堤防工程中防滲墻對地下水運動規(guī)律影響的分析

李 超

（新疆庫車縣銅場水庫管理站 新疆 庫車 842000）

1 案例介紹

某堤防工程大約有6.4km長的堤基和堤身使用防滲墻來對進(jìn)行防滲處理，在中間布置了長度為2km的防滲墻作為深墻。防滲墻為全封閉墻體。墻體從堤頂向下，使用土層將堤基截斷。深墻段兩端2km采用淺墻結(jié)構(gòu)來對堤基、堤身之間接觸段的隱患，由于此列淺墻對地下水的影響比較小，因此，本文只對深墻段防滲墻對地下水運動規(guī)律產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。在深墻段按照J(rèn)C1、JC2和JC3的編號順序分別在深墻段布置了三個測壓管監(jiān)測剖面。

2 工程地質(zhì)和水文條件

此地段位于河流的左岸，堤外的河灘比較窄，防滲墻距離江邊的直線距離大約有50m左右。堤坡內(nèi)側(cè)為寬度為450m～1000m的一級階地,地形開闊、平坦。地面高程為24m～26m,階地后方屬于丘陵地段,和深墻段后450m～720m的山體相互對應(yīng),山體兩側(cè)地勢平坦。地區(qū)分布了較松散的第四系堆積層,土層的上部為粉質(zhì)粘土、粘土和粉質(zhì)壤土組成，部門區(qū)域為淤泥質(zhì)粘土組成的粘土層,粘土層的厚度為9m～19.5m，局部厚度為5m，下部為中粗砂層、中細(xì)砂層和粉細(xì)砂層組成的厚度為11m～20.3m的強(qiáng)透水性砂層。

根據(jù)賦存條件，可以將地下水分為孔隙水和基巖裂隙水兩種，其中基巖裂隙水主要在基巖裂隙中賦存，水量比較少，孔隙水主要在第四系松散堆積層中賦存?？梢詫⒋撕畬觿澐譃榭紫冻袎簩雍涂紫稘撍畬觾煞N,其中潛水的埋深度為2m～3m，承壓水層主要有砂性土構(gòu)成?？紤]到此含水層頂板的高程為13m～17m，而河流的平均枯水位稍低于平均枯水位,地下水具有承壓的特點。此堤段所在地區(qū)為亞熱帶氣候，夏季炎熱、冬季寒冷，年平均氣溫16.8℃，年平均降雨量為1635.8mm。

3 模擬地下水運動

3.1 模塊計算方法

本工程使用MODEFLOW 96計算模塊進(jìn)行模擬。使用下述公式表示孔隙介質(zhì)中地下水三維空間滲流篇微分方程：

在上述公式中，x，y,z軸方向上的分量分別為 Kxx、Kyy、Kzz，單位體積的流量為W，用來表示流出特征體單元和流入特征體單元的流量，孔隙介質(zhì)的貯水率為。在使用有限差分差法進(jìn)行求解時，可以將連續(xù)的空間和時間劃分成離散點，用分隔的時步表示時間上的點，用網(wǎng)格單元表示空間上的點。并使用公式（2）取代公式（1）中所表示的連續(xù)偏微分方程。

在公式中，某段時間流出的單元水量和流進(jìn)水里為Qi，含水層的給水度或者貯水率為SS，Δh為某時間段中水頭的變化情況，Δv為單元體積，時間變化量為Δt。通過將已知源和所求的未知點水邊界條件結(jié)合起來，就可以組成一個由有限差分式組構(gòu)成的線性方程組[1]。然后利用線性方程組來進(jìn)行聯(lián)立求解，計算出的最終結(jié)果即為水頭各個離散點的近似值。

3.2 模擬分析內(nèi)容與方案

在研究還沒有開始的時候，對這個區(qū)域的地下水儲存情況做了調(diào)查，然而這只能說明調(diào)查的時候，地下水和地表水儲存的情況。在模擬計算以前的地下水情況和山體地區(qū)的地下水源補(bǔ)給情況不是特別清楚，這就給模擬帶來了一定的困難，現(xiàn)作出如下模擬方案來了解該地區(qū)地下水的情況。

（1）初始地下水位不同情況下河水上升以后，河水和初始地下水兩者之間的動態(tài)變化。

（2）比較山體兩側(cè)平坦地區(qū)地下水的情況，了解該區(qū)域地下水運動的情況如何。

（3）加設(shè)防滲墻以后，河水上漲時地下水的運動情況，防滲墻所起到的作用如何。

3.3 分析無防滲墻時，地下水的運動規(guī)律

沒有修建防滲墻的時候，臨江地層中地下水在江水上漲的時候，它的運動情況可以表現(xiàn)為以下二點：

第一，透水砂層里的承壓水和江水兩者之間的水力關(guān)系非常緊密。河水在上漲的時候，江水以垂直的形式給透水砂層補(bǔ)給水分，堤壩附近400m區(qū)域內(nèi)，透水砂層的承壓水全部是由江水所控制[2]。在模擬計算的時候，承壓地下水水頭條件的不同就會造成透水砂層內(nèi)水頭計算的不一樣，然而隨著時間的改變，江水補(bǔ)給對透水砂層內(nèi)地下水的影響增強(qiáng)，這樣的差異也就會立即消失。這說明，在短時間里，如果水位較低、持續(xù)時間較短的時候，該區(qū)域透水砂層內(nèi)地下水的分布和變化受江水變化影響比較明顯。

圖1 透水砂層內(nèi)地下水等勢線

圖2 防滲墻的滲透系數(shù)變化

第二，初始潛水位的情況制約著粘性土層內(nèi)潛水的變化，它與江水的水力交互不明顯。透水砂層內(nèi)地下水向上滲透反映出江水對粘性土層內(nèi)潛水位的制約情況，雖然江水和透水砂層內(nèi)地下水的交互情況比較明顯，但是粘性土層沒有較好的透水性，這就會從某種程度上制約透水砂層中地下水與其的水力交換情況。在進(jìn)行模擬計算的時候，計算結(jié)果受初始潛水位條件的不同而有所變化，在模擬計算后期水位較高的情況下，潛水位計算值仍然會受到它的影響。這說明，如果短時間內(nèi)、洪水水位降低的時候，粘性土層內(nèi)潛水位受江水的影響不明顯。

3.4 分析有防滲墻時，地下水的運動規(guī)律

（1）有防滲墻的時候，堤壩后面300m之內(nèi)透水砂層在受到江水補(bǔ)給的時候，由于有防滲墻的存在，所以影響不是非常明顯，詳見圖1所示。沒有防滲墻的情況下，與堤后透水砂層里面的數(shù)值進(jìn)行比較，水頭差值的最大有效值為3m左右，主要出現(xiàn)在防滲墻軸線中段接近墻后的透水砂層中，防滲墻的兩頭和堤后較遠(yuǎn)的地方，水頭差值會逐漸變小。

（2）防滲墻的透水性制約著地下水的變化情況，但不是唯一制約因素。防滲墻的滲透系數(shù)變化詳見圖2所示。經(jīng)過對圖2的分析發(fā)現(xiàn)，隨著防滲墻滲透系數(shù)的不斷變化，防滲墻前后的水頭差值也在不斷的變化，這說明防滲墻具有較強(qiáng)的截流作用，還會影響透水砂層內(nèi)地下水的變化[3]。防滲墻的滲透系數(shù)最小的時候，防滲墻的截流作用幾乎不存在，對地下水的影響也不會十分突出，這說明制約地下水運動還有其他因素。為了保證防滲墻具有較好的滲透效果，防滲墻的滲透系數(shù)通常在10cm～5cm量級以內(nèi)。

（3）地下水繞滲的程度與范圍還會受到透水砂層滲透系數(shù)的影響。低滲透性防滲墻存在的時候，江水滲透主要是經(jīng)過防滲墻兩端的透水砂層繞滲實現(xiàn)的。透水砂層的滲透系數(shù)制約著繞滲的情況，伴隨著滲透系數(shù)的加大，防滲墻后面的水頭也會加大，這說明繞滲的程度上升，對應(yīng)的范圍也會增大。

（4）河水排泄受防滲墻的影響不大。由于砂層水力和河水有著密切的聯(lián)系，當(dāng)透水砂層中的承壓水頭大于河水水位時，地下水就會排泄到河水中。尤其在枯水期，此現(xiàn)象非常明顯。除了透水砂層中的水會排泄到河水中，潛水層中的地下水也會向下滲流，堤內(nèi)地表水系也會向下補(bǔ)充。通過對枯水期穩(wěn)定滲流進(jìn)行模擬證明。當(dāng)有防滲墻時，防滲墻會影響墻后一定范圍中地下水的排泄。和無防滲墻相比，水頭計算值的最大差值在1.5m以內(nèi)，對其造成影響的范圍大約在300m×1500m，而對粘性土層的潛水位影響較小，水位的變化幅度不大。

4 結(jié)語

綜上所述，對于堤段來說，使用防滲墻可以在某種程度上降低了地下水和河水之間的聯(lián)系。會影響堤后300m內(nèi)的地下水，但是在繞滲的影響下，河水和臨河地層承壓含水層之間的動態(tài)關(guān)系變化不大，結(jié)合地下水運動規(guī)律的分析結(jié)果來看，該防滲墻施工建設(shè)并不會出現(xiàn)新的地下水環(huán)境問題。陜西水利

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