地鐵沿線地下水壅高規(guī)律及其對(duì)極端降雨事件的響應(yīng)

王鑫, 潘明浩, 李虎, 左銳*, 徐東輝, 何柱錕, 武子一, 徐云翔

(1.山東軌道交通工程咨詢有限公司, 濟(jì)南 250014; 2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院, 北京 100875;3.地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心, 北京 100875; 4.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司, 濟(jì)南 250014)

保證城市可持續(xù)發(fā)展需合理開(kāi)發(fā)利用地下空間。地下空間開(kāi)發(fā)勢(shì)必對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生擾動(dòng)[1],隨著中國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)快速發(fā)展,該現(xiàn)象愈發(fā)受到關(guān)注[2]。當(dāng)?shù)罔F工程構(gòu)筑物侵入地下水含水層時(shí),將對(duì)地下水滲流產(chǎn)生阻礙[3-4],導(dǎo)致地鐵沿線一定范圍內(nèi)地下水位壅高[5],進(jìn)而可能引發(fā)地下水循環(huán)更新減緩、淺基礎(chǔ)建筑物地基承載力下降等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[6-8]。同時(shí),如鄭州“7·20”暴雨等降雨事件除影響巖土穩(wěn)定性[9],還可能改變區(qū)域地下水補(bǔ)、排動(dòng)態(tài),增加地下空間開(kāi)發(fā)的水文地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。因此,在全球極端氣候現(xiàn)象愈加頻發(fā)的現(xiàn)實(shí)背景下,探究地下水壅高現(xiàn)象對(duì)極端降雨事件的響應(yīng),亦是落實(shí)城市地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

針對(duì)地下空間工程引發(fā)的地下水壅高現(xiàn)象,Pujades等[4]較早通過(guò)數(shù)值模擬分析地下工程對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境的擾動(dòng),發(fā)現(xiàn)工程構(gòu)筑物的存在將使地下水位、流向等要素改變,并將此類影響定義為構(gòu)筑物“阻擋效應(yīng)”。Shin等[10]、De Caro等[11]借助數(shù)值模擬手段,在不同地區(qū)均發(fā)現(xiàn)地鐵工程構(gòu)筑物對(duì)地下水位的影響。熊志濤等[12]在對(duì)武漢地鐵3號(hào)線產(chǎn)生的地下水流場(chǎng)影響進(jìn)行分析時(shí),發(fā)現(xiàn)地下水壅高與地鐵走向-地下水流向存在相關(guān)性。趙瑞等[8]、成璐等[13]、高詠等[14]樣通過(guò)數(shù)值模擬手段發(fā)現(xiàn)地下水壅高與地鐵走向-地下水流向夾角存在一定正相關(guān)關(guān)系,但就短期極端降雨事件出現(xiàn)時(shí)地下水動(dòng)態(tài)劇烈波動(dòng)對(duì)地鐵沿線地下水壅高現(xiàn)象的影響而言,目前中外相關(guān)研究尚未涉及。

地下水是關(guān)乎地鐵隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定性與安全風(fēng)險(xiǎn)的重要因素之一[15]。作為降水季節(jié)性顯著、大氣降水補(bǔ)給與地下水動(dòng)態(tài)聯(lián)系密切的地區(qū),濟(jì)南市對(duì)地鐵工程規(guī)劃、地下水保護(hù)已開(kāi)展了較廣泛研究,周寧[16]在濟(jì)南地鐵規(guī)劃初期便建立了濟(jì)南泉域水文地質(zhì)模型,對(duì)地鐵建設(shè)的適宜范圍、底板埋深條件進(jìn)行評(píng)價(jià)。郭紅梅[17]、龐煒等[18]通過(guò)數(shù)值模型預(yù)測(cè)了地鐵施工階段泉流量變化、地下水位動(dòng)態(tài)。Sun等[19]、Wang等[20]在分析地鐵建設(shè)對(duì)濟(jì)南區(qū)域地下水系統(tǒng)的影響時(shí)提出,地鐵工程對(duì)地下水的阻擋壅高將成為關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)。

濟(jì)南軌道交通4號(hào)線作為與該地區(qū)地下水流向交互關(guān)系較為明顯的地鐵線路,對(duì)于分析地鐵沿線地下水壅高規(guī)律具有典型代表性。為定性、定量探究濟(jì)南地下城市軌道交通建設(shè)的地下水壅高風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)預(yù)測(cè)地鐵沿線壅水現(xiàn)象在極端降雨事件影響下與正常情景的異同,以濟(jì)南地鐵4號(hào)線在濟(jì)南西部的典型區(qū)段為例,通過(guò)數(shù)值模型刻畫(huà)、分析該線路典型區(qū)段沿線的地下水壅高規(guī)律,并設(shè)置極端降雨事件情景進(jìn)行對(duì)比分析,以期為濟(jì)南地鐵工程建設(shè)規(guī)劃及風(fēng)險(xiǎn)管控提供科學(xué)參考,并對(duì)短期極端降雨事件影響下的地下水壅高形成突破性認(rèn)識(shí)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

濟(jì)南市為山東省省會(huì),位于山東省中西部,地處黃河中下游地區(qū),年均氣溫13.6 ℃,多年平均降水量647 mm。受地形及氣候條件影響,濟(jì)南市年內(nèi)降水具有顯著季節(jié)性,降水集中于6—9月,夏季降水量約占全年降水量的77.34%。降水在空間上分配亦有差異,南部山區(qū)年均降水量大于北部平原[21]。

濟(jì)南市西部、北部的黃河沖積平原為地下水主要排泄區(qū),南部低山丘陵為地下水直接補(bǔ)給區(qū)[22],該地區(qū)地下含水巖組類型主要?jiǎng)澐譃樗缮r類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水、碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙水、變質(zhì)巖及巖漿巖裂隙水,各類型含水巖組富水性的空間變異性較強(qiáng)。研究區(qū)地下水徑流方向總體自南向北,主要排泄方式為向小清河、玉符河等地表河流排泄。小清河是黃河流域山東省中部渤海水系河流,位于黃河以南,源起濟(jì)南市槐蔭區(qū),流向自南向北,主要流經(jīng)濟(jì)南泉域中部山區(qū)和北部城區(qū),是濟(jì)南市中心城唯一排水水道[23]。小清河水系以西的玉符河為黃河水系在濟(jì)南市域中流域面積最大的河流,發(fā)源于歷城區(qū)以南的南部山區(qū),全長(zhǎng)70.2 km,流域面積751.3 km2,其中平原區(qū)河段長(zhǎng)26.2 km,其上游河段與地下水水力聯(lián)系密切,存在強(qiáng)滲漏帶[24],而在下游平原河段則距滲漏帶較遠(yuǎn)。

為有效改善城市交通環(huán)境,濟(jì)南市(圖1)對(duì)城市軌道交通建設(shè)做出二期規(guī)劃,擬建6個(gè)城市軌道交通項(xiàng)目,其中的地鐵4號(hào)線為貫穿濟(jì)南市主城區(qū)的東西向骨干線,全長(zhǎng)約40.2 km,全線采用地下敷設(shè)方式。地鐵4號(hào)線在千佛山斷裂以西的典型區(qū)段大部分位于黃河沖積平原上,區(qū)段內(nèi)共涉及11個(gè)站點(diǎn),總長(zhǎng)約16 km。該區(qū)段所在區(qū)域地下水類型主要為松散巖類孔隙水,含水層主要由砂土、粉土及粉質(zhì)黏土組成,平均厚度約20 m,單井涌水量大于100 m3/d,越靠近西側(cè)富水性越強(qiáng)。該區(qū)段地下敷設(shè)路段穿越含水層6～10 m,且地鐵走向與地下水流向夾角較大,存在一定地下水壅高風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 濟(jì)南市地圖Fig.1 Map of Jinan City

1.2 水文地質(zhì)概念模型

針對(duì)地鐵沿線一定范圍內(nèi)的地下水壅高風(fēng)險(xiǎn),研究主要根據(jù)濟(jì)南市水文地質(zhì)條件及研究區(qū)實(shí)際情況,參考濟(jì)南泉域已有相關(guān)研究進(jìn)行概化[25]。由于研究區(qū)內(nèi)不涉及地表水重點(diǎn)滲漏帶,故來(lái)自南部山區(qū)的地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給、大氣降水補(bǔ)給是主要的地下水補(bǔ)給來(lái)源。同時(shí),雖然泉水排泄是濟(jì)南市巖溶地下水的主要排泄方式之一,但在千佛山斷裂以西的研究區(qū)范圍內(nèi)巖溶含水層分布有限,故研究區(qū)內(nèi)地表河流為地下水主要排泄途徑。因此,在水文地質(zhì)概念模型中,研究區(qū)北部以小清河為河流界,西部以玉符河為河流界,南部以山區(qū)山前帶為流量邊界,東部以千佛山斷裂為導(dǎo)水邊界,模型的東西最長(zhǎng)距離約為17.7 km、南北最長(zhǎng)距離約為10.37 km,面積約為100.66 km2。

圖2為研究區(qū)范圍及含水層結(jié)構(gòu)概化示意圖,根據(jù)地鐵沿線相關(guān)勘察鉆孔資料,將涉及的地下水含水層概化為三層結(jié)構(gòu),第一層主要由第四系上更新統(tǒng)松散巖類孔隙水含水層組成,為研究涉及的地鐵工程構(gòu)筑物侵入影響的主要層位,含水介質(zhì)概化為非均質(zhì)各向同性,地下水流概化為三維非穩(wěn)定流;第二層主要由相對(duì)弱透水的越流層與南部巖溶含水層組成,其中越流層分布于第一層第四系松散巖類孔隙水層底板以下,巖溶含水層則主要分布于研究區(qū)東南端至玉符河一帶,以使模型中玉符河一帶孔隙水與巖溶水之間具有密切水力聯(lián)系,符合研究區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)特征;第三層為巖溶含水層,地下水流概化為三維非穩(wěn)定流。

圖2 研究區(qū)范圍及含水層結(jié)構(gòu)概化示意圖Fig.2 Schematic diagram of the study area scope and the conceptualization of aquifer structure

就邊界條件而言,研究區(qū)北側(cè)的小清河為地下水排泄邊界,由于第四系松散巖類孔隙水含水層以下存在越流層,故在本研究中概化為三類邊界,根據(jù)水文資料賦值為動(dòng)態(tài)水頭標(biāo)高;研究區(qū)西側(cè)玉符河河段孔隙水與巖溶水含水層水力聯(lián)系密切,在概念模型中概化為一類邊界;山前帶是濟(jì)南市南部丘陵山區(qū)地下水向中部山前平原補(bǔ)給的重要紐帶,將南部山前帶概化為第二類流量邊界,邊界水流通量賦值范圍為0.004～0.02 m/d;地鐵4號(hào)線穿越千佛山斷裂,斷裂面傾向南西,傾角 60°～80°,在第四系含水層中可視為導(dǎo)水邊界,故概化為二類流量邊界。

根據(jù)濟(jì)南市水文地質(zhì)資料,研究區(qū)地下水水位埋深大部分超過(guò)5 m,蒸發(fā)作用微弱。大氣降水入滲補(bǔ)給為研究區(qū)內(nèi)重要的地下水補(bǔ)給來(lái)源,將其概化為模型中的主要源匯項(xiàng),圖3為研究區(qū)大氣降水入滲概化,根據(jù)研究區(qū)內(nèi)土地利用類型進(jìn)行降水入滲系數(shù)的參數(shù)分區(qū),分別劃分為城市建設(shè)用地、城建空地、農(nóng)田、山地及城市綠地,降水入滲系數(shù)取值分別為0.05、0.10、0.09、0.20、0.18。

圖3 模型降水入滲分區(qū)Fig.3 Precipitation infiltration zoning of the model

1.3 數(shù)學(xué)模型

不考慮水的密度變化,根據(jù)前述對(duì)水文地質(zhì)條件的概化,建立含水層三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型為

(1)

式(1)中:Kxx、Kyy、Kzz分別為滲透系數(shù)在x、y、z方向上的分量,m/d;H為含水層水位標(biāo)高,m;B為潛水含水層底板高程,m;W為源匯項(xiàng);D為研究區(qū)范圍;t為時(shí)間;μ為潛水含水層給水度;Γ1為第一類Dirichlet邊界;Γ2為第二類Neumann邊界;q為邊界流量,m/d;Γ3為第三類邊界條件;q′為邊界側(cè)向流入/流出量,m/d;n為邊界面法線方向;H0(x,y,z)為初始地下水位,m。

1.4 包含地鐵工程構(gòu)筑物的數(shù)值模型

采用FEFLOW數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模型的構(gòu)建,該軟件可實(shí)現(xiàn)完全三維的飽和-非飽和數(shù)值模擬[26]。基于對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件的概化,根據(jù)收集到的141孔鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)。首先,模型重點(diǎn)針對(duì)軌道交通4號(hào)線沿線單元格進(jìn)行加密剖分,以優(yōu)化模型對(duì)地鐵工程結(jié)構(gòu)的刻畫(huà)流程與精度,經(jīng)加密剖分后,軌道交通4號(hào)線沿線區(qū)域內(nèi)水平網(wǎng)格剖分精度最高可達(dá)邊長(zhǎng)約15 m,每層共有11 305個(gè)單元格、5 742個(gè)結(jié)點(diǎn)。

為將線狀的地鐵工程構(gòu)筑物形態(tài)刻畫(huà)進(jìn)入模型,首先在水平網(wǎng)格剖分基礎(chǔ)上構(gòu)建未包含地鐵工程構(gòu)筑物的三維含水層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模型,而后另建立一工程文件,并基于同一水平網(wǎng)格剖分結(jié)果導(dǎo)入地鐵沿線構(gòu)筑物的頂?shù)装甯叱?坐標(biāo)數(shù)據(jù),通過(guò)反距離加權(quán)插值法將地鐵工程由線狀構(gòu)型插值擴(kuò)展為面狀層構(gòu)型,由此得到地鐵工程層位的三維基礎(chǔ)模型;對(duì)比兩基礎(chǔ)模型的相對(duì)位置關(guān)系,將地鐵工程層位高程數(shù)據(jù)插入含水層結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)位置處,得到包含地鐵工程層位的地下水流場(chǎng)模型高程賦值數(shù)據(jù)并建立三維模型,此時(shí),由于含水層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模型、地鐵工程層位模型處于同一水平網(wǎng)格剖分下,故可實(shí)現(xiàn)相同網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)快速對(duì)應(yīng)。此后,選定地鐵工程單元格,將滲透系數(shù)、給水度、孔隙度等含水層介質(zhì)參數(shù)均分別設(shè)置為極小以代表不透水的地鐵工程構(gòu)筑物(圖4),即實(shí)現(xiàn)基于傳統(tǒng)網(wǎng)格剖分方法構(gòu)建包含地鐵工程構(gòu)筑物的數(shù)值模型。

作為模型主要源匯項(xiàng),大氣降水入滲補(bǔ)給是設(shè)置極端降雨情景的關(guān)鍵要素。為避免因單一水文年降水情況特殊性帶來(lái)的誤差,基于收集到的符合研究區(qū)范圍且有連續(xù)完整降水資料的東紅廟、燕子山、劉家莊等雨量站的逐日降水量平均數(shù)據(jù)在模型中進(jìn)行降水入滲補(bǔ)給的賦值輸入,在降水參數(shù)分區(qū)基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)測(cè)降水量乘以各分區(qū)入滲系數(shù),計(jì)算得到各分區(qū)降水入滲補(bǔ)給輸入值,在模型內(nèi)進(jìn)行降水入滲補(bǔ)給輸入。圖5為根據(jù)實(shí)測(cè)資料獲取的正常降雨條件下模型各應(yīng)力期輸入降水量。

1.5 模型識(shí)別與校正

模型以2020年濟(jì)南地鐵4號(hào)線建設(shè)區(qū)域4個(gè)井(#9、#10、#11及#13)的地下水位監(jiān)測(cè)資料為基準(zhǔn),將各層為滲透系數(shù)、給水度等劃分為若干參數(shù)分區(qū),確定各分區(qū)參數(shù)浮動(dòng)范圍,通過(guò)預(yù)估-校正法、試錯(cuò)法調(diào)整相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù),進(jìn)行參數(shù)的擬合校正。模型以7 d為應(yīng)力期,分為52個(gè)應(yīng)力期。

4個(gè)觀測(cè)井在驗(yàn)證時(shí)段內(nèi)降深小于5 m,當(dāng)至少70%應(yīng)力期滿足模擬與實(shí)際水位的絕對(duì)誤差小于0.5 m時(shí)即認(rèn)為符合精度要求。圖6為各觀測(cè)井的模擬水位-觀測(cè)水位對(duì)比,經(jīng)統(tǒng)計(jì),4個(gè)觀測(cè)井中符合模擬精度要求的應(yīng)力期數(shù)量占應(yīng)力期數(shù)量的比例分別為82%、84%、94%、90%,模型整體擬合度為87.5%,即多數(shù)模擬水位與觀測(cè)水位吻合,可有效反映補(bǔ)給、排泄條件下的地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律及動(dòng)態(tài)變化特征,可作為研究區(qū)段沿線地下水壅高問(wèn)題的分析依據(jù)。模型各層參數(shù)分區(qū)和#9 ～ #13位置、各層水文地質(zhì)參數(shù)分別圖7、表1所示。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

K1～K4為參數(shù)分區(qū)編號(hào)

2 結(jié)果與討論

2.1 地下水流場(chǎng)-地鐵工程交互關(guān)系

基于參數(shù)識(shí)別校正后的模型預(yù)測(cè)濟(jì)南地鐵4號(hào)線典型區(qū)段對(duì)研究區(qū)地下水流場(chǎng)的影響,圖8為模擬期初始時(shí)刻的研究區(qū)地下水流場(chǎng)。從模擬結(jié)果(圖8)可以看出,研究區(qū)地下水整體上由南部山區(qū)流向北部小清河、玉符河等排泄邊界,研究區(qū)內(nèi)初始地下水頭最高點(diǎn)位于研究區(qū)東南端千佛山附近,最低點(diǎn)位于小清河沿岸平原區(qū)。研究區(qū)東南部山區(qū)松散巖類孔隙水含水層厚度相對(duì)較小,北部、西部則主要為平原區(qū),含水層分布相對(duì)較厚。

圖8 模擬地下水初始流場(chǎng)Fig.8 Simulated initial groundwater flow field

地鐵4號(hào)線不同區(qū)段與地下水流場(chǎng)的交互關(guān)系存在差異。研究區(qū)東部的省體育中心站至市立五院站區(qū)段地鐵走向與地下水流向呈銳角(約40°),含水層厚度相對(duì)較小,地鐵工程侵入含水層比例相對(duì)較大。由該區(qū)段往西,地鐵走向與地下水流向夾角增大約為45°,阻水面積有所增大,該區(qū)段屬于山地向平原的過(guò)渡地帶,地鐵工程侵入含水層比例減小。在大楊站-臘山站一帶,地鐵走向與地下水流向夾角明顯增大,地鐵走向與地下水流向夾角接近70°,地鐵工程對(duì)地下水徑流的阻礙作用逐漸增強(qiáng),但同時(shí)含水層厚度進(jìn)一步增大。地鐵4號(hào)線典型區(qū)段中的大楊站-青島路站約3.6 km為南北向區(qū)段,與地下水流向夾角較小。此外,青島路站-小高莊站相距約1.4 km,該區(qū)段接近小清河邊界,地鐵走向與地下水流向呈垂直相交,阻水面積最大。總體上,研究區(qū)內(nèi)含水層厚度自東南部山區(qū)向西部平原區(qū)增大,而后在臘山站以西有所減小;地鐵4號(hào)線典型區(qū)段,除南北走向的一段外,其余區(qū)段地鐵與地下水流向相交角度自東向西逐漸增大。

2.2 由地鐵工程引發(fā)的地下水壅高規(guī)律

以地鐵4號(hào)線典型區(qū)段沿線各車站為觀測(cè)點(diǎn),選取模擬結(jié)束時(shí)的地下水水頭穩(wěn)定值,對(duì)比未設(shè)置地鐵4號(hào)線的地下水流模型中對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)的模擬結(jié)果,計(jì)算得到各站點(diǎn)地下水壅高值如表2所示。

表2 地鐵沿線地下水位壅高結(jié)果

由表2可知,地鐵4號(hào)線典型區(qū)段沿線各站點(diǎn)附近地下水壅高值范圍為12.942～24.839 cm,壅高大致規(guī)律可概括為:大楊站-省體育中心站這一東西向區(qū)段內(nèi),地下水壅高值由西向東逐漸減小,中間略有起伏,但整體規(guī)律保持一致;青島路站-大楊站這一南北向區(qū)段內(nèi),地下水壅高值由北向南逐漸增大。研究區(qū)段沿線的中、西部區(qū)域較其東部區(qū)域的地下水壅高幅度整體更大,例如,小高莊站-段店站區(qū)段內(nèi)地下水壅高值相比其東側(cè)的其余區(qū)段平均高出38.6%。圖9為地鐵建成前后研究區(qū)地下水流場(chǎng)對(duì)比,可以看出,不論地鐵存在與否,研究區(qū)地下水均由南部山區(qū)向北部平原區(qū)流動(dòng),地下水流整體上為東南-西北流向,表明濟(jì)南地鐵4號(hào)線研究區(qū)段未對(duì)研究區(qū)地下水流場(chǎng)的整體流向產(chǎn)生明顯擾動(dòng)。

圖9 地鐵工程影響前后地下水流場(chǎng)對(duì)比圖Fig.9 Groundwater flow field before and after the impact of the metro project

結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件、地鐵工程情況及地下水壅高模擬結(jié)果分析,影響地鐵沿線地下水壅高大小的主要因素包括:地下水流向與地鐵走向之間的夾角、含水層厚度。其中,地下水流向與地鐵走向之間的夾角為主導(dǎo)因素,對(duì)地下水位壅高大小的影響程度最為明顯:緯十二路站-市立五院站區(qū)段的地鐵-地下水流向夾角相比其東側(cè)的省體育中心站-緯十二路站區(qū)段增大約5°,阻擋地下水流的斷面面積隨之增大,在水文地質(zhì)參數(shù)一致的情況下,即使其占含水層厚度的比例相比省體育中心站-緯十二路站區(qū)段更小,該區(qū)段內(nèi)的地下水壅高值仍比省體育中心站-緯十二路站區(qū)段平均更大。同樣地,地下水由南部山區(qū)向北流動(dòng)過(guò)程中,雖然大楊站-段店站區(qū)段的含水層厚度較大,地鐵在其中所占厚度比例相對(duì)較小,但由于該區(qū)段內(nèi)地鐵-地下水流向夾角相比東側(cè)省體育中心站-市立五院站區(qū)段更大,故引起的地下水壅高值相比東側(cè)區(qū)段平均更大。此外,由大楊站往北,南北向地鐵走向?qū)Φ叵滤畯搅髯钃踝饔脺p弱,但由于小高莊站-青島路站區(qū)段的地鐵走向與地下水流向呈完全垂直狀態(tài),對(duì)地下水徑流的阻擋效應(yīng)更為凸顯,且該區(qū)段接近北側(cè)小清河邊界,地下水水力梯度相對(duì)更大,故使得該區(qū)段迎水面南側(cè)至濟(jì)南西站附近仍維持了一定地下水壅高值。

地下水壅高幅度還受含水層厚度影響:臘山站、段店站區(qū)域含水層厚度相比其西側(cè)大楊站區(qū)域更大,根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知,厚度較大的含水層地下水壅高幅度相比厚度較小含水層的壅高幅度更小,這是由于厚度較大的含水層中,地鐵工程侵入所占含水層厚度的比例更小,因此在地鐵-地下水流向夾角近似、水文地質(zhì)參數(shù)一致的條件下,臘山站、段店站區(qū)域的地下水壅高值相比大楊站更小。以上表明,地鐵-地下水流向夾角、含水層厚度均是決定地鐵工程引發(fā)的地下水壅高幅度的關(guān)鍵因素,但地鐵-地下水流向夾角對(duì)地下水壅高的影響更為關(guān)鍵。

2.3 極端降雨情景下的地下水壅高

極端降雨情景除對(duì)市區(qū)道路、地鐵隧道等交通工程產(chǎn)生危害外[27],還將造成地下水補(bǔ)給排泄不平衡,進(jìn)而不同程度地影響原有的地下水流場(chǎng)狀態(tài)[28]。為彌補(bǔ)地下水壅高研究領(lǐng)域缺乏關(guān)注極端降雨事件影響這一不足,根據(jù)濟(jì)南市雨洪資料設(shè)計(jì)極端降雨事件:濟(jì)南市2007年“7·18”暴雨(重現(xiàn)期為百年一遇)市區(qū)平均降雨量為146 mm。

據(jù)此,在已構(gòu)建的正常情景模型基礎(chǔ)上將模型中8月份第35、36個(gè)應(yīng)力期的降雨強(qiáng)度增大50%(約150 mm),模擬計(jì)算當(dāng)極端降雨入滲引發(fā)地下水補(bǔ)給量增大時(shí)軌道交通4號(hào)線研究區(qū)段沿線的地下水頭值,對(duì)比極端降雨情景模型在未建成地鐵時(shí)的模擬結(jié)果,進(jìn)而計(jì)算此情景下的地下水壅高值。為保證模擬結(jié)果冗余度,故在本次極端降雨情景中設(shè)置了較長(zhǎng)的強(qiáng)降水時(shí)間。圖10為正常與極端降雨條件下輸入降水量對(duì)比,紅框指示區(qū)域代表降水量增大的第35、36應(yīng)力期。除降水量變化外,其余條件均保持一致。

紅框指示區(qū)域代表降水量增大的第35、36應(yīng)力期

基于極端降雨情景下的數(shù)值模型計(jì)算得到各站點(diǎn)區(qū)域地下水壅高值,表3、圖11分別為各觀測(cè)點(diǎn)地下水壅高值及其與正常降雨條件下壅高值的對(duì)比。在地鐵4號(hào)線典型區(qū)段沿線地下水壅高值范圍為18.364～34.033 cm,相比前述正常條件下的地下水壅高值增大2.351～9.194 cm。沿線各站點(diǎn)中,地下水壅高幅度最大仍為大楊站附近34.033 cm,最小仍為八一立交橋站附近18.364 cm。相比正常降雨情景,地鐵沿線地下水壅高值變化最大為大楊站處,增大9.194 cm;變化最小為小高莊站處,增大2.351 cm。

表3 極端降雨情景地下水壅高值及增量結(jié)果表

圖11 不同降雨情景下的地下水壅高值對(duì)比Fig.11 Comparison of groundwater rising value for different rainfall scenarios

整體上,極端降雨情景下,軌道交通4號(hào)線沿線的地下水壅高規(guī)律整體上仍與正常降雨情景保持一致,即東西向區(qū)段內(nèi)壅高值由東向西逐漸增大,南北向區(qū)段內(nèi)壅高值由南向北逐漸減小,但地鐵沿線各站點(diǎn)之間的差異有所增加且各不相同。由圖11可知,在極端降雨情景下地下水壅高值相比正常降雨條件的增量呈現(xiàn)出“南高北低”分布規(guī)律:相比位于研究區(qū)北部的小高莊站、青島路站、濟(jì)南西站區(qū)域,研究區(qū)南部的大楊站-經(jīng)七路西站區(qū)段地下水壅高值升高更明顯,其增量相比小高莊站-濟(jì)南西站區(qū)段增大約55.7%。這一規(guī)律出現(xiàn)的主要原因在于:相比小高莊站、青島路站、濟(jì)南西站區(qū)域,大楊站-經(jīng)七路西站區(qū)段更靠近南部山區(qū),降雨入滲系數(shù)較大的南部山區(qū)在極端降雨條件下獲得的地下水入滲補(bǔ)給量更大,且大楊站-經(jīng)七路西站區(qū)段為東西走向,對(duì)地下水徑流阻擋作用較強(qiáng),導(dǎo)致該區(qū)段對(duì)極端降雨較為敏感,地下水壅高值增量明顯大于研究區(qū)北部,而小高莊站及青島路站區(qū)域由于遠(yuǎn)離南部山區(qū)補(bǔ)給邊界,故壅水值增幅較小。針對(duì)大楊站-省體育中心站區(qū)段而言,由于大楊站-經(jīng)七路西站區(qū)段內(nèi)的地鐵-地下水流向夾角相比其東側(cè)更大,且東側(cè)緯十二路站-省體育中心站區(qū)域地鐵構(gòu)筑物并未完全處于地下水位以下,向構(gòu)筑物底部繞流的比例極有可能更大,故地鐵沿線地下水壅高值增幅最大區(qū)域集中于大楊站-經(jīng)七路西站一帶,研究區(qū)段最東側(cè)3個(gè)站點(diǎn)區(qū)域地下水壅高增量(平均5.615 cm)相較其西側(cè)路段更小,但仍大于研究區(qū)北部的小高莊站、青島路站區(qū)域。

3 結(jié)論

(1)濟(jì)南地鐵4號(hào)線典型區(qū)段與該區(qū)域地下水流場(chǎng)交互特征明顯且具有典型規(guī)律性,研究區(qū)內(nèi)含水層厚度自東南部山區(qū)向西部平原區(qū)增大,在臘山站以西有所減小。軌道交通4號(hào)線研究區(qū)段除南北走向的一段外,其余區(qū)段地鐵與地下水流向相交角度自東向西逐漸增大。

(2)通過(guò)優(yōu)化建模流程實(shí)現(xiàn)包含地鐵工程構(gòu)筑物的三維地下水流數(shù)值模型構(gòu)建。模擬預(yù)測(cè)結(jié)果表明,軌道交通4號(hào)線典型區(qū)段沿線地下水壅高值范圍為12.942～24.839 cm,沿線地下水壅高的大致規(guī)律為東西向區(qū)段內(nèi)地下水壅高值由西向東逐漸減小,南北向區(qū)段內(nèi)地下水壅高值由北向南逐漸增大。地鐵走向與地下水流向的夾角、含水層厚度均是決定地鐵工程引發(fā)的地下水壅高幅度的關(guān)鍵因素,但地鐵-地下水流向夾角對(duì)地下水壅高的影響更為關(guān)鍵,為主控因素。

(3)將模型第35、36個(gè)應(yīng)力期的降雨強(qiáng)度增大50%以模擬極端降雨事件對(duì)地鐵沿線地下水壅高的影響。模擬結(jié)果表明,極端降雨情景下研究區(qū)地下水流場(chǎng)并未發(fā)生顯著變化,整體地下水流向仍保持一致,僅在地鐵4號(hào)線沿線迎水面一定范圍內(nèi)造成地下水流場(chǎng)出現(xiàn)變化。沿線各站點(diǎn)附近地下水壅高值相比前述正常條件下的地下水壅高值增大2.351～9.194 cm,且越接近研究南側(cè)山區(qū)地下水補(bǔ)給帶,極端降雨事件影響越大。整體上可認(rèn)為短期極端降雨事件對(duì)地下水壅高并無(wú)較大影響。