乌鲁木齐市轨道交通2号线抗浮设防水位研究

2017-04-13陈立，方静

地下水 2017年4期

关键词：抗浮变幅乌鲁木齐市

陈立，方静

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆乌鲁木齐 830091)

乌鲁木齐市轨道交通2号线抗浮设防水位研究

陈立，方静

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆乌鲁木齐 830091)

本文在对乌鲁木齐轨道交通2号线地质条件分析的基础上，结合以往研究工作和野外实地调查，对研究区抗浮水位的设计进行详细分析，并通过数值模拟法计算预测百年一遇洪水工况下轨道交通2号线地下水水位的上升幅度和趋势，最终确定乌鲁木齐市城市轨道交通2号线一期工程抗浮设防水位的合理建议值。进而可以解决百年一遇洪水情况下的乌市轨道交通2号线抗浮设防与防渗水位问题，并提出相应的成果，满足工程设计的要求。

水文地质条件；数值模拟；抗浮设防水位；轨道交通；乌鲁木齐

随着我国经济的高速发展、地下空间建设理论和技术的不断完善，城市地下空间利用程度逐渐增大。伴随着建筑物基础砌置深度的不断加深，抗浮问题越来越多，在施工期间地下水会很大程度地影响地下结构的建设，在竣工后也会对结构物产生不同程度地影响，所以要确保结构物达到抗浮要求[1-2]。因此，本文在对乌鲁木齐轨道交通2号线地质条件分析的基础上，结合以往研究工作和野外实地调查[3-5]，对研究区抗浮水位的设计进行详细分析，并通过数值模拟法计算预测百年一遇洪水工况下轨道交通2号线地下水水位的上升幅度和趋势，最终确定乌鲁木齐市城市轨道交通2号线一期工程抗浮设防水位的合理建议值。

1 研究区概况

1.1 交通位置

轨道交通2号线位于新疆乌鲁木齐市区，线路布置总体呈东南-西北向，沿线交通便利。地势总体南高北低，东高西低，平均海拔800 m。区内主要的地貌类型包括带状斜地、河谷低地、圆顶低中山、山间缓倾斜砾质平原和岗状砾质台地。

1.2 地层岩性与地质构造

研究区大部分地区被第四系覆盖，在隆起地带，古生界至新生界地层均有出露。其中古生界主要为二叠系，中生界包括三叠系、侏罗系和白垩系。

研究区地处天山—兴安地槽区西段，位于准噶尔—北天山褶皱系的北天山地槽褶皱带中部，地跨该褶皱带的博格达复背斜和乌鲁木齐山前凹陷两个三级构造单元。

研究区断裂形变强烈，其性质、规模、分布均明显受构造运动的控制，其共同特点主要是：走向基本为北东、北东东向；断裂与褶皱构造紧密相伴，多发育其翼部，与褶皱轴向相一致。其中对区内地质、水文地质影响较大的断裂有雅马里克断裂带、西山断裂、八钢—石化断层、九家湾断层组分支断层。

1.3 水文地质条件

研究区位于乌拉泊洼地南部乌鲁木齐河谷段，主要接受来自仓房沟及两侧各条主沟的侧向径流补给，在堆积的松散砂砾石、卵砾石层中形成松散岩类孔隙水，由卡子湾及植物园一带的出山口向下游侧向径流排泄；河谷两侧的山区降雨充沛，在褶皱断裂及裂隙发育地段形成碎屑岩类裂隙孔隙水及基岩裂隙水，以泉或地下径流侧向注入河谷的方式排泄。

2 抗浮设防水位分析

依据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》、《岩土工程勘察规范》、《高层建筑岩土工程勘察规程》等相关规范，结合乌鲁木齐市轨道交通2号线初步勘察成果(主要采用各站点及站点区间沿地铁线剖面的水位及地层数据)、现状年水位观测资料、水位年变幅和三维流数值模拟计算的预测水位变幅值(考虑百年一遇洪水、降水入渗、地下水侧向补给、地表水渗漏、地下水开采、绿化灌溉及地下工程建设对地下水位的影响等因素)等因素，并取安全系数1.2来确定抗浮设防水位。如公式1所示。

h抗=h枯+(Δh年+Δh预)×1.2

(1)

式中：h抗为抗浮设防水位(m)；h枯为年内最低水位(m)；△h年为水位年变幅(m)；△h预为数值模型预测最大水位变幅(m)，包括洪水引发的水位变幅及降水增加引发的水位变幅。

3 抗浮设防水位要素计算

3.1 最低水位的确定

根据地下水动态监测资料及收集的多年动态监测资料，确定勘察期间最低水位，有多年动态监测资料的采用多年动态监测资料的枯水期水位，没有多年动态监测资料的采用勘查期内最低水位。

3.2 水位年变幅

本次研究分别采用监测期内动态曲线比拟法和多年动态曲线比拟法两种方法确定了地下水的年变幅，为抗浮设防水位的确定提供依据。

3.3 预测水位变幅

在系统分析研究区地质、水文地质条件的基础上，对实际的地质体进行科学的概化，利用三维地下水数值模拟软件Processing MODLFOW建立了研究区的数值模型，并对模型并进行求解。同时，利用研究区已有的观测孔长观资料及水均衡项资料对建立的模型进行了率定。利用率定后的模型在现状条件下，根据研究区内百年一遇洪水的条件下，对研究区内地下水进行了情景模拟与预测。

3.3.1 含水层的结构概化

将计算区含水层概化为两层，第一层为第四系松散岩类孔隙潜水含水层以及基岩风化层，含水层岩性主要为砂卵砾石、砂砾石、含土砂砾石以及风化基岩；第二层为砂岩。根据实际的需要可把含水系统概化多孔介质为非均质、各向同性介质，空间上有二层地质体构成的地下水含水系统:上部为浅层潜水含水层和中层强风化泥岩砂岩，下部为砂岩构成的孔隙-裂隙水含水层。

3.3.2 地下水流系统特征

地下水含水空间为第四系松散岩类的孔隙、碎屑岩类裂隙孔隙，孔隙、裂隙分布连续，呈渐进式变化，孔隙、裂隙中的地下水流动状态为层流,符合达西定律，计算区地下水流态概化为三维非稳定层流。

3.3.3 模型边界条件特征

乌鲁木齐河谷的东部和西部其外部环境均为基岩山区，可作为地下水模拟的东、西部边界。除来自西山及东山方向的侧向径流补给概化为二类流量边界，其余地段概化为二类零流量边界。地下水由南向北流动，南部和北部边界以有钻孔控制的断面为边界，概化为二类流量边界。垂向边界，把潜水水面作为模型的上边界，通过该边界地下水流系统与外界发生垂向水量交换，如接受降水入渗补给、潜水蒸发、田间灌溉回归水补给等，地下水排泄以开采及部分地区的潜水蒸发为主。

3.3.4 数学模型

根据计算区水文地质概念模型，对应的数学模型选用二层非均质各向同性三维非稳定流数值模型。

3.3.5 模型前处理

对计算区在空间上的离散包括平面上的网格剖分和垂向上的分层。平面上采用等间距矩形网格进行剖分，采用等间距有限差分的离散方法，在地下水模型中进行自动剖分，剖分网格间距为200×200，每个单元面积0.04 km2。垂向剖分2层，模型计算区单元总数为120×80×2=19 200个，模型计算区有效单元数为3 965×2=7 930个，有效模拟面积为158.63 km2。

研究区内长观资料的观测井共52眼，根据本次工作地下水统测资料绘制地下水等水位线，作为初始流场，对每一个单元赋初始水位值。

3.3.6 模型的识别与验证

选择2015年2月到2015年7月(共6个时段)进行模型的识别。

地下水计算水位与实测水位误差统计表明，水位拟合误差小于0.5m的结点占已知水位结点数的85%以上，计算水位与实测水位等值线的整体拟和程度良好。

3.3.7 预测条件下的地下水补排变化

在现状年(2015年)的基础上，通过对历史降水进行分析，包括历史降水量，确定在非洪水工况下规划期间由于降水增加下渗可能引发的地下水位上升及对百年一遇降水量进行预测，增加百年一遇洪水条件下的侧向径流量及渠系入渗补给量，最终确定百年一遇工况下的地下水的补给增加量。在预测最高水位年，对模拟计算区的地下水水位进行预测。

4 抗浮设防水位及防渗水位的确定

根据上述抗浮水位的确定原则，以地下水长期观测资料为基础，结合乌鲁木齐市轨道交通2号线一期工程岩土工程初步勘察报告期间的地下水位埋深，考虑地貌单元、含水层特征等因素对站点进行综合分析，最终以长期观测资料中历史最高水位为基础，结合工程重要性、降水入渗、地下水侧向补给、百年一遇洪水对地下水的影响、地下水年变幅、绿化灌溉及地下工程建设等因素通过三维流数值模拟计算来预测场区远期最高水位，最终，作为乌鲁木齐市城市轨道交通2号线一期工程的抗浮设防水位。