石家庄市轨道交通工程抗浮设防水位分析计算研究

周玉凤，龚选波，朱国祥

（北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京　100101）

摘要：本文综合利用统计回归分析法、动态曲线比拟法、频率分析法、水量均衡法、数值模拟法等方法，预测了石家庄轨道交通1号线、3号线一期工程沿线地下水位的变化趋势和今后百年的最高水位，根据工程结构埋深、土层分布条件对石家庄轨道交通1号线、3号线一期工程抗浮水位进行研究确定，形成了一套适合石家庄地区的抗浮水位研究方法体系及技术体系，为今后石家庄地区抗浮水位研究工作奠定了方法基础和技术基础。

关键词：轨道交通；地下水动态数值模拟；抗浮水位

石家庄市地质环境较特殊，渗透性较大的粗颗粒地层分布较广，地下水受地表径流补给的条件较好，同时受其他人为因素的影响，石家庄市未来地下水位上升的可能性较大。地铁工程埋深大，荷载小，抗浮水位的合理与否不仅直接关系到地铁建设投资和造价，同时也关系到地铁百年运营的安全，故确定科学合理安全的抗浮设防水位显得尤为必要。

1　工程地质条件

石家庄地区地势西高东低，西部为山地、中东部为平原。石家庄地铁1、3号线一期工程主要位于滹沱河冲洪积扇中部（图1），地势开阔，地面高程一般在60～90m之间。

第四系在石家庄地区广泛发育，厚度由山区的几厘米至10余米到平原的几百米不等，以坡积、冲积、洪积、湖积为主。拟建地铁1号线和3号线一期工程位于侵蚀堆积平原区，涉及的地层以第四系的砂土和碎石类土为主，其间夹有粉土和黏性土（图2）。

2　水文地质条件

2.1　地表水系

石家庄市由北向南主要河流有磁河、滹沱河、洨河、槐河等自西向东、东南流经石家庄市；主要水利工程有岗南、黄壁庄、八一、横山岭、张河湾等大中型水库5座。此外，水利工程还主要有石津渠、引岗渠、南水北调中线引水渠等共7条渠。

2.2　地下水分类

石家庄地区第四系松散岩层孔隙水分为浅层孔隙水和深层孔隙水。浅层孔隙水主要含水层是上更新—全新统的砂卵石层（图2中Ⅰ）；该含水层区内均有分布，埋藏深度5～90m；深层孔隙水Q2-4含水层组以下为下更新统（Q1）孔隙承压含水层组，此含水层组主要由含水层（图2中的Ⅲ层）和含水层（图2中的Ⅳ层）组成。此含水层组主要分布于滹沱河大桥—谈固以东和滹沱河以北地区，含水层岩性主要为砂卵石、砂砾石、中粗砂和中细砂层。

2.3　地层渗透性

石家庄市区地表以下分布有黄土状粉质黏土，其渗透系数一般在10-6～10-3m/d之间。研究区大部分区域含水层渗透系数在40m/d以上，特别是滹坨河河道两侧含水层渗透系数在100m/d以上，属强透水性地层。因此石家庄地区未来当出现外来水源补给或开采量急剧减少时，地下水位将会快速回升。

2.4　地下水动态

根据地下水位年内动态变化规律，可将石家庄地下水年内动态划分为降水入渗——农业开采型和径流补给——集中开采型两种类型；由于地下水开采量较大，多年来地下水呈现出以快速下降为主的特点（图3）。受水库放水和限采影响，地下水位开始缓慢回升。

2.5　地下水动力特征

1965年因地下水大量开采，在华北制药厂附近形成降落漏斗，1972年漏斗中心向东转移，移到印染厂附近。

2.6　近期地下水位分布特点

拟建地铁1号线、3号线一期所在场地2011年底地下水位埋深在25～45m，其中西部地下水位埋深相对较浅，东部地下水位埋深较深，部分地段地下水位埋深甚至超过45m。

地下水的重要补给来源，2003年底黄壁庄水库副坝防渗加固工程完成后，副坝渗漏量下降到3646.69×104m3/a，对研究区地下水的补给仍有重要意义。

石家庄平原区由于地下水降落漏斗形成改变了地下水的天然径流状态，在东部出现了地下水的反向径流。研究区地下水位埋藏较深，地下水通过蒸发排泄已不复存在，区内地下水的排泄方式主要是人工开采，包括城市工业、生活的集中开采和市区外围的农业开采，此外研究区东部还存在侧向径流排泄。由于石家庄地区地下水一直处于超采状态，形成了地下水降落漏斗，漏斗东部出现了地下水的反向补给，因此地下水向研究区外的侧向排泄量减少。

3　影响地下水位变化的因素分析

石家庄地区影响地下水位升降的因素主要有大气降水、地下水开采、黄壁庄水库放水、灌溉回归水入渗等。

3.1　大气降水影响

石家庄地区大气降水是地下水的主要补给来源之一，统计分析表明，降雨量与地下水位升幅有较好的相关性（见图4），相关系数达0.95。当集中降雨量为100mm时，地下水位上升约0.1m；当集中降雨量达到500mm时，地下水位升幅达1.7m。

3.2　地下水开采影响

由于石家庄地区地下水位动态受多种因素影响，统计分析表明，地下水累计开采量与漏斗中心附近地下水位埋深有很好的相关性（见图5），相关系数达0.99。由此说明，在外来补给减弱的情况下，石家庄地区即使开采量每年递减，但由于累计开采量的增加，地下水位仍然逐年下降，但下降幅度逐年减少。

3.3　黄壁庄水库放水影响

石家庄市区地下水位变化受黄壁庄水库放水影响较大（见图6），图中1977—1979年，受黄壁庄水库放水影响，地下水位明显上升；1988—1991年受黄壁庄水库放水影响，地下水位下降的趋势得到控制；1995—1996年，受黄壁庄水库放水影响，地下水位出现大幅度回升。

3.4　灌溉回归水入渗影响

灌溉回归水入渗也是地下水的补给来源之一，石家庄市周边每年春灌和秋灌季节有大量农田得到灌溉，灌溉水除部分通过大气蒸发和农作物吸收外，大部分渗入到地下。

4　地下水流数值模拟

根据地铁设计，地铁埋深都在30m以内。所以本次研究的含水层为底板埋深20～200m的Q2-4沙砾卵石含水岩组，即浅层孔隙水。

4.1　水均衡计算与分析

区内地下水均衡项包括：降水入渗补给、灌溉入渗补给、河渠渗漏补给、地下侧向流入、地下水开采和地下水侧向流出。

降水入渗补给量：根据降水入渗系数分区（图7）进行计算。

灌溉回归量：均衡区农业开采量包含行政区内（石家庄市、藁城市、正定县、栾城县、鹿泉市）和行政区外两部分，均衡区内农业开采量见表1。

渠道渗漏量：2004—2011年年均渠道渗漏量计算成果见表2。

侧向流入（出）量：根据地下水流场及含水厚度、渗透性的变化，将均衡区流入边界划分为8条计算断面进行计算，其中黄壁庄水库副坝南侧山前概化为3条；黄壁庄水库副坝、主坝概化为2条；黄壁庄水库主坝北侧山前概化为2条；均衡区北边界磁河概化为1条。均衡区流出边界划分为4条。侧向流入、流出量计算成果见表3。

地下水开采量：根据计算结果，均衡区2004—2011年年均农业开采量为67785×104m3/a，生活开采量为15180×104m3/a，工业开采量为15901×104m3/a。

地下水储变量：地下水储变量根据2004—2011年地下水位变差及变幅带给水度分区求取。

水均衡分析：均衡区2004—2011年地下水水均衡各计算数据见表4。

4.2　水文地质概念模型的建立

由于研究区地下水系统边界条件难以控制，本次模拟实际区域圈定根据水文条件比较清楚且比较好控制为原则，预测采取局部加密的方法。模型的面积为2884.27km2（包括石家庄都市区、鹿泉市、正定县、藁城市、栾城县）。

根据前述讨论可知，Q3-4和Q2含水层组二者为具有密切水力联系的统一含水系统，因此，将其概化为一层。

地下水径流的水力坡度（除降落漏斗附近）比较平缓，在西部为2.5‰～4.1‰，在东部为0.4‰～1.0‰。又考虑到含水层厚度比较大，将地下水流作为二维平面流处理。水流各要素随时间发生变化，为非稳定流。

西部边界为山区与平原分界线，作为弱透水边界；黄壁庄水库副坝虽然已实施防渗工程，但仍有大量水流渗漏补给区内，也作为流入边界；北部以磁河为界，为侧向流入边界；东部以于家庄、十里铺、张家庄一线为界，南部以栾城、元氏县南部县界为界，均为流出边界（图8）。

4.3　模型初始值的确定

选择2004年6月的地下水流场作为建模的初始流场。降水入渗系数：根据包气带的岩性和厚度，地形地貌条件把模型区的降水入渗系数分为17个分区，参考前人工作报告，给出初值，待模拟时确定。

河渠渗漏补给强度：在模拟时段，滹沱河放水很少，暂不考虑滹沱河入渗补给；石津渠的单位长度渠道损失系数设定为0.00253km-1，渠道渗漏补给系数设定为0.45。

农田灌溉水入渗补给地下水的回归系数取0.185。以上各值按不同时段换算成面状补给强度。作为初值输入模型，经模拟识别确定。

垂向排泄强度：根据有关部门统计资料，市区部分分为水源地、自备井两部分。市辖各县按照县城和郊区把工业、生活、农业分配到各区。按照不同时段换算成排泄强度，输入模型。

边界条件的处理：西部边界、东部边界、南部边界的流量边界，其初值是根据地下水流场特征分析计算相应给出。

水文地质参数初值：根据工作区内前人的工作报告，结合区内地质、水文地质条件，对模拟区进行水文地质参数分区，并给出各分区的渗透系数和给水度初值，待模拟时确定。

4.4　模型的识别与检验

本次模型的识别验证时间段为2004年6月至2011年12月，流场拟合效果图如图9所示，钻孔地下水动态典型拟合图如图10所示。

模型识别表明：流场拟合较好，说明水文地质条件的概化是合理的，数学模型是正确的，水文地质参数、垂向补、排强度及边界的侧向径流量等，通过调整，认为是符合实际的，能够反映地下水动力条件，可用于预测。

5　石家庄地铁1号线、3号线各站点最高水位预测

通过前面的论述可知，石家庄地区水位变化主要受自然和人类活动影响。人类活动会对石家庄地下水产生升高效应的主要为利用南水北调江水进行地下水库调蓄。自然条件对石家庄地下水产生升高效应的主要为降水，考虑到地铁工程为百年工程，则百年一遇（P=1％）的降水会对地铁产生最不利的影响。因此根据对工程最不利的原则，将人类活动和百年一遇（P=1％）的降水叠加预测各站点最高水位。

5.1　地下水库调蓄对地下水水位的影响分析

调蓄20年后，市区降落漏斗消失，城区水位恢复至埋深15～30m左右，接近石家庄市地下调蓄规划的目标。此时，地下水流场如图11所示，该流场可以作为进一步预测（叠加百年一遇降水的影响）的初始流场。

从以上分析来看，对地下水位变化最不可控的因素就是地下水库调蓄。而地下水库调蓄量的多少则直接与用水量的多少直接相关。根据石家庄市规划，未来用水量呈增加趋势，到2020年基本完全消化掉南水北调来水。为此本次模拟采用对工程最不利最不可能的开采量和调蓄量来模拟地下水库调蓄对地下水位的影响，即保持现状开采水平不变。从分析来看，地下水库调蓄至地下水位埋深15m的概率是极小的。

5.2　各车站最高水位预测

根据前述分析，影响地铁安全运行的自然因素主要为极端降雨所产生的地下水水位急剧上升。因此，作为百年工程的地铁为预测最高水位，就必须充分考虑人类活动和自然因素对地铁最不利的情况。即，在图12地下水埋深分布的基础上，叠加百年一遇（P=1％）的降雨所产生的水位增幅，以此作为未来可能达到的最高水位。

（1）百年一遇（P=1％）降雨设计：根据石家庄市1919—2011年降水量资料，采用水文频率分析法求取石家庄市百年一遇的降水量。最后根据统计参数，给定设计频率求设计值。最后得出石家庄百年一遇（P=1％）的降雨量为1140.87mm（图12）。得到百年一遇的设计值后，选择典型年对设计暴雨量按月分配雨量，选择典型年的原则为：在已有的实测系列中选取与设计值相等或接近的年份即可作为相应的代表年。如果有两个以上的年份实测值与设计值都比较接近，必须按照“年内分配最不利”的原则进一步选择确定。按照此原则，选择1963年为典型年。

泄洪期滹沱河河道渗漏量的设计：当石家庄遇到百年一遇的降雨时，势必会引起山前水库库容不能满足调蓄的目标。根据水利局提供资料，石家庄“96·8”洪水期间，黄壁庄水库共向河道泄洪22.39亿m3，本年降雨量为1097.1mm。设计百年一遇降雨量为1140.87mm，采用比对方法设计百年一遇降雨时的河道泄洪量为23.28亿m3。入渗系数采用1988年黄壁庄水库泄洪实测值0.41。

根据计算得到设计泄洪时滹沱河渗漏量为9.54亿m3。

（2）石家庄地铁1、3号线一期工程最高水位预测

为预测1、3号线各站点最高水位，模型运行十年，得出1、3号一期工程各站点水位变化图，典型变化曲线如图13所示。

可以看出，极端降雨对地下水位有明显的影响，普遍导致水位上升1.0～2.0m，离滹坨河较近的个别车站，水位上升在5m以上。多数站点在极端降雨当年或第二年出现最高水位。极个别站点在极端降雨的第三年出现最高水位。根据对工程最不利原则，1、2、3号线站点在P=1％时最高水位见表5。

根据预测结果可以看出地下水库调蓄对石家庄城区水位抬升效果明显，在调蓄10年的情况下，城区水位能恢复至埋深20m左右，降落漏斗消失。在继续调控的情况下，城区水位完全可以达到调控目标，即平均埋深15m左右。在埋深15m的情况下，对地铁的换乘站会产生一定的浮力作用。如果再遇到极端降雨情况，水位会陡然上升，极有可能对整条线路产生影响。最高水位的预测必须同时考虑人类活动和自然因素的双重影响。根据对工程最不利原则为准则。当在地下水库调蓄至平均水位埋深15m且遇到百年一遇（P=1％）时，此时的水位为最高水位。在该情况下各站点水位普遍上升1.0～3.0m。最浅水位埋深为8.51m，最深水位埋深17.09m。多数埋深在11.0～13.0m之间。

6　石家庄地铁1、3号线一期工程各站点抗浮水位预测

6.1　抗浮水位计算模型

根据石家庄市轨道交通1、3号线一期工程结构埋深、土层分布条件和未来地下水位可能上升到的最高值，确定适合于石家庄市轨道交通1、3号线一期抗浮设防水位计算的模型有8类。各模型的特征参见表6。

6.2　各车站抗浮水位的确定

根据设计提供的资料和各车站所在场地的地层分布特点，将设防水位研究涉及的37个车站的结构底板与地层的组合关系进行分析，典型关系参如图14及图15所示。

6.3　各车站抗浮水压力值建议

在确定各车站的抗浮设防水位时，利用前面预测得到的各车站所在场地未来可能遭遇的最高地下水位、各车站结构底板埋深和场地地层分布特点，确定适合于各车站的抗浮设防水位计算模型，根据各车站各自适用的计算模型，确定相应的抗浮设防水位。计算结果表明，本次涉及的车站中有9个车站的基底水压力为0，其余车站的基底水压力在3.6～129.4kPa之间，其中3号线的中山广场站和柏林庄站基底水压力较大，详见表7。

7　结论

本报告在分析石家庄市轨道交通所在场地水文地质条件及影响地下水位变化的各种因素的基础上，通过地下水渗流数值分析，结合轨道交通沿线地层分布及初步设计条件，确定石家庄市轨道交通1、3号线一期各车站的抗浮设防水位建议值，得到以下几点结论：

（1）石家庄市轨道交通沿线目前地下水位埋藏较深，一般大于25m。

（2）石家庄地区影响地下水位升降的因素主要有地下水开采、大气降水、黄壁庄水库放水、灌溉回归水入渗等。

（3）石家庄市轨道交通1、3号线一期各车站未来地下水位有可能上升到地面下埋深约10.96～16.58m左右。

（4）根据石家庄市地铁结构底板埋深、地层分布特点和未来地下水位可能达到的最高值，得到石家庄市轨道交通1号和3号线一期各车站基底水压力建议值，其中有9个车站的基底水压力为0，其余车站的基底水压力在3.6～129.4kPa之间。

参考文献

[1]　汤连生，王思敬.湿吸力及非饱和土的有效应力原理探讨[J].岩土工程学报，2000，22（1）.

[2]　张在明，孙保卫，徐宏生.地下水赋存状态于渗流特征对基础抗浮的影响[J].土木工程学报，2001，34（1）.

[3]　张第轩，陈龙珠.地下结构抗浮计算方法试验研究[J].四川建筑科学研究，2008，34（3）.

[4]　袁正如.地下工程抗浮设计中的几个问题[J].地下空间与工程学报，2007，3（3）.

[5]　张欣海.深圳地区地下建筑抗浮设计水位取值与浮力折减分析[J].勘察科学技术，2004，2.

[6]　刘国亮，杨志武，孙国春.浅析天津市区地下水抗浮设防水位确定方法[J].地下水，2009，31（2）.

[7]　中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50007—2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[8]　中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50021—2001岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.