常 翠，馬 超，鄭金城

(1.漳州科技職業(yè)學(xué)院，福建 漳州 363202；2.天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所，天津 300170)

1 模擬區(qū)概況

此次研究主要依托山西省太原市地下水資料，利用Visual MODFLOW軟件建立地下水?dāng)?shù)值模型，對(duì)模擬區(qū)內(nèi)的地下水水位進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究模擬區(qū)域內(nèi)地下水位變化對(duì)建筑物地基基礎(chǔ)的影響，從而為模擬區(qū)內(nèi)建筑物設(shè)計(jì)中地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)部分提供依據(jù)。

1.1 自然概況

模擬區(qū)位于山西省太原市盆地區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯37°36′～38°4′，東經(jīng)112°19′～112°45′，包括市內(nèi)六城區(qū)(即尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)、萬柏林區(qū)、迎澤區(qū)、晉源區(qū)和小店區(qū))，北起西高莊-青龍鎮(zhèn)，南至瀟河，東以東邊山斷裂為界，西以西邊山斷裂為界，總面積約736 km2，地形北高南低，東西兩側(cè)高中間低，山區(qū)向盆地階梯下降，盆地內(nèi)東、西兩側(cè)地形具明顯不對(duì)稱性[1]。屬溫帶半干旱大陸性氣候，平均降水量430.9 mm，地表河流均屬黃河流域，汾河為縱貫全區(qū)的最大干流，對(duì)太原市地下水的補(bǔ)給影響較大。

1.2 水文地質(zhì)概況

本區(qū)含水層主要為松散巖類孔隙水含水層和碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層，其中松散巖類孔隙水含水層包括淺層(含水層底板埋深30～60 m)和深層(含水層底板埋深為50～350 m)的地下水。淺層地下水的主要補(bǔ)給來源為西部山區(qū)巖溶水和裂隙水的側(cè)向徑流補(bǔ)給及大氣降水或地表水的滲漏補(bǔ)給(包括河、湖、渠的滲漏補(bǔ)給和農(nóng)田灌溉回滲補(bǔ)給)；開采、蒸發(fā)及向中深層水的越流為其主要排泄途徑，向區(qū)外側(cè)排量甚微可忽略不計(jì)。中深層水的主要補(bǔ)給來源是上層越流和盆地周邊的側(cè)向補(bǔ)給，人工開采和側(cè)向徑流排泄為其排泄途徑。巖溶水化學(xué)特征分帶明顯，從補(bǔ)給區(qū)-徑流區(qū)-排泄區(qū)-滯流區(qū)，水溫、礦化度、硬度逐漸增高，水化學(xué)類型由HCO3-HCO3·SO4-SO4順序演化。

2 地下水?dāng)?shù)值模型建立

2.1 水文地質(zhì)概念模型與邊界條件的確定

綜合研究模擬區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，從地下水流動(dòng)系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，同時(shí)考慮模擬區(qū)地下水開采利用現(xiàn)狀及供水意義，將模擬區(qū)地下水含水層系統(tǒng)概化為三層結(jié)構(gòu)、立體化的水文地質(zhì)概念模型，從上至下，分別為淺層潛水含水層、中間弱透水層及中深層承壓水含水層。由于自然因素、季節(jié)變化及人為開采地下水不均衡的影響，模擬區(qū)內(nèi)地下水呈非穩(wěn)定狀態(tài)。模擬區(qū)含水層賦存介質(zhì)均為第四系孔隙介質(zhì)，概化為非均質(zhì)各向同性介質(zhì)；對(duì)地下水賦存條件進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，借鑒模擬區(qū)之前的研究成果，對(duì)模擬區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分區(qū)，同一參數(shù)分區(qū)內(nèi)含水層可視為均質(zhì)各向同性，地下水流服從達(dá)西定律。根據(jù)模擬區(qū)內(nèi)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件并結(jié)合潛水、承壓水水動(dòng)力場(chǎng)特征，將模擬區(qū)邊界全部概化為流量邊界(即二類邊界)，其中東、西、北部邊界為補(bǔ)給邊界，南部以太原清徐交界線為界概化為排泄邊界。利用模擬區(qū)域內(nèi)長觀孔的監(jiān)測(cè)資料，將2017年5月1日地下水位值經(jīng)插值計(jì)算得到潛水含水層和承壓含水層的滲流場(chǎng)，將其作為地下水?dāng)?shù)值模型的初始流場(chǎng)。

2.2 模擬區(qū)地下水?dāng)?shù)學(xué)模型

根據(jù)模擬區(qū)水文地質(zhì)概念模型，不考慮弱透水層釋水，分別建立了淺層潛水和中深層承壓水系統(tǒng)地下水?dāng)?shù)學(xué)模型，分別為：

淺層地下水(潛水)子系統(tǒng)：

中深層地下水(承壓水)子系統(tǒng)：

采用向后差分法，迭代求解。

2.3 源匯項(xiàng)

2.3.1 補(bǔ)給項(xiàng)

研究區(qū)主要接受降水補(bǔ)給、側(cè)向徑流補(bǔ)給、河道滲漏補(bǔ)給、渠系滲漏補(bǔ)給、田間灌溉水入滲補(bǔ)給、井灌回歸量及相鄰含水層越流量。經(jīng)過計(jì)算研究區(qū)降水入滲補(bǔ)給量為4 171.44萬m3/a，潛水含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給量為3 128.09萬m3/a、承壓含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給量為2 776.46萬m3/a，河道滲漏補(bǔ)給7 190.2萬m3/a，東西干渠的滲漏量為1 744.53萬m3/a，田間灌溉水入滲補(bǔ)給量為581.33萬m3/a，井灌回歸量為178.57萬m3/a，越流量為6 184.78萬m3/a。

在地下水流模擬模型中，把渠灌田間入滲補(bǔ)給量、井灌回歸量轉(zhuǎn)化成隨應(yīng)力期變化的面狀補(bǔ)給強(qiáng)度。

2.3.2 排泄項(xiàng)

研究區(qū)排泄項(xiàng)主要包括潛水蒸發(fā)、側(cè)向排泄及人工開采地下水。經(jīng)計(jì)算潛水蒸發(fā)量為5 540.56萬m3/a，潛水含水層側(cè)向排泄量為485.82萬m3/a、承壓含水層側(cè)向排泄量為5 391.72 萬m3/a，2011年太原市盆地孔隙水開采量總計(jì)為7 306.84萬m3。開采量按水井位置和所屬含水層類型分配到指定的計(jì)算單元。

2.4 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)與取值

對(duì)于地下水?dāng)?shù)值模型來說，水文地質(zhì)參數(shù)的選取是至關(guān)重要的，其合理與否直接影響到數(shù)值模型的計(jì)算精度及結(jié)果的可靠性[2]。對(duì)于含水層參數(shù)的取值，主要參考以往抽水試驗(yàn)的資料。根據(jù)太原市松散巖類孔隙水含水層的巖性、富水性、埋深條件、厚度以及水位動(dòng)態(tài)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)。

2.5 模型的識(shí)別與驗(yàn)證

根據(jù)研究區(qū)地下水水位監(jiān)測(cè)資料的實(shí)際情況，選取2017年5月至2018年5月一個(gè)水文年作為模型識(shí)別時(shí)段，對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證，并利用水均衡法來判別模型的可靠性。模型檢驗(yàn)過程中，參數(shù)初值的給出是根據(jù)抽水試驗(yàn)計(jì)算的參數(shù)作為調(diào)參的初值，通過試錯(cuò)方法調(diào)參得到最后的參數(shù)。

3 地下水位預(yù)測(cè)及水位變化對(duì)地基基礎(chǔ)可能產(chǎn)生的影響

3.1 模擬區(qū)地下水位預(yù)測(cè)

將太原市地下水開采資料輸入地下水?dāng)?shù)值模型中，研究潛水和中深層承壓水地下水流場(chǎng)，預(yù)測(cè)2025年太原市潛水與承壓含水層水位。

與初始流場(chǎng)圖相比，2025年潛水含水層中原有的嘉節(jié)-北營漏斗基本消失，地下水徑流方向由原來的四周向漏斗中心變?yōu)橛蓶|、西、北三面向南徑流排泄。研究區(qū)內(nèi)水位升幅為3～13 m。在西張一帶水位升幅最大，可達(dá)13 m，水位上升速率為1.44 m/a；三給地壘以北汾河附近水位升幅為3 m，水位上升速率為0.33 m/a；南中環(huán)橋以南附近水位升幅為7 m，水位上升速率為0.78 m/a(見圖1)。

與初始流場(chǎng)圖相比，承壓含水層水位仍然有升有降，但總體呈上升趨勢(shì)，水位變幅為-15～34 m，西張地區(qū)、市中心區(qū)地下水位呈穩(wěn)定上升狀態(tài)，陽曲鎮(zhèn)黃花園、萬柏林區(qū)太原重機(jī)廠一帶水位呈下降趨勢(shì)，晉源區(qū)晉源鎮(zhèn)一帶地下水位呈穩(wěn)中有降趨勢(shì)。西張地區(qū)地下水位升幅達(dá)34 m，區(qū)內(nèi)地下水處于涵養(yǎng)狀態(tài)，水位上升速率為3.78 m/a，向陽漏斗消失；市中心區(qū)水位呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，省政府漏斗內(nèi)閉合線由原來的720 m上升為740 m閉合線，地下水位平均上升22 m，水位上升速率為2.44 m/a；吳家堡-北營漏斗區(qū)水位呈上升狀態(tài)，吳家堡中心區(qū)內(nèi)閉合線由700 m上升為720 m，且漏斗面積減?。槐睜I漏斗內(nèi)閉合線680 m，其閉合面積由原來的2.70 km2減小為0.69 km2，年減小率為0.22 km2/a；小店降落中心內(nèi)閉合線720 m，其閉合面積由原來的4.65 km2減小為2.41 km2，年減小率為0.25 km2/a。陽曲鎮(zhèn)黃花園漏斗區(qū)中心閉合線下降為780 m，漏斗平均水位上升15 m，水位上升速率為1.67 m/a；重機(jī)學(xué)院漏斗區(qū)內(nèi)閉合線水位下降至720 m，漏斗平均水位上升13 m，水位上升速率為1.44 m/a(見圖1～2)。

圖1 2025年潛水含水層等水位線圖

圖2 2025年承壓水含水層等水位線圖

3.2 地下水位變化對(duì)地基基礎(chǔ)產(chǎn)生的可能影響

地下水位的變化會(huì)引起地基土中應(yīng)力的變化。模擬區(qū)域內(nèi)在2025年地下水位總體上升，潛水位最大上升13 m，承壓水位最大上升34 m，水位變幅均較大。根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，地下水位上升會(huì)使孔隙水壓力增大而有效應(yīng)力減小，地基中巖土自重應(yīng)力減小，地基承載力降低，強(qiáng)度下降；地基土層穩(wěn)定性變差，壓縮性增大，在上覆建筑物的自重及人為活動(dòng)影響下，不均勻沉降的影響將增加[3]；原場(chǎng)地中不良地質(zhì)影響變大；地下水滲透破壞影響增大；如地基土為粉土或粉細(xì)砂，地下水位上升粉土或粉細(xì)砂飽水，地基土容易出現(xiàn)流砂、液化現(xiàn)象；冬季氣溫低于零度，地下水凍結(jié)，使地基土發(fā)生凍脹，春夏地下水融化，反復(fù)凍融，使地基發(fā)生破壞；此外，地下結(jié)構(gòu)物充水，基礎(chǔ)上浮，影響建筑物上部結(jié)構(gòu)的使用安全[4]。

4 結(jié) 論

地下水作為建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素，其水位變化對(duì)地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定與建筑物的安全有著較大的影響，了解建筑物場(chǎng)地地下水位的變化對(duì)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)十分重要。利用區(qū)域地下水資料，通過Visual MODFLOW軟件建立地下水?dāng)?shù)值模型可以對(duì)地下水位進(jìn)行預(yù)測(cè)。本研究模擬區(qū)在維持現(xiàn)狀年開采條件下，2025年地下水水位整體上呈上升趨勢(shì)，潛水系統(tǒng)2025年水位變幅為3～13 m；中深層承壓水2025年水位變幅為-15～34 m，地下水位大幅度變化可能對(duì)模擬區(qū)建筑物地基基礎(chǔ)產(chǎn)生較大影響，出現(xiàn)地基失穩(wěn)、基礎(chǔ)破壞等問題，影響建筑物的使用安全。所以建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)只考慮當(dāng)前地下水位的影響，還應(yīng)考慮未來建筑物使用期內(nèi)地下水位變化對(duì)地基基礎(chǔ)可能產(chǎn)生的影響，保障建筑物的使用安全。

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