田代佳,唐 紅
(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430065)
海綿城市建設(shè)在我國(guó)方興未艾,城市水循環(huán)逐漸引起了越來越多人的重視。而隨著社會(huì)需要的不斷增加,在城市地下修建了一系列地下空間工程。這些工程活動(dòng)影響了原有的地下水滲流環(huán)境,導(dǎo)致一些環(huán)境問題不斷滋生,對(duì)于現(xiàn)階段海綿城市的建設(shè)提出了巨大的挑戰(zhàn)。黃云浩等[1]指出從2012年海綿城市的提出至2021年9年時(shí)間,城市內(nèi)澇的問題依然嚴(yán)重,海綿城市的建設(shè)在各地如火如荼地開展,但是建設(shè)成效不高、進(jìn)展較為緩慢等問題依舊存在,地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)對(duì)地下水側(cè)向徑流產(chǎn)生了影響。宿慶偉等[2]關(guān)于濟(jì)南某地區(qū)地下水位上升和水文地質(zhì)條件的變化特征開展研究,指出研究區(qū)周邊深基礎(chǔ)建筑物的增多及人防通道的阻截,使研究區(qū)地下水徑流條件改變,是造成研究區(qū)地下水位升高的主要原因。陳麗影等[3]根據(jù)天府新機(jī)場(chǎng)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地下工程概況等資料,利用ModFlow模擬了地下水滲流場(chǎng)在不同工況下的變化,指出地下水滲流條件在地下空間結(jié)構(gòu)的阻礙下會(huì)發(fā)生改變,生成新的局部分水嶺并建立起新的補(bǔ)徑排關(guān)系。許劼等[4]以南京地鐵、玄武湖水底交通隧道為工程背景,初步分析了玄武湖水底交通隧道對(duì)地下水環(huán)境的潛在影響,這種潛在影響主要包括阻滯地下水的排泄、引起地下水位的升降以及誘發(fā)玄武湖水與古河道水的貫通。曹洪等[5]針對(duì)城區(qū)滲流場(chǎng)固有的特點(diǎn),基于水平面二維有限元數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)城區(qū)滲流場(chǎng)中的地下結(jié)構(gòu)奇異角點(diǎn),懸掛式阻水結(jié)構(gòu)和建筑間縫隙等的模擬提出相應(yīng)簡(jiǎn)化方法。鄭品等[6]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究,觀察對(duì)比了有構(gòu)筑物阻擋和沒有構(gòu)筑物2種情況下地下水滲流情況的變化,研究表明地下構(gòu)筑物的存在改變了水位的分布狀況,并延長(zhǎng)了地下水位穩(wěn)定的時(shí)間。林冬冬等[7]對(duì)廣州地下空間開發(fā)影響地下水環(huán)境進(jìn)行評(píng)估,利用剖面滲流程序?qū)π拚昂蟮亩鄬訚B流程序進(jìn)行校驗(yàn),并對(duì)城區(qū)初始滲流場(chǎng)模擬,在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)地下空間連通對(duì)地下水環(huán)境的影響。馬子欣等[8]基于城市化建設(shè)過程中城市內(nèi)澇問題,全面分析了“海綿城市”建設(shè)的關(guān)鍵科學(xué)問題,并就如何提升“海綿城市”建設(shè)的質(zhì)量與水平提出相關(guān)建議和措施。鄭艷等[9]基于2012年北京“7.21”特大暴雨、2016年武漢特大水災(zāi)等突破歷史記錄的極端事件,提出城市的應(yīng)對(duì)能力不足以應(yīng)對(duì)越來越嚴(yán)重的氣候變化,我國(guó)城市脆弱性突出、韌性缺失的短板逐漸暴露出來,并指出建設(shè)韌性城市是國(guó)際社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)城市目標(biāo)的基本共識(shí)。劉普勝等[10]通過建立精細(xì)的三維有限元模型,運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)運(yùn)行工況下高壓隧洞區(qū)域的滲流場(chǎng)和滲漏量進(jìn)行分析,對(duì)巖體水力劈裂風(fēng)險(xiǎn)性和滲透穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估,并對(duì)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。
在海綿城市建設(shè)過程中,各類地下工程的建設(shè)對(duì)地下水環(huán)境及整個(gè)水循環(huán)過程都產(chǎn)生了較為重要的影響。本文基于一維滲流理論,通過對(duì)修建地鐵隧道前后的地下水側(cè)向徑流變化進(jìn)行分析,探索類矩形隧道對(duì)地下水滲流的影響規(guī)律,將不同形式的類矩形隧道計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以得到對(duì)地下水循環(huán)影響較小的形式,用以對(duì)地區(qū)的城市地鐵隧道建設(shè)提供參考。
海綿城市這一新概念是目前最新針對(duì)城市雨水管理所提出的,要求城市環(huán)境在短時(shí)間內(nèi)大量降雨時(shí)具有良好的“吸水性”,也被叫做“水彈性城市”。整個(gè)城市如同海綿一樣,能夠根據(jù)社會(huì)的實(shí)際需要,在下雨時(shí)將降雨積水吸收儲(chǔ)存,后期根據(jù)實(shí)際情況能夠?qū)⑺4娴乃愃坪>d擠壓排出以提供給人們滿足實(shí)際需求。海綿城市建設(shè)的目的是將城市地基建設(shè)成具備海綿特質(zhì)的儲(chǔ)存容器,從而保證城市應(yīng)對(duì)驟然暴雨、洪澇災(zāi)害及其他與水循環(huán)有關(guān)的環(huán)境問題?!昂>d城市”的概念于2012被首次提出,隨后一些學(xué)者和專家不斷對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。出于有利于城市建設(shè)的考量,許多城市紛紛開始海綿城市建設(shè)的試點(diǎn)工作,通過對(duì)近年投資總額的分析可知國(guó)內(nèi)海綿城市的建設(shè)已經(jīng)趨于穩(wěn)定。
目前國(guó)內(nèi)許多地方關(guān)于海綿城市建設(shè)的進(jìn)展存在著很多制約其發(fā)展的問題,尤其是如何處理好城市建設(shè)與水體循環(huán)的矛盾最為突出。海綿城市建設(shè)的過程中,整個(gè)城市的水體循環(huán)是其至關(guān)重要的一環(huán),而一大批地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)和施工無法避免地會(huì)對(duì)地下水體循環(huán)造成影響,進(jìn)而對(duì)整個(gè)城市水循環(huán)造成干擾。現(xiàn)在一大批城市已經(jīng)制定了關(guān)于海綿城市建設(shè)的方案,建設(shè)海綿城市核心在于實(shí)現(xiàn)城市良性水文循環(huán),而地下水循環(huán)這一部分在整個(gè)城市水循環(huán)過程中有著極為重要的作用,對(duì)地下水體循環(huán)的研究決定著未來海綿城市建設(shè)能否達(dá)到預(yù)期目的。
我國(guó)城市軌道交通發(fā)展從最初到現(xiàn)在已走過50多年的歷程,社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)著城市化進(jìn)程加快,要合理地解決城市中心區(qū)日益嚴(yán)重的交通擁堵問題,保障人們出行的便捷和城市化的健康發(fā)展,建設(shè)地鐵線路提供了一個(gè)有效的解決方案,越來越多地鐵項(xiàng)目的建設(shè)不斷推動(dòng)著城市軌道交通建設(shè)逐漸向前發(fā)展。
我國(guó)的地鐵發(fā)展雖然起步較晚,但是建設(shè)推進(jìn)速度迅速。根據(jù)《城市軌道交通2021年度統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)告》[11],截至2021年底,中國(guó)大陸地區(qū)共有50個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路283條,運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度9206.8km。其中,地鐵運(yùn)營(yíng)線路7209.7km,占比78.3%;其他制式城軌交通運(yùn)營(yíng)線路1997.1km,占比21.7%。當(dāng)年新增運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度1237.1km。擁有4條及以上運(yùn)營(yíng)線路且換乘站3座及以上的城市24個(gè),占已開通城軌交通運(yùn)營(yíng)城市總數(shù)的48%。地鐵在我國(guó)城軌交通中占據(jù)著重要的地位。
伴隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展,土地資源也愈發(fā)緊張,使地鐵隧道施工空間逐漸減少,未來方向主要朝大深度發(fā)展,這對(duì)于地下水的原有循環(huán)模式將造成更大的影響。而現(xiàn)階段主要研究方向是地下水對(duì)工程建設(shè)的影響,如劉延輝等[12]以朝陽市某工程為例,對(duì)地下水情況進(jìn)行了綜合性分析,對(duì)地下水給建筑工程帶來的問題提出了合理的解決措施。關(guān)于地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水循環(huán)影響的研究還比較缺乏,需要引起足夠的重視。要實(shí)現(xiàn)海綿城市建設(shè),地鐵等地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水體循環(huán)的研究工作不可或缺,如何妥善解決好工程建設(shè)和水文循環(huán)的矛盾更是制約城市發(fā)展的核心所在。
現(xiàn)階段地鐵隧道基于斷面形狀的不同,可分為圓形、矩形等多種形式,類矩形隧道可以追溯到上世紀(jì)80年代的日本,由于其國(guó)內(nèi)淺層地下空間利用情況逐漸飽和,為緩解土地資源緊張而進(jìn)行了包括矩形盾構(gòu)在內(nèi)的異形斷面盾構(gòu)隧道技術(shù)的研究。相較于傳統(tǒng)的圓形隧道,類矩形隧道具有占用空間小、拆遷量低、對(duì)臨近建筑物和地面交通影響小等特點(diǎn),其空間使用率能提升35%以上,類矩形隧道的建設(shè)為城市核心區(qū)軌道交通建設(shè)難題提供了新的措施,有助于城市地下空間系統(tǒng)化、集約化利用,相較于其他盾構(gòu)隧道更為先進(jìn),能更好地對(duì)周邊環(huán)境起到保護(hù)作用。地鐵隧道線路類型包括單峒雙線式、雙洞單線式等,朱雁飛等[13]指出單峒雙線式是一種重要的軌道交通隧道結(jié)構(gòu)類型,具有節(jié)約橫向空間,利于在區(qū)間內(nèi)設(shè)置配線、便于設(shè)置旁通道等優(yōu)點(diǎn)。出于其優(yōu)點(diǎn)的考慮本文將單峒雙線式作為主要研究對(duì)象。
武漢地區(qū)目前軌道交通建設(shè)方面并未采取類矩形隧道的形式,現(xiàn)對(duì)某地鐵項(xiàng)目某區(qū)段利用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,研究不同隧道形式對(duì)于地下水側(cè)向徑流的影響,為武漢海綿城市建設(shè)在地下水部分提出新的思考,尋求在滿足基礎(chǔ)建設(shè)的需求下如何最大程度地降低對(duì)地下水滲流的影響。
要建設(shè)類矩形隧道離不開盾構(gòu)法施工,而類矩形盾構(gòu)機(jī)施工的隧道,斷面是近似橢圓形的。因此無特殊情況下,類矩形隧道可近似看作橢圓形的連續(xù)混凝土構(gòu)筑物。如圖1所示,橢圓孔區(qū)域?yàn)榈罔F隧道外壁,其外部為土體區(qū)域。在理論上隧道外壁會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的不透水層,完全阻隔附近的地下水滲流,對(duì)周圍的地下水流動(dòng)造成阻礙作用。通過對(duì)場(chǎng)地的數(shù)值模擬,主要研究不同地鐵隧道形式對(duì)于地下水側(cè)向徑流的阻礙影響,研究的對(duì)象為單峒雙線式類矩形隧道。
圖1 類矩形隧道示意圖
工程建設(shè)區(qū)域位于湖北省武漢市漢口區(qū),場(chǎng)區(qū)地貌單元屬長(zhǎng)江一級(jí)階地??辈炱陂g施工場(chǎng)地地勢(shì)總體較平坦,場(chǎng)地內(nèi)局部堆填較多建筑垃圾、混凝土塊,地面高程在19.99~22.09m之間。根據(jù)勘察報(bào)告地層包括雜填土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉砂等多種性狀差別較大的土體,工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水主要包括上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水及巖溶裂隙水,其中上層滯水主要賦存于雜填土層中;孔隙承壓水主要賦存于粉質(zhì)黏土夾粉土和粉質(zhì)黏土夾粉砂中,是場(chǎng)地主要含水地層,水量豐富,且與長(zhǎng)江具有活躍的水動(dòng)力系聯(lián)系,兩者互補(bǔ)互排;基巖裂隙水賦存于泥巖、粉砂質(zhì)泥巖中;巖溶裂隙水賦存于灰?guī)r中。場(chǎng)區(qū)內(nèi)各地層的滲透系數(shù)見表1。
表1 場(chǎng)地水文地質(zhì)參數(shù)表
包括土體中雜物質(zhì)、土層溫度、水的礦化度等多種因素在內(nèi)都會(huì)對(duì)地下徑流產(chǎn)生影響,從微觀上看土體的孔隙或裂隙大小、分布本身的復(fù)雜性,使得研究各個(gè)孔隙或裂隙中地下水滲透運(yùn)動(dòng)規(guī)律顯得較為困難,且研究過程中同時(shí)考慮多種因素具有很大的地區(qū)局限性,無法形成較為普適的研究結(jié)論。相較而言研究土體中具有平均性質(zhì)的滲透規(guī)律更具有現(xiàn)實(shí)意義,在不考慮其他因素影響的情況下,研究地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水側(cè)向徑流的影響對(duì)于海綿城市的建設(shè)具有重要作用。研究方案基于有限元分析軟件,建立二維地下隔水結(jié)構(gòu)的繞流模型,對(duì)單個(gè)單峒雙線式地鐵隧道及其周邊區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算出地鐵隧道對(duì)地下水循環(huán)過程中造成的流量阻礙。建模過程中模型物理場(chǎng)選用流體流動(dòng)部分多孔介質(zhì)和地下水流模塊的達(dá)西定律,由于研究的目的是分析隧道建成后對(duì)地下水側(cè)向徑流的阻礙作用,故研究類型選擇穩(wěn)態(tài)。在達(dá)西定律模塊中,根據(jù)武漢某地鐵工程的項(xiàng)目數(shù)據(jù),對(duì)一個(gè)長(zhǎng)軸為12m,短軸為6m的單峒雙線式地鐵隧道及其剖面上橫向?qū)挾葹?00m、縱向深度為40m的矩形土體區(qū)域進(jìn)行建模,默認(rèn)研究長(zhǎng)度設(shè)為1m。流體材料為水,密度1000kg/m3,動(dòng)力黏度0.001Pa·s;多孔材料按照資料進(jìn)行分層設(shè)計(jì)和建模。朱永廣等[14]指出水力坡度是決定河道滲漏量大小的主要因素,在建模過程中為了簡(jiǎn)化將地下水側(cè)向徑流方向定為單向流動(dòng),入出口每100m的壓強(qiáng)差為14700Pa(每10m的水頭差為0.15m),入口壓強(qiáng)大于出口壓強(qiáng),下部邊界由于是風(fēng)化泥巖和灰?guī)r屬于微透水巖層,則設(shè)定為對(duì)稱邊界即允許切向流動(dòng)但無法向流動(dòng)的邊界,上部邊界暫不考慮水體的滲出和滲入,故也采用對(duì)稱邊界。地鐵隧道外壁采用無流動(dòng)邊界,不允許任何方向的流動(dòng)。選擇物理場(chǎng)控制,較細(xì)化劃分網(wǎng)格,后面采用用戶控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)類矩形隧道壁周圍網(wǎng)格加密,進(jìn)行模擬研究。計(jì)算結(jié)果選擇達(dá)西速度場(chǎng),計(jì)算完成后對(duì)模擬區(qū)域的流速進(jìn)行積分,得到該區(qū)域地下水的瞬時(shí)總流量,即對(duì)模擬區(qū)域上邊界與入口邊界的流速進(jìn)行積分,得到邊界處的線流量,對(duì)線流量進(jìn)行進(jìn)一步處理得出單位時(shí)間內(nèi)通過單位過水?dāng)嗝娴牧髁俊?/p>
要研究地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水側(cè)向徑流的影響以及其對(duì)地下水流動(dòng)的影響區(qū)域,模擬面積的選取應(yīng)該足夠大,在數(shù)值模擬中選用地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水側(cè)向徑流不再有影響的邊界。模擬區(qū)域?yàn)榫匦?,假定地下水呈現(xiàn)單向流動(dòng),區(qū)域坐標(biāo)軸x方向進(jìn)行壓強(qiáng)的模擬,提供側(cè)向徑流的壓力;矩形的y軸方向?yàn)榉菈簭?qiáng)方向,地下水流的分速度為0。對(duì)于模擬面積的設(shè)計(jì),由于深度方向可以根據(jù)項(xiàng)目資料暫時(shí)確定為40m,而橫向方向則通過模型進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后進(jìn)行對(duì)比,得出符合模擬要求的設(shè)計(jì)值,通過對(duì)比分析有無地下結(jié)構(gòu)的情況,最終將設(shè)計(jì)值確定為100m。
在所模擬的范圍內(nèi),單位時(shí)間內(nèi)地鐵隧道將對(duì)地下水徑流產(chǎn)生260.50m3的流量削減,將會(huì)產(chǎn)生13.38%的阻礙影響,對(duì)于地下水側(cè)向徑流產(chǎn)生阻礙,使整個(gè)區(qū)域地下水體的循環(huán)過程受到影響。類矩形隧道雖然相較于傳統(tǒng)的圓形隧道有較高的空間利用率,但是其對(duì)地下水體的循環(huán)同樣存在一定的阻礙作用,如圖2所示,地下水的側(cè)向滲流速度當(dāng)徑流路徑在隧道上方時(shí)會(huì)出現(xiàn)較為明顯的激增。
圖2 類矩形隧道剖面達(dá)西速度場(chǎng)流線圖
研究可以得出,不透水的隧道結(jié)構(gòu)對(duì)地下水原本的滲流路徑發(fā)生了阻礙作用,從圖2中可以分析得知對(duì)于單峒雙線式地鐵隧道來說,達(dá)西速度圖以隧道短軸線為對(duì)稱軸呈現(xiàn)出對(duì)稱分布的形狀,即當(dāng)流體單向流過時(shí),經(jīng)過隧道左側(cè)外緣部分時(shí)會(huì)出現(xiàn)流速增加的情況,隨后由于土層的變化原有的變化趨勢(shì)會(huì)發(fā)生改變,土層的孔隙滲透率降低導(dǎo)致地下水流速變低,后面在隧道右側(cè)外緣時(shí)流速重新增加;此外由于隧道下側(cè)為弱透水層,地下水徑流速度在隧道長(zhǎng)軸下側(cè)外緣在水平路徑上會(huì)發(fā)生降低。地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)對(duì)海綿城市的建設(shè)不可避免地會(huì)產(chǎn)生不利的影響,如何在保證地下結(jié)構(gòu)滿足需求同時(shí)盡可能優(yōu)化或者保護(hù)區(qū)域的地下水體循環(huán)是我們需要著重解決的問題。
為研究單峒雙線式隧道相較于雙洞單線式隧道對(duì)地下水滲流的阻礙影響上有何差異,基于有限元軟件建立除了隧道截面形式不同以外其他條件完全相同的數(shù)據(jù)模型。模擬結(jié)果如圖3所示,達(dá)西速度圖以兩隧道中間為對(duì)稱軸會(huì)近似呈現(xiàn)出對(duì)稱分布的形式,即當(dāng)流體單向流過時(shí),經(jīng)過左側(cè)隧道部分時(shí)會(huì)出現(xiàn)流速先增加后減少的現(xiàn)象,隨后到達(dá)右側(cè)部分隧道時(shí)會(huì)同樣表現(xiàn)出同之前類似滲流流速先增加再減少的趨勢(shì)。后處理階段利用同樣的數(shù)據(jù)處理方式對(duì)單位時(shí)間內(nèi)通過單位過水?dāng)嗝娴牧髁窟M(jìn)行計(jì)算。
圖3 圓形隧道剖面達(dá)西速度場(chǎng)流線圖
研究數(shù)據(jù)表明:同等條件下,在單位時(shí)間內(nèi)雙洞單線式隧道將對(duì)地下水的循環(huán)產(chǎn)生360.72m3的流量削減,將會(huì)產(chǎn)生18.53%的阻礙影響;與單峒雙線式隧道相比較,在單位時(shí)間內(nèi)會(huì)多產(chǎn)生100.22m3的流量削弱。在保證正常使用的同等情況下,地鐵建設(shè)采用單峒雙線式隧道能夠有效降低其對(duì)地下水側(cè)向徑流的阻礙作用。
主要原因可以分析為單峒雙線式隧道的設(shè)計(jì)對(duì)于空間的利用效率更高,在保證使用的情況下使整個(gè)地下結(jié)構(gòu)的迎水面積相較于雙洞單線式隧道更小,而降低地下水流動(dòng)方向上的結(jié)構(gòu)阻礙面積將會(huì)減輕對(duì)地下水原有循環(huán)模式的阻礙和影響。顧鴻宇等[15]指出,地下結(jié)構(gòu)對(duì)天然流場(chǎng)的阻隔或截?cái)鄷?huì)使得地下結(jié)構(gòu)兩側(cè)地下水的水位局部上升或下降,造成兩側(cè)水力梯度增大,阻礙地下水的流通。通過兩相對(duì)比可以得出結(jié)論,在實(shí)際工程中選擇單峒雙線式隧道不僅能提高空間利用率,同時(shí)也有利于地下水的循環(huán)過程。
通過上述研究可知:地鐵隧道的建設(shè)會(huì)對(duì)地下水的側(cè)向流動(dòng)產(chǎn)生較大影響,隧道形式不同產(chǎn)生的影響也不相同;在100m寬、40m深的地下空間中,施工深度為20m的單峒雙線式隧道會(huì)對(duì)地下徑流造成13.38%的流量削減;而在同等條件下,雙洞單線式隧道產(chǎn)生了18.53%的阻礙影響,單位時(shí)間內(nèi)多產(chǎn)生了100.22m3的流量。
當(dāng)下海綿城市的建設(shè)進(jìn)展還比較緩慢,目前關(guān)于類矩形隧道的研究在我國(guó)還處于起步階段,尤其是其對(duì)水循環(huán)的影響研究較少,將更多的工程數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行對(duì)比分析是其未來的重要研究基礎(chǔ),同時(shí)可以為其他地下結(jié)構(gòu)對(duì)水循環(huán)的影響提供參考,有利于海綿城市的建設(shè)。