離岸人工島滲流與防滲數(shù)值模擬研究

摘 要：采用FEFLOW模型，對(duì)海南?；◢u內(nèi)海堤壩及?；◢u圍堤無(wú)防滲和有防滲措施下的滲流量、滲透范圍及對(duì)內(nèi)海水位變化的影響進(jìn)行了計(jì)算和分析。結(jié)果顯示：（1）實(shí)施防滲措施后，在正常潮位情況下內(nèi)海水位波動(dòng)減小0.03m～0.13m；在極端情況下（50年極高水位、50年極低水位）分別使內(nèi)海潮位波動(dòng)減小0.29m～0.39m；其滲透坡降均小于允許滲透坡降值。（2）內(nèi)海堤壩及其兩側(cè)為滲流發(fā)生的主要區(qū)域，建議對(duì)滲流重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)范圍內(nèi)進(jìn)行防滲處理；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，給出了防滲的大致范圍。（3）在滲流影響下，人工島成陸區(qū)，浸潤(rùn)線（飽和度1）的位置，基本在高程1.1m～1.5m（國(guó)家85基面）之間。為了人工島成陸區(qū)土質(zhì)和植被的生長(zhǎng)環(huán)境，建議對(duì)成陸區(qū)適當(dāng)深度進(jìn)行反滲處理。

關(guān)鍵詞：海花島；人工島；滲流；防滲措施；數(shù)值模擬

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)圍海造地的建設(shè)項(xiàng)目迅速發(fā)展。在圍填海整體布局上，多采取人工島式、連片分離式等平面形態(tài)，形成一定面積的內(nèi)河（內(nèi)海）水域。在離岸人工島建設(shè)工程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題上，前人將主要研究方向集中在平面形態(tài)、護(hù)岸結(jié)構(gòu)、地基處理和生態(tài)環(huán)保等問(wèn)題上，而對(duì)于滲流問(wèn)題、滲流引起的內(nèi)河（內(nèi)海）水位變化的研究卻極少[1][2]。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，戚藍(lán)等[3]采用Ansys有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)福建某人工島滲流與外海、內(nèi)河水位變動(dòng)之間的相互影響進(jìn)行了計(jì)算與分析，并提出了防滲措施和建議；莊志農(nóng)[2]針對(duì)目前圍海造陸工程所形成的內(nèi)河（水域）的防滲要求，以福建某典型工程為例，采用Ansys有限元數(shù)值模擬方法對(duì)無(wú)防滲措施情況下的滲透坡降、流速、流量進(jìn)行了計(jì)算與分析，表明各閘門兩側(cè)為滲流發(fā)生的主要區(qū)域，建議對(duì)滲流重點(diǎn)區(qū)域，采用混凝土垂直防滲墻的防滲措施，并給出了最佳方案。

文章采用基于有限元方法的FEFLOW水流和物質(zhì)遷移模型，以海花島工程為例，對(duì)其內(nèi)海堤壩和?；◢u圍堤無(wú)防滲、有防滲措施下的滲流量、滲透范圍及對(duì)內(nèi)海水位變化的影響進(jìn)行計(jì)算和分析，對(duì)工程設(shè)計(jì)提供一定參考。

海南海花島項(xiàng)目位于儋州市排浦港與洋浦灣之間的海灣區(qū)域，南起排浦鎮(zhèn)，北至馬井鎮(zhèn)，總跨度6.8km，擬在工程區(qū)域新建護(hù)岸，吹填造陸，共建3個(gè)人工島[4]，人工島之間以聯(lián)系橋連接，總?cè)纬申懙孛娣e7.53km2，形成海岸線39.44km，見(jiàn)圖1。三個(gè)人工島與內(nèi)陸之間建設(shè)四條堤壩形式的橋梁，與外海隔斷（利用箱涵開(kāi)關(guān)在漲落潮期間進(jìn)行內(nèi)外水體自然交換），使3個(gè)島嶼與東南側(cè)內(nèi)陸之間形成內(nèi)海，面積約3.7km2，回填陸地標(biāo)高為+7.0m～+7.5m（85國(guó)家高程，下同），內(nèi)海水域設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-3.0m，水面常水位高程為+1.5m。

2 工程區(qū)地質(zhì)特征與滲流風(fēng)險(xiǎn)

整個(gè)人工島調(diào)查區(qū)域鉆探揭露的地表下50m范圍揭露的地層綜合劃分為6個(gè)巖性單元層，自上而下各土層為：①1含細(xì)粒土粉砂（Q4m）、①2珊瑚碎屑（Q4m）、②低液限粘土（Q4m）、③海灘巖（Q1m）、④低液限粘土（Q1m）、⑤低液限粘土（Q1m）、⑤1含細(xì)粒土粗砂（Q1m）和⑥低液限粘土（N2m）。

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果顯示，?；◢u工程周圍均存在珊瑚碎屑強(qiáng)透水層；而且對(duì)已形成陸域的1#島的勘察，擬建場(chǎng)地淺層地下水含水層系賦存于①流泥、①-1中砂混淤泥、②珊瑚碎屑中的孔隙型潛水及各粘土層中的少量孔隙型潛水；以海水補(bǔ)給為主，水量豐富，場(chǎng)地地下水與海水水力作用聯(lián)系較緊密。而且內(nèi)海與外海之間存在一定的水位差，當(dāng)多種條件匯聚在一起，滿足形成滲流的水力條件，進(jìn)而產(chǎn)生一定量的滲流量和滲流流速，對(duì)內(nèi)海水位波動(dòng)產(chǎn)生一定影響。

3 滲流模型與計(jì)算

3.1 模型介紹

FEFLOW（Finite Element Subsurface Flow System）是德國(guó) WASY水資源規(guī)劃和系統(tǒng)研究所于20世紀(jì)70年代末開(kāi)發(fā)的數(shù)值模擬軟件，是迄今為止功能最為齊全的地下水流和物質(zhì)遷移過(guò)程的模擬軟件，已在地下水污染防控和修復(fù)、地表水/地下水耦合模擬、大壩滲流計(jì)算、下滲計(jì)算、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、地下水監(jiān)測(cè)規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-8]。在人工島滲流方面的研究文章尚屬首例。模型原理見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9][10]，在此不再贅述。

3.2 模型的建立與處理

整體三維計(jì)算模型按照?；◢u實(shí)際尺寸和周邊實(shí)測(cè)地形建立，整個(gè)模型范圍，南北8.9km，東西4.5km，內(nèi)海底高程-3.0m。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)勘察情況對(duì)模型中地質(zhì)進(jìn)行了分層，共分了6層（流泥、含細(xì)粒土粉砂、珊瑚碎屑、粘土粉砂、粗砂和粘土粉砂），如圖2。

具體堤壩三維模型，按照內(nèi)海圍堤4條堤壩實(shí)際尺寸建立三維模型，其中1#堤壩三維結(jié)構(gòu)圖如圖3。

3.2.1 參數(shù)設(shè)置

各土層材料參數(shù)主要為滲透系數(shù)K，護(hù)岸拋填石料K=1×10-2cm/s，防滲體滲透系數(shù)k=1×10-8cm/s（該量級(jí)可認(rèn)為基本不透水）；其他土層滲透系數(shù)為實(shí)際鉆孔樣品試驗(yàn)所得[11]，如表1所示。

3.2.2 邊界條件

將邊界處理為第一類邊界，為了更好地刻畫外海水位的連續(xù)變化，外海按照潮位實(shí)際變化情況施加變化的水頭，采用FEFLOW中的一維線性差值方法推算未知的中間節(jié)點(diǎn)的序列水位，以提高模型邊界處擬合的精度；內(nèi)海施加常水位1.5m水頭。

3.2.3 計(jì)算工況

（1）正常工況

分別對(duì)1）無(wú)防滲方案和2）設(shè)計(jì)防滲方案情況下的月滲流過(guò)程（選取一年中含年最大潮位的30天）、15d滲滲流過(guò)程（含月滲流過(guò)程中的最大潮）、7d滲流過(guò)程（含15d滲流過(guò)程中的最大潮）和3d滲流過(guò)程（含7d滲流過(guò)程中的最大潮）進(jìn)行了計(jì)算。

（2）極端工況

分別對(duì)50年極端高水位（3.9m）和50年極端低水位（-1.75m）下2d的滲流過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 無(wú)防滲措施滲流計(jì)算結(jié)果與分析

（1）對(duì)內(nèi)海水位的影響

在正常天氣潮位變化情況下，通過(guò)對(duì)內(nèi)海區(qū)域包括內(nèi)海4條圍堤和?；◢u周圍圍堤不同時(shí)間（3d、7d、15d和30d）滲流量的統(tǒng)計(jì)，分別為-154.74×103m3、-319.04×103m3、-651.58×103m3、-1014.47×103m3（“-”表示滲出，使內(nèi)海水位降低），分別使內(nèi)海水位降低0.04m、0.09m、0.18m和0.27m。

在50年最高潮位作用歷時(shí)2d的情況下，滲流量達(dá)1526×103m3（“+”表示滲進(jìn)，使內(nèi)海水位升高），對(duì)內(nèi)海潮位升高約0.41m。在50年最低潮位作用歷時(shí)2d的情況下，滲流量達(dá)-1816×103m3（“-”表示滲出，使內(nèi)海水位降低），對(duì)內(nèi)海潮位降低約0.49m。

（2）最大滲透坡降

在正常情況下，四條堤壩的最大滲透坡降在0.04-0.12；在不利情況50年極端高水位時(shí)，最大滲透坡降在0.22-0.52，50年極端低水位時(shí)，最大滲透坡降在0.24-35。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008），本工程堤壩可能發(fā)生滲透變形的允許滲透坡降為0.1-0.2。由此看出，在正常情況下，其滲透坡降基本都在允許范圍以內(nèi)，但是在極端不利情況時(shí)，其滲透坡降均大于允許滲透坡降值，由此認(rèn)為需要對(duì)堤壩進(jìn)行防滲處理。

（3）滲流區(qū)域分析

根據(jù)無(wú)防滲工況下的滲流場(chǎng)水頭、滲透坡降及滲流流速分析，在各堤壩及其兩端附近為滲流發(fā)生的主要區(qū)域，建議對(duì)堤壩及其兩端適當(dāng)范圍內(nèi)進(jìn)行防滲工程。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，建議對(duì)1#堤壩東、西兩端南側(cè)各110m、750m范圍，對(duì)2#堤壩西端南、北兩側(cè)各650m、300m范圍，對(duì)3#堤壩西端南、北兩側(cè)各200m、100m范圍，對(duì)4#堤壩東、西兩端各340m、270m范圍實(shí)施防滲控流方案。

4.2 有防滲措施滲流計(jì)算結(jié)果與分析

（1）對(duì)內(nèi)海水位的影響

在正常天氣潮位變化情況下，內(nèi)海水位降低幅度有所減小，內(nèi)海區(qū)域包括內(nèi)海4條圍堤和?；◢u周圍圍堤不同時(shí)間（3d、7d、15d和30d）滲流量的統(tǒng)計(jì)，滲出流量分別為-40.7×103m3、-173.9×103m3、-421.8×103m3、-507.2×103m3，分別使內(nèi)海水位降低0.01m、0.06m、0.11m和0.14m。與無(wú)防滲措施情況相比，內(nèi)海水位降低波動(dòng)減小了0.03m～0.13m。

在50年最高潮位作用歷時(shí)2d的情況下，內(nèi)海區(qū)域包括內(nèi)海4條圍堤和海花島周圍圍堤滲進(jìn)流量為497.6×103m3，對(duì)內(nèi)海潮位升高約0.13m。在50年最低潮位作用歷時(shí)2d的情況下，內(nèi)海區(qū)域包括內(nèi)海4條圍堤和海花島周圍圍堤滲出流量為-369.3×103m3，對(duì)內(nèi)海潮位降低約0.10m。與無(wú)防滲措施情況相比，內(nèi)海水位波動(dòng)減小了0.29m～0.39m。

（2）最大滲透坡降

有防滲方案下，在正常情況下，四條堤壩的最大滲透坡降在0.02-0.06，與無(wú)防滲方案相比，最大滲透坡降減小一倍；在不利情況（50年極端高水位、50年極端低水位）時(shí)，最大滲透坡降在0.05-0.09，減小了3-8倍，其滲透坡降均小于允許滲透坡降值。

4.3 陸域浸潤(rùn)情況

根據(jù)成陸區(qū)典型斷面滲流特征，浸潤(rùn)線（飽和度1）的位置，基本在高程1.1m～1.5m之間，浸潤(rùn)線以上的區(qū)域?yàn)椴伙柡蛥^(qū)域，也稱之為濕潤(rùn)區(qū)，不飽和度為10%等值線位置在高程2.7m～3.8m之間，不飽和度為5%等值線位置在高程4.7m～5.7m之間。為了人工島成陸區(qū)土質(zhì)和植被的生長(zhǎng)環(huán)境，建議對(duì)成陸區(qū)適當(dāng)深度進(jìn)行反滲處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

以海南儋州海花島工程為例，采用FEFLOW模型，對(duì)?；◢u內(nèi)海堤壩及海花島圍堤無(wú)防滲和有防滲措施下的滲流量、滲透范圍及對(duì)內(nèi)海水位變化的影響進(jìn)行了計(jì)算和分析。結(jié)果顯示：

（1）實(shí)施防滲措施后，在正常潮位情況下內(nèi)海水位波動(dòng)減小

0.03m～0.13m；在極端情況下（百年極高、百年極低）分別使內(nèi)海潮位波動(dòng)減小0.29m～0.39m；其滲透坡降均小于允許滲透坡降值。

（2）內(nèi)海堤壩及其兩側(cè)為滲流發(fā)生的主要區(qū)域，建議對(duì)滲流重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)范圍內(nèi)進(jìn)行防滲處理；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，給出了防滲的大致范圍。

（3）在滲流影響下，人工島成陸區(qū)，浸潤(rùn)線（飽和度1）的位置，基本在高程1.1m～1.5m（國(guó)家85基面）之間。為了人工島成陸區(qū)土質(zhì)和植被的生長(zhǎng)環(huán)境，建議對(duì)成陸區(qū)適當(dāng)深度進(jìn)行反滲處理。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：左書(shū)華（1979-），河北邱縣人，博士，副研究員，主要從事河口海岸水動(dòng)力、泥沙數(shù)值模擬及岸灘演變研究。