層地質(zhì)滲流可以進(jìn)行較好的分析，但無法應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水文地質(zhì)條件。本工程前期根據(jù)二維數(shù)值模擬計(jì)算而來降水措施，其降水效果與預(yù)期偏差較大，也正好驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

3 應(yīng)對(duì)技術(shù)路線

通過運(yùn)用三維數(shù)值模擬降水設(shè)計(jì)方法，對(duì)本工程排水進(jìn)行精確的地質(zhì)模擬及降水?dāng)?shù)值分析，對(duì)降水效果預(yù)先進(jìn)行模擬以便確定最優(yōu)降水方案。根據(jù)得到的模擬降水值，確定降水對(duì)建筑及環(huán)境造成的影響，再根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及國內(nèi)類似環(huán)境的優(yōu)秀處理辦法來確定沉降過程中的控制措施[2]。

4 技術(shù)原理

根據(jù)本工程水文地質(zhì)條件，建立地下水流的三維數(shù)值模擬模型，該模型可較好地模擬場(chǎng)地內(nèi)各種復(fù)雜水文地質(zhì)條件。

4.1 滲流計(jì)算的基本理論

為了有效地降低承壓水頭，首先應(yīng)進(jìn)行地下水的滲流計(jì)算分析，這也是降水設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

4.1.1 承壓性潛水層的滲流控制方程

建立流體和多孔介質(zhì)不可壓縮時(shí)非恒定達(dá)西滲流場(chǎng)求解的微分控制方程：

4.1.2 定解條件

式中：H0（x,y,z,t）— 點(diǎn)（x,y,z）處的初始水位（m）；

H1（x,y,z,t）— 點(diǎn)（x,y,z）在t時(shí)刻的邊界已知水位（m）。

采取向后差分法對(duì)以上數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散處理，可求得三維數(shù)值模型。進(jìn)而可以分析預(yù)測(cè)降水后地下水位在時(shí)間和空間上的分布情形。

4.2 承壓性潛水層降深計(jì)算

4.2.1 建立基坑降水?dāng)?shù)值模擬模型

根據(jù)模擬區(qū)域的含水層構(gòu)造、邊界情況和水流特征，模擬分析區(qū)域以基坑為中心，區(qū)域邊界到達(dá)降水井能影響到的部位。

4.2.2 確定模擬期間及應(yīng)力期間

模擬期間定為1個(gè)月，將整個(gè)模擬期劃分為3個(gè)計(jì)算周期，周期內(nèi)的時(shí)間步長為24小時(shí)。在計(jì)算周期內(nèi)，外部源匯項(xiàng)的數(shù)值不變。

4.2.3 模型劃分網(wǎng)格

根據(jù)模擬區(qū)的含水層構(gòu)造、邊界和水流特征，將模擬區(qū)域豎向劃分為3層，每層劃分為180行、280列矩形網(wǎng)格。基坑網(wǎng)格剖分見圖1。

圖1 基坑網(wǎng)格剖分平面圖

4.2.4 源匯項(xiàng)的處理

（1）組合降水井設(shè)置：組合井設(shè)置埋置深度、過濾孔長度、水量大小等參數(shù)。（2）邊界條件的處理：邊界設(shè)置成定水頭，水位保持不變。

4.2.5 基坑降水預(yù)測(cè)

根據(jù)上述已知參數(shù)，結(jié)合組合降水井構(gòu)造，在基坑內(nèi)布置若干組合井并計(jì)算。形成水位下降深度分布圖。通過數(shù)值模擬分析，在基坑布置31口組合井，一個(gè)月后水位將趨于穩(wěn)定，除1#塔樓基坑外，其余部位下降到安全水位。由于降水井已考慮設(shè)置到了灰質(zhì)白云巖面，再往下成孔較困難，因此塔樓部位單獨(dú)附加采取碎石排水盲溝的方案使水頭降到安全水位線[3]。

4.3 地面沉降計(jì)算

采用有限差分法，由滲流方程可以求得任一時(shí)刻的水位降低值，再由沉降方程可以求出基坑內(nèi)及周邊的沉降量。本次沉降計(jì)算針對(duì)基坑開挖到底的工況進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果整理成沉降等值線圖。根據(jù)預(yù)測(cè)的沉降量，我們就可以提前制定合理的防沉降影響應(yīng)對(duì)措施。

5 結(jié)語

在降水實(shí)施過程中，我們實(shí)時(shí)采集降水?dāng)?shù)據(jù)，并將其與統(tǒng)一工況下的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)測(cè)值與預(yù)期值相近，說明這種計(jì)算方法是行之有效的[4]。

近年來，位于喀斯特地貌地區(qū)廣西及云貴地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐大幅提速。該區(qū)域建筑事業(yè)的全面發(fā)展，勢(shì)必會(huì)讓施工單位在原本復(fù)雜的喀斯特地貌條件下迎來更多的挑戰(zhàn)。 這種喀斯特地貌地區(qū)富水條件下降水設(shè)計(jì)的三維數(shù)值模擬計(jì)算方法，適用于具有豐富承壓水的溶洞、溶蝕裂隙地區(qū)的基坑降水計(jì)算分析，其計(jì)算方法精度較高，彌補(bǔ)了常規(guī)二維降水?dāng)?shù)值模擬無法解決的計(jì)算難題，也給處理其他類型復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的降水設(shè)計(jì)方法提供了借鑒意義。