GMS方法在某市政工程地下水控制中的应用研究

王冬平，魏俊海

(天津市勘察设计集团有限公司，天津 300191)

大规模市政工程建设中不可避免地会遇到地下水的控制问题，市政工程是一种具有工期长、工作量大、工序复杂等特点的工程类别。在市政工程建设中，由于地下水的独特的化学成分，对工程建筑会造成极大的作用和影响。主要表现在腐蚀钢筋、侵蚀地下承力土壤、弱化构件属性。除此之外，地下水的浮力对结构设计和施工也有着不容忽视的影响，市政工程施工中应当处理好地下水对工程建设的影响。

1 地下水的类型及形成因素

在现阶段各项工程建设中，我们普遍将地下水分成三类：承压水、潜水、上层滞水(见图1)。这主要是根据地下水的埋藏条件和水力性质来进行的分类，其中地下水的水力性质是造成工程事故的主要性质，这也是研究地下水的一个重要切入点。三类水的形成各不相同，包气带局部隔水层(弱透水层)之上积聚的具有自由表面的重力水称为上层滞水(Upper stagnant water)，此类地下水主要来自大气降雨、地表水的渗入，一般在排水功能完善的城市很少见。上层滞水是一些还跟不上现代化脚步城市要面对的主要难题，这些城区排水功能不规范，地下排水系统老化，设备设施得不到更新，雨季来临时，这种问题会更加明显。根据调查显示，我国有80%以上的老旧街道存在着地下水侵蚀土层的危险，而这种危害主要来源于地表水渗入。

图1 地下水的分类

潜水(phreatic water)，是指地表以下第一个稳定隔水层以上具有自由水面的地下水，它不承受静水压力；水位受降水等因素影响而升降；它在重力作用下,由潜水位较高的地方渗流向较低的地方处,是地下径流的主要源泉.

承压水(Confined water)是存在于两个隔水层之间的具有一定水头压力的地下水，承压水形成条件比较复杂，它埋藏于两隔水层之间，形成于透水层中，如果下渗水在隔水层之间布满整个透水层则才可能形成所谓的承压水。另外，周围地貌特征和土质构造也和承压水关系紧密，在地质构造适宜的情况下，无论是松散沉积物，还是基岩，都可形成承压水。根本区别就在于两者埋藏条件不同，承压水是埋藏在上下两个隔水层之间的地下水，潜水埋藏在第一个隔水层之上的地下水。城市市政工程中，经常遇到的地下水问题就是潜水和承压水问题。这两类地下水造成的不良施工困难主要表现在涌突、管涌、结构上浮等。多市在实施地下工程中都曾有施工人员在地下作业时丧生于此，承压水与潜水的工程影响已然成为社会各界关注的热点问题。

2 市政工程地下水处理理论依据

市政工程中地下水的勘测是一项巨大的工程，这意味着在满铺的市政干道之下要进行极其精确的数据测量和水位检测，必须借助特定的地下水检测器械才能实现。数字化模拟系统GMS在地下水勘测与防治中具有显著的成像效果，它将多个模块集成，能够反映真实的地下水流状况。而地下水的理论分析也是一个值得深挖的概念，只有将GMS和地下水理论分析结合在一起，才能完成对地下水的一个全面了解，从而达到预期减灾防灾的目的。

2.1 GMS的数据输入方式和功能

GMS的全称是Groundwater Modeling Systems, 即地下水模型系统，是美国Brigham Young University环境模型研究实验室和美国陆军排水工程实验工作站在综合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的地下水模拟软件。该软件模块使用模块数据输入、外部GIS数据输入、工具性辅助模块数据输入等方式，使用者根据自己的数据使用要求选择不同的输入方式，从而得出相应的三维模拟结果。

2.2 地下水“涌突”的理论依据

涌突指的是在深基坑大开挖过程中会破坏掉承压水上部不透水顶板的绝对厚度，进而直接承压水顶破基坑底部的横向面板造成的破坏现象。涌突的稳定性验算可以采用相关规范中的公式进行：

H/(h×γ)≥K

(1)

式中：H表示不透水顶板开挖后的厚度，h为承压水头高于不透水顶板的高度，k为涌突稳定安全系数，该系数规定大于等于1.1,根据相关规范，只有当满足H≥K×h×γ时才不会发生管涌现象。

2.3 地下水“结构上浮”的理论依据

结构上浮是指大开挖形成的基坑底部结构被地下水没过，地下水形成的水浮力相较上层结构荷载较大时造成的整个建筑下沉或者倾斜的现象。这在市政工程中同样危险着市政道路和市政地下空间的稳定性，根据市政工程相关规范进行抗浮验算可以用到以下公式：

K=(结构重力+覆土重力+地上体系重力)/水浮力

(2)

式中：K为抗浮安全系数。当不计地层侧摩阻力时，k≥1.05；当计及地层侧摩阻力时，k≤1.15。

2.4 地下水“流沙”的理论依据

土体在饱水之后，会形成“水头差”，水头差造成渗透力的方向变化到与重力相反的方向，接着那些松散土颗粒就会产生悬浮流动，“流沙”因此产生。形成“流沙”之后，土壤丧失承载能力，致使工程无法施工，严重情况还会引起地基“空心化”，从而引起建筑物的下沉、倾斜甚至倒塌。水力坡度是产生“流沙”这种现象的主要临界因素，水力坡度越大，水中的颗粒流动就会越迅速，随着水流整体流动的加快达到流沙产生的临界点，流沙现象就会产生。所以控制水力坡度是控制流沙产生的最重要途径。产生流沙的临界水力坡度按照下式计算：

i=γ/r

(3)

《水力学》推导了该公式的来源，其中式中r为水的容重，γ为土的有效容重，i为产生流沙的临界水力坡度。

3 多因素耦合在某市政工程中的具体应用

欲改建一条长约为7.8 km的市政重要线路，该线路是连接城市东部与市中区的主要公路干线，随着车辆逐年增长，交通压力越来越大，传统的红绿灯控制车流的方式在此线路上已经失去了作用。在道路的扩建过程中，就遇到了老生常谈的地下水问题。根据地质勘察报告，场地第一层地下水为潜水，水位位埋深约10.3 m，第二层地下水为承压水，水位埋深约24 m，承压水头约7 m，抗浮水位埋深约4.8 m。

3.1 GMS与理论控制法在该线路中的运用

本次模拟将地下水流考虑为最接近真实情况的三维流动，采用外部GIS数据输入，在整段设置7个观测点，得出每个观测点的k值，表1如实反映了7个观测点的数据信息。

表1 各段k值表

通过k值寻找，我们可以得出每段产生“涌突”临界开挖深度。具体见表2。

表2 临界开挖深度

根据以上计算结果可知该市政工程在各个施工段都应该控制开挖深度，当遇到设计要求必须大开挖至临界深度一下时，必须设置井点进行降水处理，否者就会发生“涌突”对施工人员造成危险，情况严重还将造成原路面的下陷和开裂。

3.2 地下水的施工控制方法

本项目是城市改造项目，因此在施工中必须考虑单边作业法，在正常施工作业的情况下还必须为通行车辆设置单边通道、为行人设置人行便道等。市政管线的管廊设置在道路两侧距表面5 m距离，而抗浮水深度是4.8 m，所以降水井的设置必须满足两个条件：(1)不能大开挖，(2)降水井的连接必须使用顶管的施工工艺。

顶管施工就是利用顶管套筒和顶进设备——传力顶铁将套筒顶入需要掘进的土壤当中，工人则在套筒内进行掘进工作，最后利用起吊机将废弃土方运走。该施工方法主要有以下几个优点：

(1)跨越施工，对周围建筑影响小。

(2)工期短，成本低。

(3)隐蔽作业，不阻碍交通。

(4)精度高。

图2 顶管施工示意图

4 结语

在市政工程深基坑施工中，地下水渗透破坏现象极易出现。我们应当了解地下水造成的施工困难是哪些，并针对不同的地下水类型设计理想的施工控制办法。除此之外地下水的保护也很重要，进行工程建设时，不能忽略对地下水的保护。根据对某市政工程道路改建的测算我们可以得到以下结论：

(1)勘察阶段需要科学评价地下水对地质、岩土造成的影响。在施工阶段应当选取最合适的地下水控制方法进行施工，特殊类型地下水需要特殊施工工艺保障施工人员安全和工程完整性。

(2)对于难以进行现场勘测的工程，可以预先在设计阶段进行模拟分析，再结合实际情况检查地下水的各种性质。

(3)结合实际工程要求，若实行大开挖工艺会破坏正常交通秩序，危急邻近建筑稳定性，可以采用顶管施工法，既降低造价也能从根本上减少地下水的影响。

(4)在控制地下水的同时，应当注重地下水质的保护。地下水可以用于城市生活、农田灌溉、工业制造。含有特殊元素的地下水还可以作为医疗用品的原材料。地下水总的来说是处于内外平衡的状态，人为原因造成地下水过渡流失可能会带来地面下陷、地下空洞等一系列问题。因此在市政建设中一定要考虑好地下水的变化趋势，否则，将对城市造成难以估量的损失和影响。