基于數值模擬法的臨河建筑抗浮設防水位計算
——以成都金馬河臨河某商住樓為例

陳 鵬，張 繼，李 江

(四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川 成都 610000)

抗浮設防水位的取值對建筑結構安全具有重要的意義。臨河建筑在進行抗浮設防水位計算時經常采用地面高程或歷史最高洪水位，這樣的取值往往導致抗浮設防水位偏高。抗浮設防水位取值偏高，將會大大增加建筑物的抗浮投資，造成工程建設的巨大浪費；抗浮設防水位取值偏低則可能導致建筑物地下結構存在極大安全隱患，一旦遭遇極端天氣，輕則造成地下室結構梁板開裂、地下室滲水，重則地下室上浮結構破壞[1-3]。因此如何確定合理的抗浮設防水位，具有十分重要的意義。

1 臨河建筑抗浮設防水位數值模擬方法

臨河建筑因靠近河流，一般來說臨河建筑所在場地地下水水位埋藏淺，第四系松散巖類孔隙水含水巖組滲透性能較好，滲透系數較大，因此建筑場地內地下水流場受河水位變化影響大。若河流上下游修建水工結構工程，將導致臨河建筑場地內地下水流場受河流人工調蓄產生較大波動，尤其是近些年來，汛期極端暴雨天氣增多，導致臨河建筑所在場地地下水流場難以通過常規勘察手段來確定。

地下水流模擬方法是基于計算機利用數值方法來分析和預測不同條件下局部或區域地下水系統行為的一種手段。早期的地下水模擬采用的物理模型進行模擬，隨著電子計算機科學技術的飛速發展，地下水流模擬逐漸從類比法(物理模擬)過渡到數值法，數值模擬方法就是在計算機上采用離散化的方式去求解數學模型，得到數學模型的近似解[4-5]。隨著科學技術的不斷發展，地下水數值模擬法已經發展成為解決地下水各種問題的主要方法。這種方法具有較高的仿真度，能夠很好地反應復雜及多變的水文條件下的地下水流的運動狀態。針對臨河建筑抗浮設防水位的計算采用數值模擬方法可有效的模擬各類水文條件下，臨河建筑場地內的地下水流場的變化情況，從而提出科學合理的抗浮設防水位，這樣在工程投資的經濟性和臨河建筑的安全性之間取得一個較好的平衡點。

2 研究區水文地質概念模型及邊界概化

研究區為成都金馬河臨河一大型商住樓濱湖印象建設項目，其西邊界為金馬河，多年平均水位為510.0 m。因研究區地處成都平原內，區內大范圍皆為平原區，地勢平坦，故將不因項目區周圍水位升降而產生明顯水位變化的位置作為計算區的其余三邊邊界，可概化為流量邊界。正常情況下區內地下水向金馬河排泄，在暴雨條件或上游泄洪條件下，部分地表水補給地下水。 區內含水介質主要為第四系全新統沖積砂卵石含水層，上部的薄層第四系全新統人工填土層以粘性土為主，為弱透水地層。區內第四系全新統沖積砂卵石含水層總體厚度大。

計算區西部邊界為金馬河，在天然條件下，地下水在接受大氣降水入滲補給后向金馬河排泄，在暴雨條件或上游泄洪條件下，部分地表水補給地下水，可將金馬河概化為河流邊界。實際計算時金馬河的水位根據上游水閘(3號閘)的運行情況(蓄水、泄洪)，按實際水位值代入模型中計算。北、東、南三邊邊界為不因項目區周圍水位升降而產生明顯水位變化的流量邊界。計算區的頂面為潛水面，在該面上發生著降水入滲、潛水蒸發等垂向水交換作用，可概化為潛水面邊界。其中降水入滲采用全年降雨量按大氣降水入滲系數代入模型中計算。區內地面以下30 m以上的成都平原上部含水層作為計算范圍，30 m以下的中更新統含水層為隔水邊界[6-9]。因目前實測的地下水流場為平水期流場，為了保險起見，模型計算采用豐水期水位作為初始流場。

圖1 計算區地面DEM影像圖

根據前述水文地質概念模型，計算區地下水三維穩定流數學模型可建立為：

式中：H為地下水位標高(m)；K為滲透系數(m/d)；μ為給水度；t為時間(d)；x，y，z為坐標變量(m)；Hs為給定水位標高(m)；Kr為河床介質垂向滲透系數(m/d)；Mr為河床介質厚度(m)；Γ2為二類邊界；D為計算區范圍。

3 參數選取及模型識別

模型的初始參數采用項目勘察期間取得相關參數及研究區基礎地質、水文地質資料中收集的參數進行模型識別。

根據研究區的勘察資料，在研究區場地四周施工了27眼降水井，平均井深22.50 m。在場地在實測場地內27眼降水井流量、初始地下水位及當日金馬河河水位高程為510.0 m。將收集和實測的相關資料代入模型，調整研究區的滲透系數，采用最小二乘法進行線性擬合。根據擬合結果，確定研究區各地層參數取值，場地內基坑降水條件下的地下水流場圖見圖2。通過模型識別顯示該計算模型能較好的反應工作區的地下水滲流情況，可用于研究區內各種情況下的地下水滲流場的數值模擬。

圖2 計算區模型識別地下水流場圖

4 模擬計算

4.1 上游水閘蓄水情況下臨河建筑場地內流場變化情況

根據上游水閘運營機構提供的資料，3號閘正常運行工況下，閘前水位抬高，閘前正常水位516.00 m，閘后(下游)正常水位510.00 m，濱湖印象商住樓處于3號閘下游約500 m處，該處的地下水水位由三號閘上下游河段水位差形成的滲流場確定。

根據模型計算結果，當3號閘開始蓄水，閘前水位從510.0 m蓄水至516.0 m，閘后水位510.0 m時，3號閘上下游之間6.0 m的水位差，必然導致上游地下水繞過3號閘向下游滲流，引起下游地下水位的抬升。根據模型計算結果，在3號閘開始蓄水，濱湖印象商住樓場地地下水位于從510.6 m上漲至511.6 m，場地內北部地下水位高于南部(圖3)。

圖3 閘前水位蓄水至516.0m時研究區地下水流場圖

4.2 上游水閘泄洪情況下臨河建筑場地內流場變化情況

前述計算僅僅基于上游水閘正常工況下計算研究區地下水流場的變化情況。根據水利部門提供的資料，在3號閘泄洪條件下，金馬河各泄洪標準洪量如下， 100 a一遇洪水(P=1%)、50 a一遇洪水(P=2%)、20 a一遇洪水(P=5%)和10 a一遇洪水(P=10%)，相應洪峰流量分別為4 570 m3/s、4 220 m3/s、3 740 m3/s和3 380 m3/s。3號閘蓄水控制河段修建景觀閘前后水面線計算成果如以下表所示。其中斷面樁號42+850為3號閘所處位置， 43+300為濱湖印象(一地)商住樓項目處所在位置附近河道。

表1 金馬河水閘工程庫區水面線計算成果一覽表

表2 金馬河水閘工程泄洪條件下地下水水位計算成果一覽表

根據前述資料，采用數值模擬計算3號閘泄洪條件下，100 a一遇洪水(P=1%)、50 a一遇洪水(P=2%)、

20 a一遇洪水(P=5%)和10 a一遇洪水(P=10%)時研究區的地下水流場變化情況，計算結果詳見表2。

根據模型計算結果，當遇到100 a一遇洪水(P=1%)3號閘泄洪時，金馬河水位迅速上漲，局部地表水補給地下水，導致項目區內地下水位上升。此時濱湖印象商住樓場地地下水位位于512.1～512.7 m之間。

5 結語

根據前述計算結果，考慮一定的1 m保險系數，建議該項目抗浮設防水位取513.7 m。而該項目原勘察報告提出的抗浮設防水位為上游水閘蓄水的最高水位516.0 m。因此通過數值模擬計算降低了原抗浮設防水位的標高，大大減少了項目的抗浮投資，在工程投資的經濟性和臨河建筑的安全性之間把握了一個較好的平衡點。