基于水動力-力學(xué)耦合的海綿城市滲蓄水風(fēng)險預(yù)測

陳冬琴

（長江職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430074）

海綿城市概念提出至今，研究主要集中在“低影響開發(fā)”、實現(xiàn)雨水控制目標(biāo)，如滲、滯、凈、蓄、用、排等多個方面。很多城市在海綿城市建設(shè)中，缺少對地質(zhì)環(huán)境研究，對場地環(huán)境不了解，海綿城市技術(shù)適用性不明確，導(dǎo)致出現(xiàn)很多地質(zhì)環(huán)境問題，如地面沉降、開裂、特殊土層膨脹等。海綿城市建設(shè)應(yīng)從自然水文條件角度出發(fā)，開展城市地質(zhì)調(diào)查工作，分析海綿城市功能與環(huán)境地質(zhì)適宜性的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，實現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化的功能。本文以某城市規(guī)劃區(qū)為研究對象，采用GMS軟件（表水及地下水耦合）計算地下水流場結(jié)合Terzaghi固結(jié)理論，進(jìn)行水動力學(xué)-力學(xué)耦合數(shù)值模擬，模擬計算海綿城市滲蓄水時，對地下水位的影響，預(yù)測海綿城市滲蓄水對地質(zhì)環(huán)境地面沉降量的影響。

1 透水鋪張層及地質(zhì)條件

本次研究透水鋪裝層采用透水混凝土、級配碎石層、級配礫石層，共同特點是孔隙率高，具有很好的滲蓄水能力。下墊層地質(zhì)條件為：上部為粉砂土、全新統(tǒng)中期沖積物。中部為細(xì)砂土，分布于西南、西北部，一般頂板埋深1~1.5m；下部粉質(zhì)黏土，頂板埋深1~2m，厚度15~20m；底部為黏土，具水平微層理。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 地下水流動數(shù)學(xué)模型

根據(jù)Darcy定律和水均衡原理，忽略密度變化對地下水影響的三維流動數(shù)學(xué)模型為：

式中：Kxx、Kyy、Kzz分別為沿主方向的滲透系數(shù)[L/T]；h(x,y,z,t)為水位[L]；w為單位體積單位時間內(nèi)注入或抽出的水量[1/t]；為時間[T]；μs為單位儲水系數(shù)[1/L]；h0(x,y,z)為流場初始水位[L]；B1為一類邊界條件；B2為二類邊界條件；q(x,y,z,t)單位面積已知流量（l/t）。

2.2 地面沉降與地下水耦合模型

儲水系數(shù)的定義是當(dāng)水位下降一個單位時，從空隙介質(zhì)中釋放的水量（體積），空隙介質(zhì)被壓縮，從空隙介質(zhì)中釋放的水量儲水系數(shù)表達(dá)式為：

式中：γw為水的重度[M/（L*T）2]；為儲水系數(shù)[1/L]；n為孔隙度[-]；βw為水的體積壓縮系數(shù)[LT2/M]；α為土體體積壓縮系數(shù)[LT2/M]，表示為：

根據(jù)有效應(yīng)力原理，變形只考慮垂向方向，可以把地面沉降和地下水水位耦合起來：

式中：Em為壓縮模量[M/LT2]；b為厚度[L]。

式中：Δε為應(yīng)變增量；Δσ為應(yīng)力增量[M/（L*S2）]；Ee和Ev為彈性壓縮模量和塑性壓縮模量[M/（LS2）]。

3 數(shù)值模型構(gòu)建

3.1 研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)概念模型的構(gòu)建

選擇某城區(qū)海綿城市進(jìn)行數(shù)值模擬如圖1所示，根據(jù)該區(qū)上層透水鋪張、下層水文地質(zhì)條件，對模擬區(qū)模型進(jìn)行概化，該模型分為5層，總厚度30m，透水鋪張層根據(jù)人工碎石粒徑不同分為3層，第一層透水鋪張層厚度0.3m；第二層透水鋪張層厚度0.25m；第三層透水鋪張層厚0.25m，如表1所示，共0.8m。下部地質(zhì)條件為：上層粉砂土，一般厚度為5~10m；中部細(xì)砂土，厚度5~10m；下部粉質(zhì)黏土，具水平微層理，5~10m；底部為黏土層。

圖1 研究區(qū)概念模型

表1 透水鋪裝層填料情況

3.2 模型參數(shù)取值

3.2.1 參數(shù)基礎(chǔ)值選取

模型網(wǎng)格剖分平面上的網(wǎng)格間距為100m×100m，根據(jù)地層情況確定垂直方向的間距。

透水鋪張層的水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)實驗確定，模擬區(qū)初始水位根據(jù)2016年3月各層監(jiān)測孔觀測水位確定，模擬邊界根據(jù)模擬區(qū)1 000m附近的監(jiān)測孔觀測水位給定。地面沉降模擬應(yīng)力期2016年10月到2020年11月，時間間距為1個月。根據(jù)分析計算或是工程地質(zhì)分析時鉆孔中的土樣測試數(shù)據(jù)確定各層土體的各類初始參數(shù)。

3.2.2 模型識別

模型識別是通過反復(fù)調(diào)整參數(shù)，提高數(shù)值模型的精度，使模型的計算結(jié)果接近實際值。本次計算的主要參數(shù)是滲透系數(shù)、儲水系數(shù)、壓縮模量等。模型識別的初始流場選用2016年10月的統(tǒng)測水位，擬合檢驗以2018年7月的流場、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，調(diào)整參數(shù)得識別后的土體參數(shù)見表2。

表2 識別后的各層土體參數(shù)表

3.3.3 海綿城市滲蓄水風(fēng)險數(shù)值模擬

此次用于海綿城市滲蓄水風(fēng)險數(shù)值模擬的預(yù)測方法是基于Terzaghi固結(jié)理論和GMS軟件建立。模擬海綿城市不同降雨強度及降雨歷時、地下水主位補給量、地面沉降度。

根據(jù)模擬區(qū)的降雨特征，豐水期是7月份，基于7月份流場，通過改變降雨入滲補給量，模擬3種降雨模式（表3），計算土壓力的變化值，分析降雨對海綿城市滲蓄水風(fēng)險的影響如表4所示。

表3 3種降雨預(yù)測模式

表4 各層土體沉降比重統(tǒng)計表 單位：%

模擬海綿城市滲水所產(chǎn)生的沉降值。透水鋪張層在飽水情況下，表3中不同的3種降水模式釋放水量到蓄水之前的潛水面，土體沉降的變化值如表5所示。模擬海綿城市滲蓄水交替3次，所產(chǎn)生的沉降值如表6所示。

表5 各層土體沉降比重統(tǒng)計表 單位：%

表6 各層土體沉降比重統(tǒng)計表 單位：%

4 模擬結(jié)論分析

在GMS軟件計算地下水流場的基礎(chǔ)上，采用水動力-力學(xué)耦合模型，以海綿城市的滲蓄性對地下水動態(tài)的影響，模擬計算了土體沉降值，具體結(jié)論如下。

1）在模擬降雨情況下，海綿體在蓄水狀態(tài)時土體呈現(xiàn)上浮狀態(tài)。降雨量小，降雨歷時長時，下部地層的上部粉砂土變形值最大達(dá)到 30.5%；當(dāng)降雨歷時增大，強度增強時，中部細(xì)砂土變形值最大達(dá)到29.9%。

2）海綿城市滲水時，釋放水量回到蓄水之前的潛水面，土體呈壓縮狀態(tài)。下層土體的變化值都較大，中部細(xì)砂土變形值最大達(dá)到 32.9%。

3）海綿城市在歷經(jīng)滲蓄水交替3次，整個鋪張層及下層土體都發(fā)生了較大沉降，在滲蓄水頻繁交替時對土體的破壞力最大，其中沉降最大的是中部細(xì)砂層達(dá)29%。

以上研究表明，透水鋪張層和下墊層一定要考慮到滲蓄水的風(fēng)險性，必須經(jīng)過預(yù)測與評價使沉降值控制在不產(chǎn)生破壞的范圍內(nèi)。下墊層的土體不符合海綿體滲蓄水功能性要求時，需采取措施加固。