MODFLOW軟件在黃水河倒虹吸基坑降水方案模擬計算中的應(yīng)用

閆晟垚，劉杰

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局，四川雙流，610225)

1 概述

黃水河渠道倒虹吸工程位于南水北調(diào)中線工程新鄉(xiāng)段輝縣五標(biāo)段，建筑物由進(jìn)口漸變段、進(jìn)口檢修閘、管身段、出口控制閘和出口漸變段組成。建筑物總長451m。根據(jù)設(shè)計施工圖和現(xiàn)場地形條件，需開挖一個下口寬36.62m，上口寬88.62m，周邊坡度為1∶1.5～1∶1.75的大型土石方基坑，基坑底部高程為82.1m，基坑開挖深度約為14.9m，地下水位以下開挖深度近7.5m，需先進(jìn)行降水才能實現(xiàn)干地施工開挖，要求開挖范圍地下水水位降至倒虹吸基底高程以下1m。

按地下水的賦存條件及性質(zhì)，本工程區(qū)的地下水類型為孔隙潛水。潛水主要賦存于第四系全新統(tǒng)卵礫石土層中。潛水位高程88.6m，埋深約8.0m左右。河床內(nèi)無流水，潛水主要接受河流上游水地下水徑流和大氣降水補給，消耗于蒸發(fā)和側(cè)向徑流及生產(chǎn)用水。

招標(biāo)文件中提供的地質(zhì)成果砂礫(卵)石層的滲透系數(shù)為1.7×10－1cm/s，即146.88m/d。

2 降水施工方案的選擇

為了合理確定基坑降水方案，配備合適的抽水設(shè)備，需對基坑總涌水量、單井涌水量、基坑內(nèi)地下水降深等進(jìn)行分析計算。經(jīng)過對黃水河渠道倒虹吸部位的地層進(jìn)行抽水試驗，確定了實際的地層平均滲透系數(shù)K為316m/d，相應(yīng)的給水度為0.25。

降水模擬計算采用國內(nèi)外廣泛使用的地下水滲流模擬軟件MODFLOW進(jìn)行。MODFLOW是由美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的一套基于三維有限差分方法的專門用于孔隙介質(zhì)中地下水滲流模擬的計算軟件。

本工程需要降水后開挖的總長度290m，分為二期進(jìn)行施工。一期基坑開挖形狀為長140m、寬46m(井排距)的矩形，地下水位埋深約8m左右，含水層為砂卵石層，含水層厚度60m，底部以下可視為隔水底板。

基坑周邊主要為河漫灘，地勢平坦，地層巖性變化不大，根據(jù)經(jīng)驗公式計算出基坑降水降深7.5m的影響半徑約2046m。本次計算選取計算區(qū)時在此影響半徑基礎(chǔ)上再適當(dāng)向外擴大，將基坑?xùn)|、南、北各2500m處地下水位變化忽略不計，定為一類定水頭邊界;在本標(biāo)段西側(cè)約1.1km為石門河倒虹吸基坑降水段，目前正在運行中，其降深范圍已經(jīng)擴展至本標(biāo)段。本次降深開始實施后，將和石門河降水段形成干擾抽水，二者之間應(yīng)為隔水邊界，考慮到石門河降水為向西滾動施工，將隔水邊界適當(dāng)向西偏移，取本次基坑降水起點向西1000m作為隔水邊界(在兩基坑排水量相同情況下，隔水邊界應(yīng)位于二者連線的中垂線上);上部邊界為自由水位邊界，下部為隔水底板。這樣得到的總計算范圍東西寬3500m，南北長5000m，總面積為17.5km2，垂直方向上厚度共68m。

采用三維非穩(wěn)定流潛水含水層數(shù)值模型進(jìn)行計算，計算的初始水位為88.6m，基坑底平面降水控制水位為81.1m，即基坑中的水位降深要求達(dá)到7.5m。

由于垂直方向上含水層結(jié)構(gòu)單一，垂直方向上設(shè)置為一個層;水平方向上，考慮到計算速度和計算精度，在遠(yuǎn)離基坑處采用較大的計算單元格(50m×50m)，在接近基坑時對單元格進(jìn)行加密，采用10m×10m的單元格，在基坑處進(jìn)一步細(xì)化為2m×2m的計算單元，這樣共剖分了42840個單元格(見圖1)。

圖1 計算單元格剖分示意(單位:m)

為尋求基坑中心地下水位降深達(dá)到7.5m時的單井抽水量，本次設(shè)計了不同的單井抽水量輸入模型進(jìn)行計算，判斷在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時基坑中心點的水位降深是否達(dá)到了7.5m。

基坑開挖范圍的大小，對降水效果及降水運行費用都有著非常重要的影響。根據(jù)工程施工開挖計劃及施工開挖斷面圖，一期施工開挖長度為140m，左右兩排井的距離定為46m時不同單井抽水量穩(wěn)定流試算結(jié)果見表1。

表1 不同單井抽水量條件下基坑中心處降深計算

從表1可以看出，在基坑長度為140m、基坑寬度為46m的條件下，當(dāng)基坑總排水量達(dá)到或超過184800m3/d時，基坑中心處的降深超過7.5m(即高程81.1m)，可基本滿足工程降水需要。

確定每天抽排水工程量后，下一步需要確定單井的排水量，從而確定井深及井?dāng)?shù)。在不同單井抽水量條件下，地下水位歷時曲線的形態(tài)基本相同，基坑地下水位在開采初期降幅較大，隨著時間的推移，水位歷時曲線逐漸趨于平緩，在抽水進(jìn)行到60天以后，基坑中心點處前后兩天的地下水位變幅小于0.01m，認(rèn)為基本達(dá)到穩(wěn)定。但在不同單井抽水量條件下，基坑中心地下水位降深達(dá)到7.5m時所需的時間是不同的，總排水量越大，地下水位可以達(dá)到的降深越大，基坑中心水位降深達(dá)到7.5m所需的時間越短(見表2)。

表2 不同單井抽水量基坑中心水位降深情況及所需時間統(tǒng)計

采用地下水滲流模擬軟件MODFLOW分析單井抽水量(以單井抽水量5400m3/d為例)。

圖2為單井抽水量5400m3/d條件下基坑中心水位降深7.5m計算區(qū)的地下水位等值線圖，基坑附近地下水位降深等值線見圖3。

圖2 單井抽水量5400m3/d條件下13天末刻計算區(qū)地下水位等值線圖(單位:m)

圖3 單井抽水量5400m3/d條件下13天末刻計算區(qū)地下水位等值線圖(單位:m)

其它各種單井抽水量條件下的地下水位等值線圖不再描述。

3 方案確定

通過模擬計算，確定以基坑總排水量184800m3/d時作為降水方案。在基坑長度為140m、寬度為46m、井間距為8m、總排水量為184800m3/d條件下，模擬計算范圍內(nèi)地下水位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的水位等值線，確定單井結(jié)構(gòu)形式有兩種:(1)工程降水初期利用5400m3/d的單井抽水量，在基坑中心水位降至7.5m后再將單井抽水量減少至4200m3/d;(2)工程降水初期利用5400m3/d的單井抽水量，在基坑中心水位降至7.5m后再將單井抽水量減少至4500m3/d。

明確一期降水工程布置降水井39眼(其中2眼為封口井)，單井深均為28m。綜合考慮工程區(qū)水文地質(zhì)條件、降水要求、開挖斷面設(shè)計特點、開挖方法、基坑降水涌水量估算結(jié)果等因素，并參考類似工程降水經(jīng)驗，擬沿一級馬道外側(cè)即2排井的井間距離在不影響施工條件下越近越好。采用二期開挖，同時考慮1.25倍的安全系數(shù)時，則每期降水井的井間距離為8m、單井深28m，在進(jìn)口斜管段與水平管段交接附近布置2眼封口井，防止水流從進(jìn)口處涌入基坑。

本次模擬計算沒有考慮基底附近壤土夾層(為弱透水層)的存在，水位達(dá)到要求高程的時間，可能會因壤土夾層存在的性狀(如厚度、連續(xù)性、粘粒含量等)而延長，同時可能會在邊坡局部出現(xiàn)明水滲流。如果出現(xiàn)明水滲流情況，可采取截滲溝的方法進(jìn)行排水。

4 結(jié)語

2010年1月9日，黃水河渠道倒虹吸降水開始進(jìn)行，共計39眼降水井，每眼井2臺泵，共計78臺泵。2010年1月9日至1月13日，先啟用18眼降水井進(jìn)行抽水，單井抽水量5400m3/d，日抽水量9萬m3;2010年1月14日，全部降水井開始抽水，單井抽水量5400m3/d，39眼降水井日抽水量為19萬m3。2010年1月31日，基坑中心靜水位從85.5m降至正常施工水位81.1m。2010年2月1日至2010年4月17日，由單井抽水量5400m3/d改為單井抽水量4500m3/d，運行46臺泵，日抽水量10.3萬m3。

后期受到上游石門河倒虹吸工程降水、降雨量偏少和正處于地下水枯水期的影響，水量暫時沒有預(yù)計的那么大。在2010年4月17日至2010年5月7日，使用降水井28個泵，日抽水量為6.58萬m3，基坑中心的施工靜水位能夠保持在81.1m，完全滿足工程要求。

通過對地下水滲流模擬軟件MODFLOW的應(yīng)用，采用數(shù)值模擬法對施工開挖降水問題進(jìn)行多方案計算比較，將黃水河渠道倒虹吸地下水文資料形象化和直觀化，確定了經(jīng)濟、合理的降水方案，并按計劃組織實施，有效保證了施工的順利進(jìn)行。