軌道交通超大基坑區域抗浮水位動態分析

劉熙

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

0 引言

巖土項目勘測報告中，通常僅根據經驗給出勘測過程中地下水與地下水位變動區間，沒有現場實測數據，導致提供的抗浮水位不準確。本文通過大量現場實測數據以及對地形地貌的研究，結合數值模擬技術，深入探究地下水問題，結合項目實際情況科學設定抗浮水位。

1 工程案例及相關概況

1.1 工程概況

深圳市城市軌道交通某線車輛段位于光明區塘尾街道片區，茅洲河西側，馬角嶺路南側區域內。地塊南高北低，現狀為工業廠房及農田綠地，場區最高點為中部小山包頂，最低點為北側出入段線區，南北長1300m，東西寬430m，占地約38.5hm2。為實現區域路口平交、考慮生態的連續性，打通用地南側生態廊道，以及規劃部門初步設計審查意見“宜采取地下建設，地面覆綠方式”的要求，該車輛段擬采用下沉式方案，軌頂設計標高10.1m。

1.2 氣象水文

1.2.1 氣象

深圳市是典型的亞熱帶季風氣候，光照充足，降雨較多。天氣與降水量在不同季節，會出現顯著差異。冬天無低溫，夏季多降水，濕度大，存在冷暖與干濕季差別。體現出顯著的干涼同期、雨熱同季的特征。然而氣溫與降水量年度變動顯著，災害性天氣發生概率高。

1.2.2 水文

該車輛段附近地表水主要為河流及水庫水，河流主要為茅洲河及其支流鵝頸水、大凼水。茅洲河呈樹支狀發育，彎曲較多，加上流域內植被遭到毀壞，之前的草地被多種構筑物和馬路取代，具有洪水水位快速上漲、快速下滑的特征。與軌道交通線路相交的水庫有紅坳水庫、橫坑水庫、桂坑水庫、牛牯頭水庫、鵝頸水庫、碧眼水庫。

1.3 地形地貌

深圳市從整體上呈現為東南高、西北低的地勢特點，大多數是低山丘陵區，僅有很少的臺地，西部是平原地貌。梧桐山為高度最高的山，海拔達到943.7m。車輛段所處場地主要為沖積平原區及低臺地地貌，地形平坦，局部略有起伏，地面高程13.87～39.68m。場區最高點為中部小山丘頂，山頂最大高程39.68m，山丘面積約3.7 萬m2，最低點為北側出入段線區。

1.4 地層巖性

本車輛段主要揭露地層為第四系全新統人工填土（Q4ml），其下為第四系沖洪積層（Q4al+pl）的淤泥、淤泥質粉質黏土、泥炭質土、粉質黏土、粉細砂、中粗砂及礫砂層，基巖上部多為第四系殘積層（Qel）、坡積層（Q4dl）所覆蓋，下伏基巖為加里東期（ηγO1）片麻狀黑云母花崗巖。

2 區域地下水水位動態分析

2.1 地下水動態影響因素

在與環境相互作用下，地下水含水層水量、鹽量、熱量、能量收支不平衡必然導致含水層各要素隨時間的變化，即地下水動態的變化。綜合分析影響地下水系統的動態因素，可以將其分為兩大類，一類是自然因素，一類是人為因素。自然因素主要包括氣象、水文、地應力以及賦存地下水的地質地形條件等；人為因素主要包括人工開采或補給地下水。

（1）補給因素。從地下水獲取補給的角度，動態影響因素包括大氣降水和側向補給等。大氣降水對地下水補給是顯而易見的，尤其是對淺層地下水的補給。降雨量的多寡、降雨的方式、降雨的時長，此外地面植被生長狀況、地面坡度大小等都會在一定程度上作用于地下水補給[1]。

（2）排泄因素。從地下水排泄的角度，動態影響因素主要包括人工開采、蒸發等。深圳市地下水主要是作為戰略儲備水源，近年來，人工開采量非常有限。蒸發是地下水排泄的主要方式，特別是對于水位埋藏較淺的漸層地下水地區。蒸發影響地下水不僅僅表現在蒸發強度的大小上，更重要的是與包氣帶的厚度、包氣帶的巖性有著更為緊密的關系，包氣帶厚度大、水位埋藏深的地區，地下水不易以蒸發的方式進行排泄，包氣帶方面的影響將在徑流與儲藏因素中加以闡述。

（3）徑流與儲藏因素。從地下水徑流的角度，動態影響因素包括含水層性質、包氣帶性質、地形地貌等，含水層性質包括含水層的巖性、滲透性、弱透水層的巖性、連續性等方面。含水層性質雖然不如大氣降水、人工開采等因素對地下水產生的影響明顯，但也是影響地下水動態的特征的一個重要方面。包氣帶是大氣降水潛水蒸發的主要通道、因此包氣帶性質間接影響地下水動態特征，盡管包氣帶對地下水動態影響因素的影響是間接的，但其影響力度有時會遠遠大于某些直接因素。

（4）局部動態影響因素。從對局部地下水動態產生影響的角度，局部動態影響因素包括河流、湖泊、水庫等地表水體、溝渠等引水通道，另外還有地質構造發育情況、地震、海嘯等，亦會對局部地下水動態產生很大影響。

2.2 區域地下水水位變化特征

場地附近設有目前有3 口監測井，第一口監測井是JC-047、第二口監測井是JC-087、第三口監測井是JC-086。

JC-047 地下水類別是第4 系孔隙潛水，水位最高位置達到7.22m，產生時間是2020 年9 月24 日，水位最低位置是5.10m，出現日期為2020 年5 月6 日。依據地下水溫度和空氣溫度對照圖，地下水溫度變化區間是24.88～25.98℃，氣溫變動區間是8.7～32.3℃，地下水溫度變動不顯著，證明地下水處于較深位置，受氣溫的干擾十分有限。

JC-047 監測井最近5 年地下水位變化不大，5 年年平均水位高程在5.41～6.18m。豐水期平均水位高程在5.47～6.41m，枯水期平均水位高程在5.37～5.86m，其中2019 年豐枯水期水位差值較大，為0.55m，其他年份豐枯水期水位高程差值為0.10～0.21m。水位高程主要波動范圍為5.0～7.0m。JC-047 地下水水位動態曲線如圖1 所示。

圖1 JC-047 地下水水位動態曲線

JC-086 地下水類別是第4 系孔隙潛水，歷史上水位達到最高位是3.73m，產生時間是2020 年6 月1 日，水位最低位置是3.2m，出現日期為2020 年3 月6 日。依據地下水溫度和大氣溫度對照圖可知，地下水溫度通常在24.5～29.8℃變化，氣溫通常在8.7～32.1℃變化，地下水溫度和大氣溫度變動形態相同，證明地下水深度不深，地下水溫度在很大程度上受氣溫作用[2]。

JC-086 監測井近5 年地下水位變化不大，5 年年平均水位高程在3.09～3.39m。豐水期平均水位高程在3.12～3.51m，枯水期平均水位高程在3.12～3.30m，豐枯水期水位高程差值為-0.12～0.20m。水位高程波動主要范圍為2.5～3.6m。JC-086 地下水水位動態曲線如圖2所示。

圖2 JC-086 地下水水位動態曲線

JC-087 地下水類別是第4 系孔隙潛水，水位最高值是7.19m，產生時間是2020 年9 月16 日，水位最低值是6.20m，出現日期為2020 年2 月26 日。依據地下水溫度和大氣溫度對照圖可知，地下水溫度通常在21.90～27.20℃變化，氣溫通常在9.1～32.1℃變化，地下水溫度和大氣溫度變動形態相同，證明地下水深度不深，地下水溫度在很大程度上受氣溫作用[3]。

JC-087 監測井近5 年地下水位變化不大，5 年年平均水位高程在6.57～6.95m。豐水期與枯水期水位分別在6.55～7.07m、6.51～6.78m 波動，豐枯水期水位高程差值為-0.04～0.31m。水位高程波動主要范圍為6.0～7.5m。JC-087 地下水水位動態曲線如圖3 所示。

圖3 JC-087 地下水水位動態曲線

由上可知，深圳市茅洲河流域地下水類型是第4 系孔隙潛水與基巖裂縫水，為此地下水深度有很大差別，山區地下水深度較深，大多依托空氣降水補給，排泄一般是側向徑流與受熱蒸發，每年6—9 月通常水位較高，每年2—5 月通常水位較低。第4 系孔隙潛水地下水位通常在0.53～2.49m 變化，地下水溫度變動大多和空氣溫度變動相同；深層基層裂隙水通常深度很深，地下水位根據降雨量的變化而變化，溫度變動不顯著[4]。茅洲河流域地下水系統近6 年平均地下水位變化不大，未出現持續上升和下降的趨勢，監測點多年平均水位變化范圍在-0.32～0.86m。根據區域近6 年來地下水位觀測資料，12 月份地下水位與多年最高水位之差為0.16～1.43m。

通過對比車輛段和3 個長期觀測孔所屬的地形地貌類型、地層巖性、地下水類型和補徑排關系等，發現車輛段與3 個長期觀測孔的地質條件等具有較好的相似性，3 個長期觀測孔地下水位動態變化規律可以反映車輛段場地的地下水位動態規律[5]。

2.3 區域抗浮水位確定

通過運行模擬區地下水預測模型，在百年一遇降雨條件下，模擬區降水量在7—8 月月降雨量達到歷史最高值，地下水位普遍達到最高值，地下水位最高值時滲流場分布云圖如圖4 所示。

圖4 滲流場分布云圖

通過地下水滲流場模擬圖，結合場地地形地貌、地下水補給與排泄條件以及車輛段周邊規劃場坪高程，以及附近3 個長期觀測孔反映的地下水動態變化規律，周邊推算出的內澇水位等參數，即可推算出各地塊抗浮設防水位。抗浮設防水位如表1 所示。

3 結語

綜上所述，抗浮設防水位的取值至今尚未獲得較為統一的認識。地下水位的長期動態變化規律，是一個受氣象、水文、地質、城市規劃、城市用水政策及遠景規劃等因素綜合影響的隨機現象，試圖對其遠期動態變化規律進行預測，尚存在很多困難，然而地下水位的動態變化直接影響地下結構上的浮力大小，建立一種相對合理的地下水位預測模型具有重要的現實意義。將水文地質學、地下水動力學、理論土力學、非飽和土力學相結合，采用模型試驗、現場測試與數值分析相結合的手段，對建設場地進行滲流分析，對于合理確定軌道交通地下結構設防水位以及計算底板浮力大小具有重要意義。