常 翠，马 超，郑金城

(1.漳州科技职业学院，福建 漳州 363202；2.天津华北地质勘查局地质研究所，天津 300170)

1 模拟区概况

此次研究主要依托山西省太原市地下水资料，利用Visual MODFLOW软件建立地下水数值模型，对模拟区内的地下水水位进行预测，研究模拟区域内地下水位变化对建筑物地基基础的影响，从而为模拟区内建筑物设计中地基基础设计部分提供依据。

1.1 自然概况

模拟区位于山西省太原市盆地区，地理坐标为北纬37°36′～38°4′，东经112°19′～112°45′，包括市内六城区(即尖草坪区、杏花岭区、万柏林区、迎泽区、晋源区和小店区)，北起西高庄-青龙镇，南至潇河，东以东边山断裂为界，西以西边山断裂为界，总面积约736 km2，地形北高南低，东西两侧高中间低，山区向盆地阶梯下降，盆地内东、西两侧地形具明显不对称性[1]。属温带半干旱大陆性气候，平均降水量430.9 mm，地表河流均属黄河流域，汾河为纵贯全区的最大干流，对太原市地下水的补给影响较大。

1.2 水文地质概况

本区含水层主要为松散岩类孔隙水含水层和碳酸盐岩裂隙岩溶水含水层，其中松散岩类孔隙水含水层包括浅层(含水层底板埋深30～60 m)和深层(含水层底板埋深为50～350 m)的地下水。浅层地下水的主要补给来源为西部山区岩溶水和裂隙水的侧向径流补给及大气降水或地表水的渗漏补给(包括河、湖、渠的渗漏补给和农田灌溉回渗补给)；开采、蒸发及向中深层水的越流为其主要排泄途径，向区外侧排量甚微可忽略不计。中深层水的主要补给来源是上层越流和盆地周边的侧向补给，人工开采和侧向径流排泄为其排泄途径。岩溶水化学特征分带明显，从补给区-径流区-排泄区-滞流区，水温、矿化度、硬度逐渐增高，水化学类型由HCO3-HCO3·SO4-SO4顺序演化。

2 地下水数值模型建立

2.1 水文地质概念模型与边界条件的确定

综合研究模拟区内水文地质条件，从地下水流动系统的观点出发，同时考虑模拟区地下水开采利用现状及供水意义，将模拟区地下水含水层系统概化为三层结构、立体化的水文地质概念模型，从上至下，分别为浅层潜水含水层、中间弱透水层及中深层承压水含水层。由于自然因素、季节变化及人为开采地下水不均衡的影响，模拟区内地下水呈非稳定状态。模拟区含水层赋存介质均为第四系孔隙介质，概化为非均质各向同性介质；对地下水赋存条件进行系统分析的基础上，借鉴模拟区之前的研究成果，对模拟区水文地质参数进行分区，同一参数分区内含水层可视为均质各向同性，地下水流服从达西定律。根据模拟区内的地质、水文地质条件并结合潜水、承压水水动力场特征，将模拟区边界全部概化为流量边界(即二类边界)，其中东、西、北部边界为补给边界，南部以太原清徐交界线为界概化为排泄边界。利用模拟区域内长观孔的监测资料，将2017年5月1日地下水位值经插值计算得到潜水含水层和承压含水层的渗流场，将其作为地下水数值模型的初始流场。

2.2 模拟区地下水数学模型

根据模拟区水文地质概念模型，不考虑弱透水层释水，分别建立了浅层潜水和中深层承压水系统地下水数学模型，分别为：

浅层地下水(潜水)子系统：

中深层地下水(承压水)子系统：

采用向后差分法，迭代求解。

2.3 源汇项

2.3.1 补给项

研究区主要接受降水补给、侧向径流补给、河道渗漏补给、渠系渗漏补给、田间灌溉水入渗补给、井灌回归量及相邻含水层越流量。经过计算研究区降水入渗补给量为4 171.44万m3/a，潜水含水层侧向径流补给量为3 128.09万m3/a、承压含水层侧向径流补给量为2 776.46万m3/a，河道渗漏补给7 190.2万m3/a，东西干渠的渗漏量为1 744.53万m3/a，田间灌溉水入渗补给量为581.33万m3/a，井灌回归量为178.57万m3/a，越流量为6 184.78万m3/a。

在地下水流模拟模型中，把渠灌田间入渗补给量、井灌回归量转化成随应力期变化的面状补给强度。

2.3.2 排泄项

研究区排泄项主要包括潜水蒸发、侧向排泄及人工开采地下水。经计算潜水蒸发量为5 540.56万m3/a，潜水含水层侧向排泄量为485.82万m3/a、承压含水层侧向排泄量为5 391.72 万m3/a，2011年太原市盆地孔隙水开采量总计为7 306.84万m3。开采量按水井位置和所属含水层类型分配到指定的计算单元。

2.4 水文地质参数分区与取值

对于地下水数值模型来说，水文地质参数的选取是至关重要的，其合理与否直接影响到数值模型的计算精度及结果的可靠性[2]。对于含水层参数的取值，主要参考以往抽水试验的资料。根据太原市松散岩类孔隙水含水层的岩性、富水性、埋深条件、厚度以及水位动态对研究区进行分区。

2.5 模型的识别与验证

根据研究区地下水水位监测资料的实际情况，选取2017年5月至2018年5月一个水文年作为模型识别时段，对模型进行识别和验证，并利用水均衡法来判别模型的可靠性。模型检验过程中，参数初值的给出是根据抽水试验计算的参数作为调参的初值，通过试错方法调参得到最后的参数。

3 地下水位预测及水位变化对地基基础可能产生的影响

3.1 模拟区地下水位预测

将太原市地下水开采资料输入地下水数值模型中，研究潜水和中深层承压水地下水流场，预测2025年太原市潜水与承压含水层水位。

与初始流场图相比，2025年潜水含水层中原有的嘉节-北营漏斗基本消失，地下水径流方向由原来的四周向漏斗中心变为由东、西、北三面向南径流排泄。研究区内水位升幅为3～13 m。在西张一带水位升幅最大，可达13 m，水位上升速率为1.44 m/a；三给地垒以北汾河附近水位升幅为3 m，水位上升速率为0.33 m/a；南中环桥以南附近水位升幅为7 m，水位上升速率为0.78 m/a(见图1)。

与初始流场图相比，承压含水层水位仍然有升有降，但总体呈上升趋势，水位变幅为-15～34 m，西张地区、市中心区地下水位呈稳定上升状态，阳曲镇黄花园、万柏林区太原重机厂一带水位呈下降趋势，晋源区晋源镇一带地下水位呈稳中有降趋势。西张地区地下水位升幅达34 m，区内地下水处于涵养状态，水位上升速率为3.78 m/a，向阳漏斗消失；市中心区水位呈稳步上升趋势，省政府漏斗内闭合线由原来的720 m上升为740 m闭合线，地下水位平均上升22 m，水位上升速率为2.44 m/a；吴家堡-北营漏斗区水位呈上升状态，吴家堡中心区内闭合线由700 m上升为720 m，且漏斗面积减小；北营漏斗内闭合线680 m，其闭合面积由原来的2.70 km2减小为0.69 km2，年减小率为0.22 km2/a；小店降落中心内闭合线720 m，其闭合面积由原来的4.65 km2减小为2.41 km2，年减小率为0.25 km2/a。阳曲镇黄花园漏斗区中心闭合线下降为780 m，漏斗平均水位上升15 m，水位上升速率为1.67 m/a；重机学院漏斗区内闭合线水位下降至720 m，漏斗平均水位上升13 m，水位上升速率为1.44 m/a(见图1～2)。

图1 2025年潜水含水层等水位线图

图2 2025年承压水含水层等水位线图

3.2 地下水位变化对地基基础产生的可能影响

地下水位的变化会引起地基土中应力的变化。模拟区域内在2025年地下水位总体上升，潜水位最大上升13 m，承压水位最大上升34 m，水位变幅均较大。根据太沙基有效应力原理，地下水位上升会使孔隙水压力增大而有效应力减小，地基中岩土自重应力减小，地基承载力降低，强度下降；地基土层稳定性变差，压缩性增大，在上覆建筑物的自重及人为活动影响下，不均匀沉降的影响将增加[3]；原场地中不良地质影响变大；地下水渗透破坏影响增大；如地基土为粉土或粉细砂，地下水位上升粉土或粉细砂饱水，地基土容易出现流砂、液化现象；冬季气温低于零度，地下水冻结，使地基土发生冻胀，春夏地下水融化，反复冻融，使地基发生破坏；此外，地下结构物充水，基础上浮，影响建筑物上部结构的使用安全[4]。

4 结 论

地下水作为建筑物地基基础设计中必须考虑的因素，其水位变化对地基基础的稳定与建筑物的安全有着较大的影响，了解建筑物场地地下水位的变化对地基基础设计十分重要。利用区域地下水资料，通过Visual MODFLOW软件建立地下水数值模型可以对地下水位进行预测。本研究模拟区在维持现状年开采条件下，2025年地下水水位整体上呈上升趋势，潜水系统2025年水位变幅为3～13 m；中深层承压水2025年水位变幅为-15～34 m，地下水位大幅度变化可能对模拟区建筑物地基基础产生较大影响，出现地基失稳、基础破坏等问题，影响建筑物的使用安全。所以建筑物地基基础设计时不应只考虑当前地下水位的影响，还应考虑未来建筑物使用期内地下水位变化对地基基础可能产生的影响，保障建筑物的使用安全。

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