基于数值模拟法的临河建筑抗浮设防水位计算——以成都金马河临河某商住楼为例

陈 鹏，张 继，李 江

(四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610000)

抗浮设防水位的取值对建筑结构安全具有重要的意义。临河建筑在进行抗浮设防水位计算时经常采用地面高程或历史最高洪水位，这样的取值往往导致抗浮设防水位偏高。抗浮设防水位取值偏高，将会大大增加建筑物的抗浮投资，造成工程建设的巨大浪费；抗浮设防水位取值偏低则可能导致建筑物地下结构存在极大安全隐患，一旦遭遇极端天气，轻则造成地下室结构梁板开裂、地下室渗水，重则地下室上浮结构破坏[1-3]。因此如何确定合理的抗浮设防水位，具有十分重要的意义。

1 临河建筑抗浮设防水位数值模拟方法

临河建筑因靠近河流，一般来说临河建筑所在场地地下水水位埋藏浅，第四系松散岩类孔隙水含水岩组渗透性能较好，渗透系数较大，因此建筑场地内地下水流场受河水位变化影响大。若河流上下游修建水工结构工程，将导致临河建筑场地内地下水流场受河流人工调蓄产生较大波动，尤其是近些年来，汛期极端暴雨天气增多，导致临河建筑所在场地地下水流场难以通过常规勘察手段来确定。

地下水流模拟方法是基于计算机利用数值方法来分析和预测不同条件下局部或区域地下水系统行为的一种手段。早期的地下水模拟采用的物理模型进行模拟，随着电子计算机科学技术的飞速发展，地下水流模拟逐渐从类比法(物理模拟)过渡到数值法，数值模拟方法就是在计算机上采用离散化的方式去求解数学模型，得到数学模型的近似解[4-5]。随着科学技术的不断发展，地下水数值模拟法已经发展成为解决地下水各种问题的主要方法。这种方法具有较高的仿真度，能够很好地反应复杂及多变的水文条件下的地下水流的运动状态。针对临河建筑抗浮设防水位的计算采用数值模拟方法可有效的模拟各类水文条件下，临河建筑场地内的地下水流场的变化情况，从而提出科学合理的抗浮设防水位，这样在工程投资的经济性和临河建筑的安全性之间取得一个较好的平衡点。

2 研究区水文地质概念模型及边界概化

研究区为成都金马河临河一大型商住楼滨湖印象建设项目，其西边界为金马河，多年平均水位为510.0 m。因研究区地处成都平原内，区内大范围皆为平原区，地势平坦，故将不因项目区周围水位升降而产生明显水位变化的位置作为计算区的其余三边边界，可概化为流量边界。正常情况下区内地下水向金马河排泄，在暴雨条件或上游泄洪条件下，部分地表水补给地下水。 区内含水介质主要为第四系全新统冲积砂卵石含水层，上部的薄层第四系全新统人工填土层以粘性土为主，为弱透水地层。区内第四系全新统冲积砂卵石含水层总体厚度大。

计算区西部边界为金马河，在天然条件下，地下水在接受大气降水入渗补给后向金马河排泄，在暴雨条件或上游泄洪条件下，部分地表水补给地下水，可将金马河概化为河流边界。实际计算时金马河的水位根据上游水闸(3号闸)的运行情况(蓄水、泄洪)，按实际水位值代入模型中计算。北、东、南三边边界为不因项目区周围水位升降而产生明显水位变化的流量边界。计算区的顶面为潜水面，在该面上发生着降水入渗、潜水蒸发等垂向水交换作用，可概化为潜水面边界。其中降水入渗采用全年降雨量按大气降水入渗系数代入模型中计算。区内地面以下30 m以上的成都平原上部含水层作为计算范围，30 m以下的中更新统含水层为隔水边界[6-9]。因目前实测的地下水流场为平水期流场，为了保险起见，模型计算采用丰水期水位作为初始流场。

图1 计算区地面DEM影像图

根据前述水文地质概念模型，计算区地下水三维稳定流数学模型可建立为：

式中：H为地下水位标高(m)；K为渗透系数(m/d)；μ为给水度；t为时间(d)；x，y，z为坐标变量(m)；Hs为给定水位标高(m)；Kr为河床介质垂向渗透系数(m/d)；Mr为河床介质厚度(m)；Γ2为二类边界；D为计算区范围。

3 参数选取及模型识别

模型的初始参数采用项目勘察期间取得相关参数及研究区基础地质、水文地质资料中收集的参数进行模型识别。

根据研究区的勘察资料，在研究区场地四周施工了27眼降水井，平均井深22.50 m。在场地在实测场地内27眼降水井流量、初始地下水位及当日金马河河水位高程为510.0 m。将收集和实测的相关资料代入模型，调整研究区的渗透系数，采用最小二乘法进行线性拟合。根据拟合结果，确定研究区各地层参数取值，场地内基坑降水条件下的地下水流场图见图2。通过模型识别显示该计算模型能较好的反应工作区的地下水渗流情况，可用于研究区内各种情况下的地下水渗流场的数值模拟。

图2 计算区模型识别地下水流场图

4 模拟计算

4.1 上游水闸蓄水情况下临河建筑场地内流场变化情况

根据上游水闸运营机构提供的资料，3号闸正常运行工况下，闸前水位抬高，闸前正常水位516.00 m，闸后(下游)正常水位510.00 m，滨湖印象商住楼处于3号闸下游约500 m处，该处的地下水水位由三号闸上下游河段水位差形成的渗流场确定。

根据模型计算结果，当3号闸开始蓄水，闸前水位从510.0 m蓄水至516.0 m，闸后水位510.0 m时，3号闸上下游之间6.0 m的水位差，必然导致上游地下水绕过3号闸向下游渗流，引起下游地下水位的抬升。根据模型计算结果，在3号闸开始蓄水，滨湖印象商住楼场地地下水位于从510.6 m上涨至511.6 m，场地内北部地下水位高于南部(图3)。

图3 闸前水位蓄水至516.0m时研究区地下水流场图

4.2 上游水闸泄洪情况下临河建筑场地内流场变化情况

前述计算仅仅基于上游水闸正常工况下计算研究区地下水流场的变化情况。根据水利部门提供的资料，在3号闸泄洪条件下，金马河各泄洪标准洪量如下， 100 a一遇洪水(P=1%)、50 a一遇洪水(P=2%)、20 a一遇洪水(P=5%)和10 a一遇洪水(P=10%)，相应洪峰流量分别为4 570 m3/s、4 220 m3/s、3 740 m3/s和3 380 m3/s。3号闸蓄水控制河段修建景观闸前后水面线计算成果如以下表所示。其中断面桩号42+850为3号闸所处位置， 43+300为滨湖印象(一地)商住楼项目处所在位置附近河道。

表1 金马河水闸工程库区水面线计算成果一览表

表2 金马河水闸工程泄洪条件下地下水水位计算成果一览表

根据前述资料，采用数值模拟计算3号闸泄洪条件下，100 a一遇洪水(P=1%)、50 a一遇洪水(P=2%)、

20 a一遇洪水(P=5%)和10 a一遇洪水(P=10%)时研究区的地下水流场变化情况，计算结果详见表2。

根据模型计算结果，当遇到100 a一遇洪水(P=1%)3号闸泄洪时，金马河水位迅速上涨，局部地表水补给地下水，导致项目区内地下水位上升。此时滨湖印象商住楼场地地下水位位于512.1～512.7 m之间。

5 结语

根据前述计算结果，考虑一定的1 m保险系数，建议该项目抗浮设防水位取513.7 m。而该项目原勘察报告提出的抗浮设防水位为上游水闸蓄水的最高水位516.0 m。因此通过数值模拟计算降低了原抗浮设防水位的标高，大大减少了项目的抗浮投资，在工程投资的经济性和临河建筑的安全性之间把握了一个较好的平衡点。