三維數(shù)值方法在降水設計中的應用

代小強

中國五冶集團有限公司 四川成都 610063

1 工程概況

柳州保利國際中心位于廣西柳州市白沙路2號大江郡建設用地E地塊，東臨濱江東路，西臨白沙路，南臨壺東大橋匝道，北靠大江郡建設用地CD地塊。本項目由一棟綜合塔樓、一棟集中商業(yè)裙樓及四棟小型商業(yè)建筑組成，業(yè)態(tài)包含商業(yè)、電影院、寫字樓和星級酒店等[1]。綜合塔樓地上54層，高249.9m，地下3層，最大深度20.8m。本工程位于喀斯特地貌地區(qū)，地下不僅含有溶洞、溶蝕裂隙、土洞等，還有一層承壓性潛水層，水量豐富，主要由柳江河側向補給，該層地下水測量穩(wěn)定水位位于塔樓基坑底板以上。同時，受地下豐富承壓潛水及長期雨水影響，塔樓基坑土釘墻支護已垮塌失效。上述現(xiàn)狀表明，早期降水設計方案并未達到預期效果，其設計的降水措施未能將地下水降到安全線以下，降水設計結果有誤。因此，為確保工程施工質量與安全，必須對排水進行重新計算模擬，根據正確的分析結果，重新制定降水方案。

2 施工重點與難點

本工程場地勘察范圍內巖土種類多，各巖層滲透性差異較大，場地內不僅育有溶洞、溶蝕裂隙等，還伴有一層豐富的承壓性潛水層。目前國內采用的常規(guī)的降水設計方法屬于二維數(shù)值模擬計算，這種計算方法對單層地質滲流可以進行較好的分析，但無法應對復雜的水文地質條件。本工程前期根據二維數(shù)值模擬計算而來降水措施，其降水效果與預期偏差較大，也正好驗證了這一點。

3 應對技術路線

通過運用三維數(shù)值模擬降水設計方法，對本工程排水進行精確的地質模擬及降水數(shù)值分析，對降水效果預先進行模擬以便確定最優(yōu)降水方案。根據得到的模擬降水值，確定降水對建筑及環(huán)境造成的影響，再根據以往經驗及國內類似環(huán)境的優(yōu)秀處理辦法來確定沉降過程中的控制措施[2]。

4 技術原理

根據本工程水文地質條件，建立地下水流的三維數(shù)值模擬模型，該模型可較好地模擬場地內各種復雜水文地質條件。

4.1 滲流計算的基本理論

為了有效地降低承壓水頭，首先應進行地下水的滲流計算分析，這也是降水設計的理論基礎。

4.1.1 承壓性潛水層的滲流控制方程

建立流體和多孔介質不可壓縮時非恒定達西滲流場求解的微分控制方程：

4.1.2 定解條件

式中：H0（x,y,z,t）— 點（x,y,z）處的初始水位（m）；

H1（x,y,z,t）— 點（x,y,z）在t時刻的邊界已知水位（m）。

采取向后差分法對以上數(shù)學模型進行離散處理，可求得三維數(shù)值模型。進而可以分析預測降水后地下水位在時間和空間上的分布情形。

4.2 承壓性潛水層降深計算

4.2.1 建立基坑降水數(shù)值模擬模型

根據模擬區(qū)域的含水層構造、邊界情況和水流特征，模擬分析區(qū)域以基坑為中心，區(qū)域邊界到達降水井能影響到的部位。

4.2.2 確定模擬期間及應力期間

模擬期間定為1個月，將整個模擬期劃分為3個計算周期，周期內的時間步長為24小時。在計算周期內，外部源匯項的數(shù)值不變。

4.2.3 模型劃分網格

根據模擬區(qū)的含水層構造、邊界和水流特征，將模擬區(qū)域豎向劃分為3層，每層劃分為180行、280列矩形網格?；泳W格剖分見圖1。

圖1 基坑網格剖分平面圖

4.2.4 源匯項的處理

（1）組合降水井設置：組合井設置埋置深度、過濾孔長度、水量大小等參數(shù)。（2）邊界條件的處理：邊界設置成定水頭，水位保持不變。

4.2.5 基坑降水預測

根據上述已知參數(shù)，結合組合降水井構造，在基坑內布置若干組合井并計算。形成水位下降深度分布圖。通過數(shù)值模擬分析，在基坑布置31口組合井，一個月后水位將趨于穩(wěn)定，除1#塔樓基坑外，其余部位下降到安全水位。由于降水井已考慮設置到了灰質白云巖面，再往下成孔較困難，因此塔樓部位單獨附加采取碎石排水盲溝的方案使水頭降到安全水位線[3]。

4.3 地面沉降計算

采用有限差分法，由滲流方程可以求得任一時刻的水位降低值，再由沉降方程可以求出基坑內及周邊的沉降量。本次沉降計算針對基坑開挖到底的工況進行計算，其計算結果整理成沉降等值線圖。根據預測的沉降量，我們就可以提前制定合理的防沉降影響應對措施。

5 結語

在降水實施過程中，我們實時采集降水數(shù)據，并將其與統(tǒng)一工況下的數(shù)值模擬預測結果進行對比分析，實測值與預期值相近，說明這種計算方法是行之有效的[4]。

近年來，位于喀斯特地貌地區(qū)廣西及云貴地區(qū)的基礎設施建設步伐大幅提速。該區(qū)域建筑事業(yè)的全面發(fā)展，勢必會讓施工單位在原本復雜的喀斯特地貌條件下迎來更多的挑戰(zhàn)。 這種喀斯特地貌地區(qū)富水條件下降水設計的三維數(shù)值模擬計算方法，適用于具有豐富承壓水的溶洞、溶蝕裂隙地區(qū)的基坑降水計算分析，其計算方法精度較高，彌補了常規(guī)二維降水數(shù)值模擬無法解決的計算難題，也給處理其他類型復雜水文地質條件下的降水設計方法提供了借鑒意義。