某地下工程區域滲流場特征及結構滲漏水來源分析

彭濤

某地下工程區域滲流場特征及結構滲漏水來源分析

彭濤

（中冶成都勘察研究總院有限公司，成都 610023）

某大型地下工程結構完工后出現普遍滲水現象，嚴重影響其使用功能，并造成了不良社會后果。通過建立區域三維滲流分析模型，結合現場結構滲漏水特征，研究了該工程的區域滲流場特征和結構滲漏水的主要來源。結果表明：①模型計算結果與工程現場實測數據基本吻合，為該地區地下工程建設中的滲流場分布問題提供一種分析方法。②工程區域內淺表層地下水主要接受大氣降雨的補給，豐季時河流水位上漲，對淺表層地下水有一定反補，市政雨污管網的滲漏也是不容忽視的補給來源。③區內西溪河洪峰水位270.2m，北湖地表水體水位270.5m，工程主體的抗浮水位以270.20~270.50m考慮為宜。④根據地下結構病害特征和所在位置，提出相應的病害整治建議，整治效果良好，可在類似工程應用。

區域滲流場；結構滲漏；抗浮水位；整治措施

1 工程概況

某大型地下工程建筑面積約50 000m2，含長1200m的下穿隧道和長2300m下穿商業街，部分地下結構為2層，其余均為1層。該項目于2012年開工，2013年完成下穿主體結構，結構完成后下穿隧道和商業街出現普遍滲水現象，通過對結構進行注漿防滲治理，出現邊堵邊滲現象，根治難度大，結構開裂滲水如圖1所示。由于長時間滲水及排水，區內多處出現空洞及周邊建筑變形，2015年8月下穿隧道被雨水灌滿。該地下工程地處四川盆地東北部，區內整體地勢西部高，東向低，區域地貌形態屬中低山丘陵地貌及侵蝕堆積階地地貌。場地三面環水、一面靠山，場地位置如圖2所示。區內二級級階地發育較好，Ⅱ級階地分布于嘉陵江岸邊一帶，階面高程273.2～276.3m，高于嘉陵江水面10～12m，階面寬約500～550m。場區三維地形概化圖如圖3所示。場地豐水位地下水位為271．50m，枯水期地下水位為262.30m。場地地層結構簡單，地層主要由第四系人工堆積（Q4ml）填土、第四系淤泥質粉質粘土（Q4h）、第四系中更新統冰水堆積（Q2fgl）的粘土、含卵石粉質粘土及白堊系上統灌口組（K2g）泥巖等組成，其中基坑坡體主要由粘土組成，頂部有1～2m厚填土，坑底距基巖約3m，如圖4所示。場地水位埋深差異較大，為賦存于低洼地段及原塘池地段的第四系人工填土及粘土層上部裂隙中的上層滯水，主要受大氣降水、農灌和地表水（滲透補給一般在原堰塘地段水位埋藏較淺，無統一地下水位，部分鉆孔的穩定水位（埋深1.10～6.70m）。所在區域屬中亞熱帶季風濕潤氣候，氣候溫和、雨量充沛、降雨不均、溫差較大、區內平均氣溫為15.6℃～17.5℃。區內降雨豐富，多年平均降水量為979～1 125.7mm，降雨量主要集中在5～9月，占全年降雨量的60%。場地位于嘉陵江和西溪河之間，嘉陵江從場地東側流過，西溪河從場地西側流過。嘉陵江發源于陜西省西鳳區歷年最枯水流量115m3/s，歷年最大洪峰流量30 100m3/s（1903年），平均流量878.70m3/s。

圖1 地下結構開裂滲水

圖2 場地位置示意圖

圖3 場區三維地形概化圖

圖4 下穿隧道剖面示意圖

2 區域滲流場模擬及分析

2.1 計算模型范圍

計算采用Visual MODFLOW中的MODFLOW模塊模擬區域地下水滲流場。滲流場模擬范圍以整個工程為中心，整個模型范圍東西長約5 091m，南北長約4 834m，面積為24.61km2。模型范圍如圖5所示。

圖5 數值模型范圍

2.2 計算模型概化

考慮到場區所在水文地質單元潛水含水層主要為第四系孔隙含水層，并以大氣降雨為補給來源。根據水文地質條件，結合本項目實際情況，模擬范圍東、西兩側均以西溪河和嘉陵江為定水頭邊界，向南以模型區中嘉陵江最低排泄基準面為界(枯水期，范圍24.61km2。模型模擬區東-西方向作為模型x軸方向，長度5 091m，南-北向作為模型的y軸方向，寬4 834m，除邊界外，每50m劃分一個網格，共9 800個網格；垂直于xy平面向上為模型的z軸正方向，模擬范圍200～400m，根據介質性質及模型計算需求，垂向上分為6個巖性段。將模型區地下水水流概化為均質各向異性穩定流模型。區域模型網格平面圖、等值線圖如圖6圖7所示。

圖6 數值模型網格

圖7 區域模型等值線圖

2.3 計算邊界條件

東西兩側西溪河和嘉陵江為River邊界，最低排泄基準面嘉陵江與西溪河匯合處為Constant Head邊界，河流兩側及右上部外圍為無效單元格。其余均為變水頭計算單元格。模型邊界條件設置如圖8所示。

圖8 模型邊界條件

圖9 區域初始滲流場

2.4 計算參數

計算參數表

根據項目水文地質勘查報告及現場水文地質試驗數據，區域水文地質資料及水文地質參數的經驗取值，模型區垂向按含水介質特征差異，劃分6個層段。含水層滲透系數主要根據區域內水文地質參數綜合，取經驗值。模型參數取值見表。其中，粉砂層的滲透系數通過整理注水試驗資料計算求得，對比考慮雜填土層較薄，因此與下部強風化層概化為一層，和較薄的粉質粘土層及卵礫石層的滲透系數均參考水文地質手冊的經驗值。

貯水系數取值為1×10-6，給水度取值為0.2，有效孔隙度為0.15，孔隙度為0.2。模擬區域年平均降雨量1 000mm，入滲系數取0.4，補給強度400mm/yr，在模型中設置為最上層的非疏干單元接受補給。按照枯季和雨季分別設置不同的河流邊界和降雨入滲補給量，其中1~4月補給強度為100mm，5~9月補給強度為240mm，10~12月補給強度為60mm。根據區域水文地質報告，模型區域水面蒸發量小于降雨強度，約為降雨的0.8倍，所以取蒸發強度分別為80mm、190mm、50mm。

2.5 模擬結果與分析

1）初始滲流場

將上述邊界條件和計算參數代入模型計算可得初始滲流場，如圖9所示。由滲流場計算結果可以看出，初始滲流場受區內地形地貌、含水巖組分布及構造發育等條件控制，在城市區地下水水位受西溪河和嘉陵江的影響，靠近河流位置地勢低，地下水位埋深小。另外，根據項目工程勘察鉆孔資料可知，各鉆孔實測水位埋深介于0.3～5.2m，而模型模擬各鉆孔地下水位270～283m，其中平壩區地下水位270～275m，計算不考慮各鉆孔及其附近的模擬水位與實測水位差，采用上述建立的區域滲流計算模型計算所得滲流與實際基本吻合。

2）工程修建后滲流場

以上述初始滲流場為前提條件，在模型中置入地下工程并設置相應邊界條件，可分別計算得到雨季和枯季三維滲流場，分別如圖10、圖11所示。結合工程現場滲漏水現象可以看，地下通道建設后，由于巖土體的開挖，破壞了天然滲流場的穩定性，形成了匯水區域，地下水有向地下通道通道滲流的趨勢，且隨著時間的延續，降落漏斗的范圍會逐漸擴大。

3）地下結構滲水來源分析

該地下工程負一層處于二級階地第四系沖洪積層中，地層巖性主要為粉質粘土，粉砂土和粉土，此層位主要賦存孔隙水，接受大氣降雨補給。枯水季節，負一層的地下水位明顯高于西溪河和嘉陵江的水位。根據現場調查資料可知，此區邊墻涌水清澈，可推斷地下負一層邊墻的滲水來源主要為大氣降雨。對于局部地下結構頂板滴水水體為黑色的現象，可推斷該頂板滴水來源為地下管網漏水和大氣降雨。豐水季節，西溪河與嘉陵江的地下水位明顯升高，局部地區，高于地下工程負一層粉土粉砂層內地下水水位，接受兩河的側向補給。結合現場調查資料可推斷地下工程負一層邊墻滲水來源為兩河河流補給和大氣降雨，頂板滴水來源為大氣降雨，地下管網滲漏和兩河河流補給。

負二層東靠嘉陵江，西靠西河，邊墻部位為第四系沖洪積層，主要含粉砂土，接受大氣降雨補給，少量河流補給；底部為卵石層。枯水與豐水季節，西溪河與嘉陵江都高于負二層地下水水位，結合現場調查資料可推斷地下工程負二層滲水來源主要為西溪河與嘉陵江的補給，同時有少量大氣降雨補給。

圖10 雨季三維滲流場

圖11 枯季三維滲流場

因場地兩側西溪河、嘉陵江相距較近, 地下水位年變幅5.3m，水力梯度增大，是隧道開挖二層后滲水、流砂的重要原因。

4）地下水位監測建議

根據《城市地下水動態觀測規程》，結合該地下結構病害特征，建議在類似工程區域，進行長期觀測水位，且宜每10d觀測一次。對安裝有自動水位監測儀的觀測孔，水位觀測宜為每日4次，存于存儲器內的數據可每月采集1次。當氣象預報有中雨以上降雨時，對觀測孔從降雨開始應加密觀測次數，每日觀測1次，至雨后5d為止；對設有自動監測儀的觀測孔，每日仍宜觀測4次。洪水期每日觀測三次，從洪峰到來起，每日早中晚各觀測一次，并延續至洪峰過后48小時為止，以此及時掌握場區內地下水動態變化特征，為建立場區內三維地下水滲流模型提供數據支持。

4 工程措施與建議

按《高層建筑巖土工程勘察規程》（JGJ72-2004）相關規定：地下建筑物的抗浮設防水位應根據場區歷史高水位情況結合場地地形地貌、地下水補給排泄條件等因素綜合確定。根據工程區域水文觀測站資料，嘉陵江近5年遇洪水位標高為268m（2012年），最低枯水位標高為252m（2017年1月），據現場實際測量，西溪河近5年洪水位標高為270.20m（2010年），如圖12所示，最低枯水位261.5m。半島內的地表大型水體北湖，其枯季水位為270.50m。上層滯水靜止水位埋深268.30～273.50m。下層孔隙潛水穩定水位為標高262.40～266.80m。因此，根據收集的有關資料和場地安全角度，建議工程區地下通道主體抗浮水位270.20~270.50 m考慮。

圖12 雨季西溪河最高洪水位

對于該地下結構，應該結合其具體病害特征和所在位置確定相應的工程措施，具體建議如下：①邊墻混凝土連接縫：密集帶狀、小劑量封堵為主；細裂縫、注漿封填后修補；對地層條件較好，無明顯滲水滲砂地段采用水泥漿液注漿，對地層條件差，有明顯滲水滲砂地段采用特殊材料注漿。根據出水類型，選擇不同的特殊材料進行注漿；邊墻外側的欠密實部位：早強材料充填注漿，并控制注漿壓力。②負一層頂板連接縫、與邊墻結合部位：密集帶狀、小劑量封堵后修補, 可采用聚氨酯或其他高分子化學注漿材料，對地層條件較好，無明顯滲水滲砂地段采用水泥漿液注漿，對地層條件差，有明顯滲水滲砂地段采用特殊材料注漿。根據出水類型，選擇不同的特殊材料進行注漿。③負二層底板，全面補強，注意保護過水通道；抽排水設施的維護。④城市給排水、雨洪管網的滲漏檢測、維護，截斷減少人為補給來源。⑤依據現場實際揭露的巖土層結構特征、地下水滲漏情況進行調整，采用動態的設計及施工，施工時需進行有條理的布設，以免注漿造成堵塞，施工現場施工結束后，需對注漿質量進行檢查、評價，以確保注漿工程保質、保量。從目前該地下結構病害整治效果來看，上述建議的整治措施效果明顯，可以在類似工程中推廣應用。⑥結合現場病害調查，隧道側壁有粉砂層、粉土地段多處已產生了流砂現象，應結合隧道璧旁空洞的分布，對粉土、粉砂段的側壁進行有針對性的土體加固，防止隧道側璧流砂。

5 結論與建議

1）書在天然狀態下，平原區平均水位270～275m，平原區主要補給來源是河流的側向補給和大氣降水，最終的排泄途徑為蒸發和地下徑流至嘉陵江。

2）根據區內西溪河洪峰水位270.2m，地表水體北湖水位270.5m。工程主體的抗浮水位以270.20~270.50m考慮為宜。在抗浮設計中應進行隧道浮力計算，綜合考慮隧道壓重效應。

3）該地下工程負一層邊墻滲水來源在枯水季節主要為大氣降雨；頂板滴水來源為地下管網滲漏和大氣降雨。在豐水季節，負一層邊墻滲水來源為西溪河和嘉陵江河流補給以及大氣降雨；頂板滴水來源為地下管網滲漏，大氣降雨和河流補給。地下工程負二層滲水來源為西溪河與嘉陵江河流補給以及大氣降雨。

4）隧道病害整治中應注重進行防滲、防流砂專項加固。

[1]宿文姬．工程地質學[M]. 華南理工大學出版社，2006

[2] 李國棟,哈岸英,鐘小彥,陳剛. 基于FLUENT的滲流場數值模擬分析[J]. 西安理工大學學報, 2011.03

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[4] 中國地質調查局. 水文地質手冊（第二版）[M]，地質出版社，2016.04

Characteristics of Seepage Field in an Underground Engineering Area and Analysis of Water Source of Structural Leakage

PENG Tao

(Chengdu Surveying Geotechnical Research Institute Co. Ltd., MCC, Chengdu 610023)

After the completion of a large-scale underground engineering structure, there is a general phenomenon of seepage which seriously affects its use function, and has caused the adverse social consequence. A three-dimensional regional seepage model is established in combination with characteristics of leakage water in field structure in order to make a study of characteristics of regional seepage field and main source of structural leakage water of the underground engineering. The study results indicate that the calculated results of the model are good agreement with the measured data; the shallow groundwater is mainly supplied by the atmospheric rainfall and river water has certain backfill to the shallow layer groundwater during the rainy season and; the leakage of municipal storm drain network is also a supply source can’t be ignored; in view of the 270.5 m water level of the North Lake surface water body and the 270.2 m flood peak water level of the Xixi River, the anti-floating water level of the main body of the engineering should be considered from 270.20 m to 270.50 m. Some suggestions on disease control are made.

regional seepage field; structure seepage; anti-floating water level; control measure

2019-02-16

彭濤（1981-），男，四川簡陽人，高級工程師，研究方向為城市地下空間滲水病害處理

P642.4

A

1006-0995（2020）01-0098-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.020