封闭式槽结构设计水位探讨？

~ 随着我国铁路及公路等交通基础设施的快速发展，交通建设要求和标准也不断增加。为了保证行车速度和交通安全，大量的铁路、公路平交改为立交，一些线路不可避免的以路堑下钻的方式通过地下水位较高的地段，封闭式路堑U型槽结构由此开始出现，且应用逐渐增多［1］。由于封闭式路堑U型槽为纯地下结构，须进行抗浮设计，以避免地下水位在各种自然、人为因素影响下超过U型槽结构底板而产生上浮问题，以确保构筑物的安全。抗浮设计水位数值是抗浮设计所需的重要参数。抗浮水位取值过高，则必须采取抗浮措施，导致投资费用增加，造成浪费;取值过低，则水位上升可能导致构筑物结构破坏甚至整体上浮［2］。
因此抗浮设计水位取值合理与否直接关系到构筑物的安全性及经济性。封闭式路堑U型槽结构作为较大跨度工程，在对其进行抗浮设计水位分析时，需重点考虑以下问题:(1)U型槽结构跨越区域相对较大，不同区域含水层岩性及分布特征、地下水赋存状态可能存在一定差异;(2)对于远期最高水位接近自然地面的工程，其最高水位最终取值需结合工程场区现状及设计地形条件进行综合分析。本文以北京某封闭式路堑U型槽结构工程为例，在分析场区水文地质条件的基础上，对涉及抗浮问题的各主要含水层进行远期最高水位预测，并运用FEFLOW模拟软件进行渗流计算，最终确定U型槽结构抗浮设计水位。FEFLOW是由德国WASY水资源规划系统研究所研制开发的地下水模拟软件包，是功能较为齐全的地下水水量及水质计算机模拟软件系统，采用迦辽金有限单元法进行复杂的二维、三维稳定及非稳定流模拟。
1工程场区概况
1.1工程概况拟建封闭式路堑U型槽结构工程呈近南北走向，全长约398m(里程桩号K0+331～K0+729)，标准段宽约32m。结构底板标高为31.03～22.09m(埋深自南北两端向中部逐渐增加，最大埋深10.62m)，底板标高最低点处相应的里程桩号为K0+526。工程场区典型地层及构筑物基础埋置情况见图1。
1.2工程场区水文地质条件根据勘察资料，场区地面下最大钻探深度39.10m深度范围内主要量测到4层地下水，各层地下水的类型、赋水地层层位及岩性、水位标高见表1。场区所在区域潜水为渗入—蒸发型，主要接受降水入渗和管道渗漏等补给，并以蒸发为主要排泄方式;层间水的天然动态类型属渗入—径流型，以地下水侧向径流和越流补给为主，排泄方式主要为侧向径流和越流;承压水天然动态类型属渗入—径流型，补给方式为地下水侧向径流和越流，并以侧向径流、人工开采为主要排泄方式，受人为因素影响，多年来该层地下水水位变化较大。
由图1可见，拟建构筑物基础主要坐落于潜水含水层、第1层层间水含水层及其之间的相对隔水层中，其抗浮设计水位将主要受潜水和第1层层间水水位变化的共同影响。根据渗流理论，场区各层地下水都存在水力联系，而潜水和承压水水位在各种不利因素影响下存在升高的可能，并在渗流作用下间接导致第1层层间水水位升高和结构基底处水压力增大。因此，针对本工程而言，需预测潜水和承压水的远期最高水位，并在此基础上通过渗流分析计算，最终确定本工程的抗浮设计水位。值得注意的是第1层层间水含水层之上的相对隔水层层厚南北向变化较大，其南端厚度约为1m，向北逐渐增厚至3m左右;第1层层间水含水层之下的相对隔水层层厚及埋深南北向也存在差异。
2场区地下水远期最高水位预测
2.1场区潜水远期最高水位预测场区潜水主要受大气降水入渗补给量的影响。根据场区所在区域地下水水位长期观测数据，历年(自1955年以来)最高地下水水位标高拟合值接近自然地面。勘察期间钻孔孔口处地面标高为30.73～32.70m，其中场区北部局部区段(里程桩号K0+699～K0+729)地形较低(钻孔孔口处地面标高在30.73～31.53m左右)。根据潜水分布规律相关研究成果，该层地下水在历史高水位期与地形密切相关，地形较高处地下水位也相对较高，历年最高地下水水位埋深一般在地表下0.30～0.50m。考虑场区现状和设计地形条件，综合确定场区潜水远期最高地下水水位建议值见表2。
2.2场区承压水远期最高水位预测预测场区承压水含水层水位变化，应充分考虑地下水开采量的减少、官厅水库放水引起的永定河渗漏以及即将实现的“南水北调(中线)工程”等人为活动的影响。通过研究、分析区域性承压水多年水位变化趋势、变化幅度与上述各因素的关系，预测得到工程场区承压水的年平均水位标高将达到21.70m。考虑工程场区承压水水位最大年变幅的50%为4.00m，则工程场区承压水的远期最高水位标高将达到25.70m。3场区地下水渗流数值模拟由于U型槽结构底板除位于潜水含水层内，还主要坐落于第1层层间水含水层及其之上的相对隔水层中。为获得U型槽结构底板不同位置未来最高水位预测条件下最大水压力，需要分析工程场区水文地质条件，概化水文地质概念模型，在此基础上建立地下水数学模型，运用FEFLOW软件建立地下水渗流的数值模拟模型，通过对模型的识别、校正，并将场区远期潜水及承压水最高水位预测值作为边界条件输入模型，即可计算工程场区不同深度、范围内地基土层中的地下水压力分布。
3.1水文地质概念模型依据勘察资料揭露的地层以及地下水资料，同时考虑工程设计条件，建立场区一定深度地基土层的三维非均质有限元渗流模型。在垂直方向上，按照地层岩性和赋水特征，将其分为7大层，自上而下分别为潜水含水层、第1相对隔水层、第1层间水含水层、第2相对隔水层、第2层间水含水层、第3相对隔水层和承压水含水层。由于含水层、相对隔水层的岩性、透水性无明显方向性，因此，整个模拟区域可概化为各向同性的非均质三维流含水系统。根据对工程场区水文地质条件的分析，在对各层地下水水位进行现状分析、预测时，将依据自然、人为因素对地下水的影响程度进行综合取值，将先考虑地下水的侧向径流和越流补给、排泄影响，将模型的侧边界设置为隔水边界，构筑物基础底板概化为Ⅱ类隔水边界，将潜水含水层和承压水含水层概化为Ⅰ类定水头边界［3］。
3.2地下水渗流数学模型本工程中应用三维稳定流偏微分方程对渗流问题予以描述，对于三维稳定流，其控制方程为［4，5］:式中:h为渗流总水头函数;K为土层渗透系数;n为边界外法线的单位矢量;B1为给定水头边界条件;B2为给定流量边界条件。
3.3地下水渗流数值模拟模型应用FEFLOW软件建立相应于水文地质概念模型的数值模型，模型的形状以及边界条件等根据建立的水文地质概念模型确定。模拟区域为170×500m2的区域，垂向上划分为7层，包括4个含水层和3个相对隔水层;水平方向上进行三角形剖分，共分为800个有限单元网格。各层顶、底板标高用钻孔实测数据以差值方式赋值。模拟区域网格剖分三维视图见图2。
3.4参数设置及模型识别模型中各土层渗透系数均根据工程所在区域邻近工程已有资料确定，其中邻近工程粘性土层渗透系数采用采取原状土样并进行室内渗透试验方法确定，轻亚粘土、中亚砂土层渗透系数采用提水试验方法计算确定，细砂、粉砂层渗透系数采用颗分数据并利用经验公式计算确定，砂、卵石层渗透系数根据抽水试验确定。采用勘察期间水位实测数据对模型进行识别和校正，主要是对粘性土渗透系数取值进行微调，直至各层水位数值模拟结果和实测结果十分接近为止。模型中各土层渗透系数最终取值见表3。
3.5基底最大水压力预测将已获得的场区远期潜水最高水位预测值(见表2)及承压水最高水位预测值(27.50m)作为Ⅰ类定水头边界条件输入模型，通过数值模拟，计算在潜水及承压水预测远期最高水位条件下场区地下水渗流场。根据数值模拟计算结果，预测高水位时期场区水压力分布图见图3。根据数值模拟计算结果可计算获得工程场区不同位置、深度的地下水压力及等效水位值，拟建U型槽结构基底中线预测水压力及等效水位标高见图4。综合考虑本工程的特点及抗浮设计水位取值对工程安全、经济性的影响等因素，本工程抗浮设计水位可分段取值:里程桩号K0+331～K0+397段的抗浮设计水位标高按31.90m考虑;里程桩号K0+397～K0+496段的抗浮设计水位标高按31.50m考虑;里程桩号K0+496～K0+729段的抗浮设计水位标高按31.10m考虑。本工程潜水及第1层层间水含水层之间的相对隔水层南北向分布不均，南端厚度较小会直接造成该区段地下水垂向补给相对较大，第1层层间水预测水位升高，同时出现向北端的水平向渗流，最终决定了拟建U型槽结构抗浮设计水位接近于潜水预测最高水位。
4结论与建议
本文以北京某平改立工程封闭式路堑U型槽结构为例，采用地下水数值模拟软件FEFLOW，在对工程场区进行水文地质条件分析及远期最高水位预测的基础上进行了渗流模拟，计算确定了U型槽结构抗浮设计水位，由此可以得出如下结论建议:(1)在抗浮设计水位分析中，可在水文地质条件分析的基础上，建立适宜的水文地质概念模型并确定数值模型，采用地下水数值模拟技术来计算抗浮设计水位。(2)当拟建构筑物跨越区域相对较大时，如工程场区含水层岩性及分布特征、地下水赋存状态存在一定差异，则可以考虑使用FEFLOW等地下水模拟软件建立三维数值模型进行渗流计算，以更准确地刻画工程场区水文地质特征。(3)当工程场区潜水远期最高水位接近自然地面时，其最高水位与地形密切相关，一般地形较高处地下水位也相对较高，应考虑场区现状及设计地形状况，综合分析确定其最高水位。(4)针对本工程而言，可以采取结构下加抗拔桩或选择扩大基础加压重层等抗浮设计以避免地下水浮力破坏结构。

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