摘要：乌鲁木齐市轨道交通1号线工程抗浮水位研究提出了百年一遇洪水工况下地下水抗浮设防水位计算公式，通过数值模拟计算提出抗浮水位。
关键词：抗浮设防水位、百年一遇、数值模拟
一、项目背景
抗浮设计水位的确定，影响城市轨道交通工程线路的结构设计、工程造价和运营安全，开展本项研究工作，除可极大地降低轨道土建工程造价，缩短建设工期外，同时填补新疆维吾尔自治区在地铁领域内研究的空白，具有较大社会、技术和经济效益。国内抗浮设防水位一般采用历史最高水位，而乌鲁木齐市地下水多年动态长期观测工作起步晚，观测点布局具有局限性，长观点多集中在南部和北部，轨道交通1号线沿线缺乏观测资料，无法确定历史最高水位。
二、国内外通用抗浮水研究方法
国内外对抗浮水相关课题从不同角度、用不同的方法进行了广泛的研究，在大量搜集和研究已有成果的基础上，可以将已有方法分为4类：
①基于水资源平衡关系的宏观预测的方法
②基于供水模拟模型的方法
③数值模拟方法
④基于宏观数据反分析与渗流数值分析相结合的工程分析方法
①、②主要针对水资源平衡和供水方面进行研究，④是一种建立在已有地下水监测网的场域渗流模型。本次研究工作采用第三种数值模拟方法。
三、乌市轨道交通1号线抗浮水位研究方法
在收集乌市地下水长期观测资料的基础上，通过对沿线五十年来地下水的动态分析、结合轨道交通1号线工程沿线相关规划水体情况、充分考虑未来百年的地下水位变化、线路附近地表水体的分布、河流的洪水位等，百年一遇的降水等最不利因素，利用VisualMODFLOW（地下水模拟软件）构建乌鲁木齐市轨道交通1号线研究区域区内的地下水三维流模型，对轨道工程使用期限内可能出现的最高水位进行定性和定量预测。
1、系统分析乌市地层分布特征、区内水文地质及工程地质条件，结合地下结构特点，划分不同的水文地质单元。
2、通过水文资料的分析，充分掌握轨道1号线沿线区域内的地下水含水层分布、赋存、运移及渗流特征和地下水的补给、径流、排泄关系特点
3、结合乌市典型地层结构特点，概化出反映复杂水文地质环境下地下水与地下结构共同作用的水文地质概念模型。
4、收集整理乌市地下水历史动态水位数据及长期监测水位资料；增加监测点，对轨道交通1号线沿线进行地下水监测工作。
5、在分析水文地质情况的基础上，使用地下水模拟软件建立乌市地下水的三维流数值模型，重点在整体上反映地下水补给、径流、排泄条件、动态及流场特征。
6、推算地下水最高水位和站点及沿线地基砌置深度对比，核实抗浮水的影响区和非影响区。
7、收集气象、水文、防洪规划等资料，利用数值模型预测百年洪水影响下的地下水变化，提供抗浮设防水位值。
四、乌市轨道交通1号线抗浮设防水位原则确定
依据相关规范，结合乌市轨道交通1号线详勘察成果、现状年水位观测资料、水位年变幅和三维流数值模拟计算的预测水位变幅值（考虑百年一遇洪水、降水入渗、地下水侧向补给、地表水渗漏、地下水开采、绿化灌溉及地下工程建设对地下水位的影响等因素）等因素，并取安全系数1.2来确定抗浮设防水位。
即h抗=h现+（△h年+△h预）×1.2
h抗——抗浮设防水位（m）
h现——现状年平均水位（m）
△h年——水位年变幅（m）
△h预——三维流数值模拟预测水位变幅（m）
五、乌市轨道交通1号线抗浮水位的数值模拟
在系统分析前述研究区地质、水文地质条件的基础上，首先对乌市的地质结构进行概化，建立概念模型、数学模型和数值模型，并利用三维地下水数值模拟软件VisualMODLFOW对模型进行验证。其次，利用乌鲁木齐市已有的观测孔长观资料及水均衡项资料对建立的模型进行率定。最后利用率定后建成的模型在现状条件下再叠加百年一遇洪水的条件，形成乌市轨道交通1号线区域的地下水的情景模拟与预测。
1、概念模型（1）地质结构概化：根据钻孔资料确定上部为第四系砂砾石和中层强风化泥岩砂岩，下部为砂、泥岩互层；（2）含水系统结构特征：乌市地下水含水系统上部为浅层潜水含水层和中层强风化泥岩砂岩，下部为砂岩构成的孔隙-裂隙水含水层；（3）地下水流系统特征：以平面南北流动为主，局部特殊地质体附近会有垂向水流运动。将地下水水流系统概化为三维非稳定流运动系统；（4）模型边界条件：东、西部边界以乌鲁木齐河谷的东、西部基岩山区为界，南北以有钻孔控制的断面为界，概化为二类流量边界。
2、地下水系统数学模型
根据计算区水文地质概念模型，对应的数学模型选用二层非均质各向同性三维非稳定流数值模型，所建立的数学模型可表示为：式中，Kxx、Kyy和Kzz分别为x、y和z方向的渗透系数[L/T]，Kxx=Kyy；H为水头值[L]；ε为源汇项[L/T]；S为给水度[-]，取重力给水度μd，Ω为模拟范围；n为边界面的外法线方向；Γ为侧边界；B为底边界。
3、数值模型
（1）模型的前处理：①空间离散：对研究区在空间上的离散包括平面上的网格剖分和垂向上的分层。平面用200m×200m的网格进行剖分，垂向剖分1层，模型计算区单元数（有效单元数）为3873个，有效模拟面积为154.92km2。②时间离散：以2013年11月详勘资料作为初始时刻，根据地下水位的观测时间，时间步长以月为单位进行分时段模拟。③初始流场:乌市长观资料的观测井55眼，以2013年11月统测水位资料，建立初始流场图，对每一个单元赋初始水位值。
④确定水文地质参数，分别赋初值。
（2）模型的识别与验证：采用自动与手动相结合的方法，通过计算水位和实际水位的拟合分析，不断地修改反复调整参数，当两者之间误差达到允许范围，即认为此时的参数值代表含水层的参数。
六、乌市轨道交通1号线抗浮设防水位的确定
根据上述抗浮水位的确定原则，以长期观测资料中历史最高水位为基础，结合工程重要性、降水入渗、地下水侧向补给、百年一遇洪水对地下水的影响、地下水年变幅、绿化灌溉及地下工程建设等因素通过三维流数值模拟计算来预测场区远期最高水位，最终，作为乌鲁木齐市城市轨道交通1号线工程的抗浮设防水位。根据站点抗浮设防水位最高水位预测结果，提出本工程地铁铁站抗浮设防水位高于现状水位3.08-8.00m，防渗设计水位取值比抗浮设防水位低0.5-1.2m。
参考文献：
[1]沈小克，周宏磊等.地下水与结构抗浮[M].北京：中国建筑工业出版社，2013年。
[2]孙峰根.水文地质计算的数值方法[M].徐州:中国矿业大学出版社，1995年。