海南某臨海地區潮汐作用下地下水水位變化特征研究

馮明偉

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市200030）

0 引言

近年來，海南臨海地區基坑工程日益增多且多為土-巖質相結合的深基坑。因此，臨海地區在波浪潮汐作用下的基坑邊坡穩定性主要取決于基巖面以上的土質邊坡穩定性。與內陸地區基坑工程不同，臨海地區由于其自身固有的地形、地貌和土層組成特征，特別是臨海基坑工程，所在場地地下水直接與海水發生水力聯系，海水的潮汐波動會直接導致臨海基巖面以上含水層地下水水位發生波動，使得基坑基巖面以上土質邊坡圍護結構所承受的水土壓力發生變化，基坑土質邊坡穩定性也隨之發生波動。

目前對臨海基坑工程問題的研究主要考慮坑外地下水水位穩定補給情況，對動水邊界下基坑滲流問題的研究較少，水位波動下的滲流機理及其對基坑穩定性的影響尚不明晰。應宏偉等[1~3]將基坑滲流場分區，假設土體總應力不變，將固結方程解耦，利用Laplace、Fourier變換推導了淺層含水層內地下水位波動時板式支護基坑周圍地基土孔壓響應的二維近似半解析解；聶文峰[4]提出了濱海淺層含水層地下水位波動和臨海水位波動2種情況下的基坑滲流簡化分析模型，利用PLAXIS軟件，基于Biot固結理論,建立相應的有限元數值分析模型，分析了淺層含水層地下水位波動與水位在海床面以上波動2種條件下基坑及周圍地基的水土壓力響應，并討論相關參數對基坑滲流性狀的影響；鐘佳玉等[5]采用波流水槽模型試驗方法，研究了規則波和不規則波作用下砂質海床的孔隙水壓力響應問題，其中主要考慮不同深度、波高及周期對孔隙水壓力的影響，從而得出孔壓變化規律。

可以發現，當前對臨海受潮汐作用下場地孔隙水壓力變化的分析，主要集中在孔壓變化的微觀現象、滲流路徑的特定變化模式等確定性情況。本文主要從地下水流動規律入手，采用地下水一維流動的布辛奈斯克方程，研究臨海地下水潛水含水層水位波動的影響因素；根據海南三亞某基地臨海地區地層地下水水位在潮汐作用下的長期觀測資料[6]，進行主要影響因素的識別與分析，研究臨海地區地下水水位在潮汐作用下的主要影響因素。

1 潮汐及地下水監測網的建立

現場通過鉆孔埋設3條剖面共15個土壓力觀測孔，剖面線間距30m、孔間距15m。其中北側2條剖面每孔埋設土壓力計3件，南側1條剖面每孔埋設土壓力計4件。在15個孔隙水壓力監測孔中選取5個孔，每孔埋設1只孔隙水壓力計進行地下水位監測。為監測海水水位隨潮汐作用的變化，在與3條剖面線相應的范圍內沿海岸線布設3點海水水位監測點，每點埋設1只孔隙水壓力計。地下水水位、潮汐水位監測點平面布置見圖1。

圖1 地下水水位、潮汐水位監測點平面布置圖

2 潮汐及地下水觀測成果分析

通過監測發現：在農歷每月初一、十五前后，各要發生1次潮差最大的大潮；在每月初八、二十三前后，各要出現1次潮差最小的小潮。在出現大潮時，必定為全日潮；在大潮過后，潮差逐漸變小，潮汐類型由全日潮逐漸變為不規則全日潮，最后變成不規則半日潮，如圖2所示。

圖2 潮汐引起的地下水水位周期波動

海水的漲落周期對于全日潮來說，每天有1個高潮，高潮時間一般能維持1h左右；對于不正規半日潮，一般在凌晨和下午各1次，且2次潮高不相等。潮汐的漲落時間每天各不相同，15d為1個周期，因此，1次高潮發生后，下次高潮時間為次日的同一時間向后推遲0.8h，具體見圖3、圖4。

由此可見，每次潮汐過程都會造成臨海地下工程場地地下水位的大幅上升，增加水土壓力，使施工過程中止水帷幕成樁難、成樁質量差，給基坑的設計施工帶來較大的風險。

3 潮汐作用下的地下水水位波動方程推導

3.1 控制方程

圖3 全日型潮

圖4 半日型潮

在一定范圍內，臨海含水層系統受到海水潮汐運動影響，產生水位波動。為簡化計算，依據場地條件，作如下假設：

（1）含水層均值各向同性，底部隔水層水平，忽略外部降雨入滲補給。

（2）地下水與向海水的流動可以看作一維流，地下水流動方向與海岸線垂直。

（3）潛水流的初始狀態為穩定流。

（4）海平面變化使得潛水含水層發生瞬時回水，如圖5所示。

圖5 濱海地下水系統

3.2 邊界條件

邊界條件為向陸邊界和向海邊界，其中向陸邊界假定為足夠遠處，地下水水位不受潮汐變化影響，取為定水頭邊界（h1）。在上述情況下，地下水的運動可以用Boussinesq方程來描述：

式中：h為地下水水位（以底部為基準面）；μ為給水

度；K為滲透系數；t為時間；x為橫向坐標。

3.3 解析表達式

當忽略潮汐作用的影響時，地下水水位不隨時間變化。取垂直于大海的單位寬度來研究，初始條件為：

與式（1）聯立，得：

根據假設，潛水流的初始狀態為穩定流，水位可用式（4）表示，即：

在上述情況下，地下水的運動仍可以用式(1)表示，當潛水含水層厚度變化不大時，可以用其平均值hm來代替h，則式（1)經過變量代換和線性化，根據相應的定解條件，得到：

求解得到：

利用下列展開式：

則上式簡化為：

其中：

4 潮汐作用下地下水水位波動分析

4.1 影響地下水波動的主要因素

根據海南三亞某場地的具體工程地質條件，取滲透系數K=7×10-5m/s，給水度μ=0.4，潛水含水層平均厚度hm=10m，向陸邊界處水頭h1=2m，向海邊界處低潮位水頭（初始水頭）h2（0，0）=0~2m，向陸邊界與向海邊界的距離L=100m，潮汐波動周期T=24h。將這些參數代入式（7），得到結果見圖6、圖7。

圖6 地下水水位與潮高關系

圖7 不同水平距離處地下水水位隨時間變化

由于潮汐作用引起海平面增高，臨海潛水含水層受影響范圍增大，在影響范圍內地下水水位隨著潮高的增大而升高。隨著計算地點與海岸距離的增大，潮汐波動對地下水水位產生的影響隨之減小，距離海岸100m處地下水水位基本不受潮汐作用的影響。

4.2 與實測結果對比

在本次監測范圍內，潛水含水層孔隙水壓力受到潮汐的影響，呈現有規律的波動趨勢。在K1~K5剖面，隨著傳感器與海岸邊界距離的增大，孔隙水水頭每日變幅明顯變小（見表1）。對其進行擬合分析后發現，隨著與海岸邊界距離的增大，孔隙水壓力波動幅值有指數衰減趨勢，與解析解計算結果大體符合。如圖8所示，在同一水平位置監測值普遍小于計算值，分析原因可能為：在構建控制方程時，對場地條件進行了簡化，沒有考慮含水層底板起伏和參數空間變異性的影響。

表1 潛水含水層水頭變化與水平距離關系

圖8 監測結果與計算值對比

在一維潛水含水層地下水流動方程的解析表達式基礎上，研究了濱海地區潛水含水層地下水水位受潮汐影響的變化特點，得到了影響地下水水位的主要影響因素為潮汐變化幅值、與海岸水平距離。通過對濱海場地長期監測數據的整理分析，驗證了這一結論。并且，在此次研究中，與海岸水平距離超過100m時，由潮汐引起的地下水波動已經可以忽略不計，不會對工程活動產生影響。

4.3 對土巖質基坑設計與施工的指導意義

海南臨海地區土巖質深基坑的邊坡穩定性取決于基巖面以上土質邊坡的穩定性。因基巖面以上土層滲透性在10-2cm/s左右，其滲透性較強，受潮汐作用影響較大，主要影響因素為距離海岸遠近和潮汐作用幅值的大小。為此，必須做到：

（1）在分析土巖質基坑邊坡穩定性時，必須考慮潮汐作用的影響，而且視基坑周邊距離海岸遠近和方位可分段設計與驗算基坑邊坡穩定性，這樣既取值合理，又能確保基坑邊坡安全。土體與基巖交接面附近為一薄弱面，基坑邊坡穩定性驗算的重點是基巖面以上土質邊坡的穩定性。

（2）在基坑圍護設計時，地下水壓力可分段取值，這樣可分段設計防滲止水帷幕體的強弱，做到基坑邊坡圍護設計既經濟合理，又能確保土質邊坡安全。

（3）在基坑圍護施工時，施工工藝要考慮潮汐作用的影響，必要時應采取一定技術措施，在施工前要有針對性地制定施工技術方案，分析潮汐作用所產生的施工質量風險，制定應對措施。

5 結語

（1）在一維潛水含水層地下水流動方程的解析表達式基礎上，研究了臨海地區潛水含水層地下水水位受潮汐影響的變化特征，得到了影響地下水水位的主要因素為潮汐變化幅值、與海岸水平距離。通過對海南三亞某臨海場地地下水水位長期監測數據的整理分析，驗證了這一結論。同時發現，與海岸水平距離超過100m時，由潮汐引起的地下水波動可以忽略不計，不會對工程活動產生影響。

（2）地下水水位波動主要受到監測點與海岸距離位置的影響，土層自身滲透性能和厚度變化情況不會對地下水水位波動產生明顯影響。

（3）臨海地區潮汐作用下的地下水水位波動特征研究，可有針對性地指導土巖質基坑邊坡穩定性分析，特別是對基坑圍護設計與施工有重要的參考價值和設計依據。