五星圩治理工程防滲墻對地下水運動規(guī)律的影響

徐 輝

（江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，南昌 330200）

0 引 言

防滲墻是處理堤防工程滲流問題的主要技術之一，其既能改善堤基和堤身滲流狀態(tài)，達到滲流穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定，又能作用于堤基和堤身土層強透水夾砂層、管涌通道、孔穴等隱患。深度較大的防滲墻建設后會阻斷土層中透水層，切斷墻體后方地下水和江水之間的水力聯(lián)系及補給排泄，甚至引發(fā)地下水方面的環(huán)境問題。為此，必須應用數(shù)值模擬技術，對防滲墻建設前后臨江土層地下水運移規(guī)律進行模擬分析，并結合實測結果，對防滲墻影響地下水環(huán)境的程度展開分析評價。

1 工程概況

五星圩位于南昌市新建區(qū)聯(lián)圩鎮(zhèn)境內，屬贛江下游鄱陽湖尾閭區(qū)，位于贛江北支分叉口，北臨官港河，南臨三佬官河，西臨贛江北支，東臨成新農場，全長12.76km。工程區(qū)地勢較平坦，地形較開闊，地面高程為11.42~17.32m，堤頂高程為21.24~22.00m，堤身填筑土高5.1~8.1m，頂寬5.0~8.0m。堤外部分有60~250m 寬的灘地，堤內為村莊及稻田，沿堤腳池塘分布較廣。堤身填筑土主要為洪湖積成因的壤土，夾少量黏土，呈灰色、灰黑色，灰黃色及黃色等，稍濕~濕，較松軟，有滑膩感，含有粉粒及砂粒，可塑性中等~好，粘性中等，韌性中等~好，干強度較高。堤基土層主要為第四系洪湖成因，分為壤土、中細砂、砂礫石層，在池塘部位分布有淤泥質黏土。

為加固圩堤，在0+000~4+730段和4+730~12+760段建設全封閉垂直防滲墻，墻體從堤頂向下截斷堤基全部土層，深度達到基巖面以下0.6~1.2m；深墻段兩端則設置淺墻，主要應對堤身及與堤基接觸帶存在的滲漏隱患。因淺墻墻體埋深小，對地下水運移影響較為有限，故文章僅分析深墻段防滲墻對地下水運移的影響。在深墻段上游、中游和下游分別設置JC1、JC2、JC3三個監(jiān)測剖面，并在各剖面防滲墻體前后布置測壓管，為對防滲墻建造前后地下水位變化情況及趨勢展開監(jiān)測，將其花管段設置在堤防基礎深部的透水性砂層中。

2 研究方法

2.1 計算模型及邊界條件

該防滲墻長1.97km，深28~35m，墻體厚度為20~30cm。結合墻體結構特征，使用地下水模擬軟件展開防滲墻影響下飽和水流運動過程模擬，飽和水流運動控制方程[1]具體為：

式中：H為水頭變量；KXX、KYY、KZZ為防滲墻周圍土體各向滲透張量，在不考慮各向異性影響的情況下，均可簡化為滲透系數(shù)K值；W為水資源外來補給或散失項，正值表示降雨入滲補給量，負值則表示蒸發(fā)散失量；SS為防滲墻四周土體比彈性釋水系數(shù)，t為時間；X、Y、Z為分析模型空間坐標。

模型進水邊界表示為：H( 0,t) =H1(t)

滲流出口表示為：H(X,Y,Z,t) =H2(t)

則，模型初始條件為：H(X,Y,Z,0 ) =H0(X,Y,Z)

文章具體采用垂直于圩堤軸線向的二維模型及Visual Modflow 軟件，該軟件主要采用差分方法，分析防滲墻蒸發(fā)、入滲，排水溝、河流等各類定水頭邊界。防滲墻建設對地下水運動情況的影響在短時間內較難觀測和考察到，為此，在文章計算時，將總分析時間設定為5 年，并假設各分析年份內江西贛江水位、降雨、蒸發(fā)條件均一致[2]。

以水頭值為初始條件，通過調查得出五星圩治理工程地下水位埋深變動范圍的基礎上，調整參數(shù)，并合理確定出地下水蒸發(fā)量、入滲量，保證起始水位埋深符合計算模型要求，同時確定剖面水位分布起始值。忽略圩堤基巖裂隙特征，將基巖視為各向同性孔隙介質考慮后，含水層參數(shù)取值詳見表1。

表1 五星圩治理工程圩堤基巖含水層參數(shù)取值

防滲墻屬于狹長形低滲透結構，無法通過一般網(wǎng)格單元模擬。此處通過Visual Modflow 軟件中的水平流障礙物子程序包模擬防滲墻結構及運行過程，其實是將防滲墻結構近似視為2 個具備水力特性的相鄰網(wǎng)格接觸面單元，并按照防滲墻實際滲透系數(shù)和墻體厚度之比確定其水力傳導率[3]。

五星圩治理工程堤防防滲墻南邊界水力條件較為復雜，以堤防正后方500~740m 處的巖石山體為隔水邊界；而山體左右側為地面高程25~28m 的沖積平地，無巖體出露，也無法確定水力邊界性質。結合對此處井水及泉水的調查，基本可將此處地下水埋深確定在1.0~2.2m 之間；因無承壓含水層資料，故無法確定周圍地下水源和研究區(qū)地下水之間的水力聯(lián)系。

2.2 模擬方案

通過收集資料、設置監(jiān)測剖面等對工程區(qū)地下水情況的調查只反映了調查過程中地表水及地下水分布情況，而模擬過程中地下水初始條件、潛在地下水源的補給關系等均為未知。為簡化分析過程、明確分析目的，擬定出以下模擬方案：①比較潛水位和承壓水頭下贛江水上漲對地下水初始狀態(tài)的影響；②在不設置和設置防滲墻兩種情況下，贛江水上漲時地下水運移過程及影響范圍和程度；③透水砂層和基巖風化層透水性以及防滲墻建設后地下水繞滲的可能性。

3 模擬結果

3.1 滲流量曲線擬合

應用文章所提出的軟件進行防滲墻段監(jiān)測剖面滲流量曲線擬合分析，綜合分析結果，可以將滲透系數(shù)、防滲墻前后水頭差、防滲墻深度之間的公式統(tǒng)一表示為：

式中：q為滲流量；?H為防滲墻前后水頭差；k為滲透系數(shù)；s為防滲墻體深。由該式可知，在滲透系數(shù)和墻體深度一定時，滲流量和防滲墻前后水頭差呈正向變動關系；而當防滲墻體深和墻前后水頭差一定時，滲流量隨滲透系數(shù)的增大而增大；當滲透系數(shù)和墻前后水頭差一定時，滲流量和lns為線性關系。通過以上分析可知，隨著五星圩治理工程堤防防滲墻深度的增大，堤防滲流量持續(xù)減小，滲流控制效果也越明顯，但是對地下水的阻截作用也更加明顯。

3.2 不建防滲墻時地下水運動規(guī)律

在不設置防滲墻的情況下，贛江內五星圩治理工程區(qū)地層內地下水隨著江水的上漲，按照以下規(guī)律運動：①透水砂層內的承壓水和贛江水之間表現(xiàn)出緊密的水力聯(lián)系。隨著贛江水的上漲，江水以垂直向補給砂層，堤防周圍400m 范圍內透水砂層承壓水頭的變化主要受贛江水位的控制。在江水上漲的初期，不同承壓水水頭方案下透水砂層內水頭結果存在一定差異，但隨著江水持續(xù)上漲，透水砂層內地下水受江水的補給不斷增大，初期的差異也隨之消失；特別是在贛江水位較高的情況下，不同承壓水水頭方案對應的地下水分布規(guī)律趨同。②黏土層內潛水變化與初始潛水位關系明顯，但與贛江水間的水力交互滯后且微弱。贛江水主要通過透水砂層內地下水向上滲透而對黏土層潛水位產生影響，雖然贛江水和透水砂層中地下水存在密切的交互聯(lián)系，但因黏土層透水性不良，整體上會阻隔和拖延這種水力交互。綜合以上兩種作用過程，在洪水位不高且持續(xù)時間不長的情況下，贛江水對工程區(qū)地下水位的影響較為有限。③工程區(qū)內潛水位還受到地表水源和降雨入滲補給。五星圩治理工程區(qū)內水田、水塘、水渠等地表水源分布廣泛，對區(qū)域內潛水位埋深存在較大影響。

綜上，五星圩治理工程區(qū)內透水砂層地下水位與贛江水關系密切，而黏性土層潛水位則受到贛江水、地表水、降雨等多渠道補給。

3.3 建設防滲墻時地下水運動規(guī)律

防滲墻建成后使贛江水和墻體后含水層間的水力聯(lián)系大大削弱，但由于防滲墻并非完全隔水，贛江水對墻體后方地下水存在繞滲補給等原因，這種水力聯(lián)系并未完全切斷。對于五星圩治理工程區(qū)而言，贛江水入滲后可通過防滲墻端部透水砂層和底部基巖繞滲至墻后，補給地下水。傳統(tǒng)意義上認為，基巖透水性很小，但結合筆者對相關堤段地質資料的勘察分析，工程區(qū)防滲墻底部基巖分化嚴重，透水性較大。①設置防滲墻后，堤防周圍300m 范圍內透水砂層承壓水頭的變化主要受贛江水位控制，但是因防滲墻的阻隔作用，這種影響遠比不設置防滲墻時要小。根據(jù)對透水砂層地下水分布等趨勢線的分析，有無防滲墻情況下透水砂層內水頭差最大為3.0m，位于墻體軸線中斷臨近墻后透水砂層區(qū)域，且越往防滲墻兩端，水頭差越小。設置防滲墻后，贛江水對透水砂層地下水位的影響存在時間上的滯后性，最大滯后時間可達到48h。②防滲墻對地下水運動規(guī)律的影響除取決于墻體透水性外，還與其他因素有關。根據(jù)對圖1 中防滲墻滲透系數(shù)與墻體前后水位差關系曲線的分析得知，墻體前后水頭差隨著墻體滲透系數(shù)的減小而增大，滲透系數(shù)越小，墻體的截流作用更強，防滲墻后透水砂層內地下水受影響程度也增強；然而，墻體滲透系數(shù)減小至一定程度后，這種影響便明顯減弱[4]。③地下水繞滲范圍及程度主要受透水砂層滲透系數(shù)的影響，對于滲透性不良的防滲墻體，贛江水通過墻體兩端透水砂層向墻體后部繞滲，透水砂層內砂礫石滲透系數(shù)和墻體后方測壓管水位關系具體見圖2。由圖可知，防滲墻后水頭隨砂礫石滲透系數(shù)的增大而增大，繞滲影響程度和范圍也隨之擴大。④工程區(qū)地下水和贛江水水力聯(lián)系還受到基巖風化層透水性的影響。基巖風化層滲透系數(shù)和防滲墻前后水位差之間的關系曲線詳見圖3，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)，防滲墻底基巖風化層滲透系數(shù)增大后，墻體前后水位差呈減小趨勢；再結合測壓管監(jiān)測結果，JC3 監(jiān)測剖面墻體前后水位差較小，主要原因在于基巖風化層透水性大。⑤防滲墻對地下水向贛江排泄過程的干擾十分有限。因贛江水和透水砂層間存在密切的水力聯(lián)系，故當江水位比透水砂層內承壓水頭低時，地下水便會向贛江排泄；與此同時，淺水層內地下水還表現(xiàn)出向下滲流趨勢，對透水砂層存在補給作用。

圖1 防滲墻滲透系數(shù)與墻體前后水位差的關系

圖2 透水砂層內砂礫石滲透系數(shù)和測壓管水位關系曲線

圖3 基巖風化層滲透系數(shù)和防滲墻前后水位差關系曲線

4 模擬結果與監(jiān)測結果的比較

2020 年2 月23 日-5 月31 日期間JC3 監(jiān)測剖面防滲墻后測壓管實測水位結果和模擬結果較為接近。在五星圩治理工程區(qū)設置防滲墻后近1 年的監(jiān)測結果顯示，防滲墻后地下水和贛江水水力聯(lián)系仍較為緊密，且兩者表現(xiàn)出同步的變動趨勢，滯后時間在24~48h 之間。為此，可以得出結論，防滲墻的建設并未對工程區(qū)內地下水運移產生實質性影響和改變，其作用只是在高水位下一定范圍內削弱了承壓水水頭。

5 結 論

綜上所述，對于贛江五星圩治理工程而言，堤內淺層含水層和大氣降水入滲、溝渠、水塘關系密切，而承壓水與贛江水存在密切的水力聯(lián)系；堤段深防滲墻建設后可在一定程度上削弱贛江水和地下水之間的水力聯(lián)系，影響堤后300m 范圍內地下水分布趨勢；但是因存在繞滲因素，故地層內承壓含水層地下水和贛江水之間的動態(tài)補給關系并未發(fā)生實質性改變。由于工程區(qū)防滲墻建設前不存在地下水方面的環(huán)境問題，故根據(jù)防滲墻建設對地下水運移的影響，防滲墻建成后也不會影響地下水環(huán)境。文內分析結果可為五星圩治理工程區(qū)防滲墻作用的綜合評價提供參考，但由于水環(huán)境運移和影響屬于較為漫長的過程，模擬分析結果的準確性有待長期驗證。