李再興，李　靜，宋鵬飛，楊　芳

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006)

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三維數(shù)值模擬技術(shù)(Visualmodflow)在基坑降水中的應(yīng)用

李再興，李靜，宋鵬飛，楊芳

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006)

[摘要]基坑降水設(shè)計(jì)常采用大井法計(jì)算基坑涌水量，但是當(dāng)研究區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，含水層非均值性，防滲圍堰的存在且滲透系數(shù)的不確定性時(shí)，利用“大井”解析法求解涌水量時(shí)，概化的條件較多，往往降低計(jì)算結(jié)果的可信度；而數(shù)值法不受其限制。因此本文采用了數(shù)值模擬軟件VisualModflow對基坑涌水量進(jìn)行了模擬。在正確分析水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立合適的水文地質(zhì)概念模型并確定數(shù)學(xué)模型，通過非穩(wěn)定流計(jì)算求取基坑涌水量，并對防滲墻的防滲效果進(jìn)行三種方案模擬計(jì)算，結(jié)合工程降水實(shí)際，推求防滲墻的滲透系數(shù)。

[關(guān)鍵詞]基坑降水；數(shù)值模擬；防滲帷幕

計(jì)算基坑涌水量的方法有很多[1]，如解析法、數(shù)值法和目標(biāo)函數(shù)法等等,一般在基坑降水設(shè)計(jì)時(shí)，大多采用大井法，其原理易懂，方法易行。大井法一般需要對場地水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化，概化成均值、等厚的含水層，再利用裘布依井流推導(dǎo)出來的計(jì)算公式進(jìn)行求解。由于大井法概化的條件較多，概化誤差會(huì)降低參數(shù)和涌水量求解的可信度[2]。

數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)在于能夠刻畫均值、不等厚以及復(fù)雜的水文地質(zhì)條件[3],近年來，數(shù)值模擬技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了很大的優(yōu)越性。本文以長江流域某水電站基坑降水為例，采用三維數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算基坑降水涌水量，并結(jié)合工程降水實(shí)際，推求了防滲墻的滲透系數(shù)。

1研究區(qū)背景

1.1工程概述

長江流域某水電站左岸主體及導(dǎo)流工程分兩期施工。第一期工程先進(jìn)行左岸圍堰，即在左岸灘地上修筑一期土石(防滲)圍堰，其縱向段緊靠河谷枯水期的河水位邊，上下游橫向段與左岸邊坡相連接，總體形態(tài)呈凸向右岸的弧型(見圖1)。在一期圍堰完成之后，在圍堰內(nèi)進(jìn)行二期混凝土縱向圍堰上游段的施工。由于二期縱向大壩上游段地基覆蓋層平均深達(dá)45m，二期施工不能影響一期堰基穩(wěn)定和安全。通過多種處理方案的比較和分析，最后選定沉井處理方案作為二期縱向圍堰大壩上游段地基覆蓋層處理方案。

圖1　一期防滲圍堰與二期沉井群平面位置示意圖

沉井處理方案布置了若干個(gè)鄰接沉井，前期作為擋土墻及縱向圍堰堰基進(jìn)行二期基坑開挖，然后作為二期圍堰的一部分，解決堰基覆蓋層的處理與二期工程施工的矛盾。

二期圍堰設(shè)計(jì)的沉井群由若干個(gè)23 m×17 m的矩形沉井組成，沉井底部進(jìn)入下伏巖層，平均下沉深度45 m。沉井群依次沿一期土石圍堰成“L”型錯(cuò)開布置(圖1)，采取排水下沉，沉井群下沉區(qū)可視為一個(gè)大型基坑。

設(shè)計(jì)一期防滲圍堰有多層防滲體系，包括覆蓋層的塑性砼防滲墻、下伏基巖帷幕灌漿，防滲體系的滲透系數(shù)在10-5～10-4m/d之間，防滲圍堰可視為隔水邊界。

1.2研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)兩岸地形整齊，基巖露頭良好，巖層連續(xù)分布，兩岸對應(yīng)地層沒有明顯錯(cuò)位。出露地層主要為三迭系上統(tǒng)(T3xj)和第四系(Qh)，第四系不整合于三疊系基巖之上。此外，三迭系中統(tǒng)雷口坡組(T21)灰?guī)r地層埋深于水電站壩基以下，埋深大于260 m，此層在地表未出露。

1.3研究區(qū)水文地質(zhì)條件

擬建的沉井群場地位于長江左岸的灘地之上。沉井群中心距離長江約200 m。

沉井群所在的壩址區(qū)是上覆為45厚的第四系河流沖積物(Qhal)，大致可分為三層且含水層厚度不均：0～-15 m為砂卵礫石層，-15～-30 m為砂層，-10～-45 m為砂卵礫石層；砂層又可以分為上下兩段，上層為粉細(xì)質(zhì)砂，厚10 m,下層為中粗砂，厚5 m；-45～-60 m為基巖，平均厚15 m,主要為三疊系的粉細(xì)砂巖，為主要含水層，微風(fēng)化為主，裂隙與解理較發(fā)育。且向下延伸至-80 m左右，含水量急劇減少，可視為不透水含水層(隔水層)。

沉井區(qū)長江河槽切割至地面以下-28 m，第四系孔隙水與長江水發(fā)生直接水力聯(lián)系，相互滲補(bǔ)；下伏基巖裂隙水與上部第四系孔隙水不存在相對隔水巖層，因此，沉井基坑下部裂隙水與上覆第四系孔隙水也有水力聯(lián)系，且水位基本一致。

2基坑降水實(shí)踐及存在的問題

原設(shè)計(jì)方案的基本假設(shè)和概化是：把一期防滲圍堰與山體合圍的區(qū)域(或稱圍堰基坑)作為一個(gè)封閉的地質(zhì)單元(圖1)。該單元的邊界條件，一期防滲圍堰可視為隔水邊界；據(jù)壓水試驗(yàn)資料，山體和基坑底部基巖的透水率比較小，岸坡段巖體和基坑底部也進(jìn)行了帷幕灌漿處理，因此，山體側(cè)面和基坑底部可以視為弱隔水邊界，即概化為零流量補(bǔ)給邊界。原方案將圍堰基坑概化為獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，只接受上部來自大氣降水的補(bǔ)給。

根據(jù)以上假設(shè)，圍堰基坑的涌水量，主要來自基坑地下水的儲(chǔ)存量和來自大氣降水的補(bǔ)給。再取安全系數(shù)(富余系數(shù))1.2，經(jīng)計(jì)算圍堰基坑設(shè)計(jì)涌水量為247×104m3。

按沉井設(shè)計(jì)工期12個(gè)月計(jì)算，原方案設(shè)計(jì)月抽水量約為21×104m3，日抽水量約0.7×104m3，平均每月降深3.8 m。

此方案經(jīng)過二期施工實(shí)踐證實(shí)，設(shè)計(jì)的涌水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程施工的要求，設(shè)計(jì)計(jì)算值遠(yuǎn)小于實(shí)際抽出的水量。從實(shí)際情況來看，月排水量達(dá)到原設(shè)計(jì)方案的6～8倍時(shí)，基坑水位才能夠逐步下降，達(dá)到月平均降深3.6 m左右。

從上可以看出，原設(shè)計(jì)的圍堰基坑儲(chǔ)量和圍堰基坑面上的降水入滲量只占基坑涌水量的少部分，圍堰基坑水量來源和計(jì)算參數(shù)的求取還存在不足。

3基坑涌水量數(shù)值模型建立

基坑涌水量計(jì)算常采用“大井法”，但遇到水文地質(zhì)條件復(fù)雜等情況下，不適宜簡單、直接采用大井法，原因如下：(1)當(dāng)研究區(qū)存在防滲墻時(shí)，勘察階段抽水試驗(yàn)所求的影響半徑必然變化，其不能簡單代入裘布依井流公式進(jìn)行求解；(2)本文研究的基坑形狀很不規(guī)則(“L”型)，同時(shí)含水層非均值，要進(jìn)行條件概化，若概化不當(dāng)，所求得的解可信度降低。(3)考慮到防滲墻在實(shí)際的施工中存在一些天然的或人為的不確定的因素，造成防滲墻的滲透性也不確定，在基坑降水中不能簡單的視為隔水邊界，必須對其的滲透性有充分的估計(jì)，而大井法很難推求其滲透系數(shù)的大小。

本文采用數(shù)值模擬技術(shù)可解決上述問題。

3.1模型建立技術(shù)的要點(diǎn)

地下水流數(shù)值模擬的核心是擬合，進(jìn)行擬合的過程就是不斷修改參數(shù)，不斷修正數(shù)學(xué)模型，使數(shù)學(xué)模型與水流原型達(dá)到逼真的相似，即達(dá)到與原型等效[4]。對于地下水流問題，要使模型和原型擬合很好，必須對原型有足夠的認(rèn)識(shí)，即對含水層的結(jié)構(gòu)、邊界條件，地下水的補(bǔ)給、排泄、徑流以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律等有正確的認(rèn)識(shí)并進(jìn)行一系列合理的概化。主要包括：模擬計(jì)算區(qū)域的確定，含水層的概化，邊界條件確定和概化，主要水文地質(zhì)參數(shù)的確定等等。基坑涌水量的數(shù)值模擬方法是建立在研究區(qū)水文地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)清楚、水文地質(zhì)模型概化合理、數(shù)學(xué)模型建立和運(yùn)用正確、所有參數(shù)具有代表性這些基坑之上，劃分水均衡區(qū)，通過水均衡的計(jì)算來預(yù)測基坑涌水量的全過程。

3.2水文地質(zhì)條件的概化

研究區(qū)的主要含水、透水介質(zhì)即T32巖組，其相對隔水底板是T31巖組，相對隔水頂板是T33巖組。研究區(qū)主要含水透水巖層是河床基巖(T32)和第四系覆蓋層(Qhal)。

3.2.1巖性概化和參數(shù)選取

1)第四系覆蓋層基巖概化(Qhal)

研究區(qū)第四系覆蓋層自地表往下主要可分為三大層有：砂卵礫石層8～13 m，下界面高程249～252 m；砂層厚14～24 m，下界面高程237～253 m;含崩塊石的砂卵礫石層厚8～22 m?；鶐r(T32)可分為兩層：強(qiáng)風(fēng)化基巖層和弱風(fēng)化基巖層。

2)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

由上面的分析含水層組可概化為5大層，為了模型的精確性，第四系地層要進(jìn)一步細(xì)分，分成8層。三疊系T32地層是含水透水地層，對基坑涌水有一定的影響，分成兩層。即模型細(xì)分為十層。分別給這十層含水層進(jìn)行滲透系數(shù)分區(qū)巖土的滲透系數(shù)取決于巖土的成因和物質(zhì)組成；基巖的滲透系數(shù)還取決于其風(fēng)化程度，裂隙發(fā)育程度及連通性等。在對滲透系數(shù)的采用上，根據(jù)勘察資料水文鉆孔的抽水試驗(yàn)和取土樣進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)以及利用的資料成果，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，推薦滲透系數(shù)(K)值如表1 所示。

表1　模擬區(qū)滲透系數(shù)取值

3.2.2邊界條件

沉井群段基坑位于一期土石圍堰內(nèi)，其南是長江，其距基坑中心距離約100 m，認(rèn)為此處地下水水位不會(huì)隨著基坑開挖而變化，視為定水頭邊界,取值270 m。距離基坑中心約240 m處的北面是山體，含有基巖裂隙水，視為定水頭邊界，取值271 m。東西方向距離基坑中心分別約為460，200，此兩處水位受長江影響較大，取水位值271～270 m。因此模型四周是定水頭邊界。模型上邊界接受大氣降水的補(bǔ)給，模型的下邊界是零流量邊界，位于河床基巖中等偏弱透水巖體之下，視為隔水底板。

3.3數(shù)學(xué)模型

模型采用潛水三維非穩(wěn)定流模擬[5,6]：

式中：ω為源匯相，u為給水度，K為滲透系數(shù)，Z為含水層標(biāo)高；H為水頭；B1為第1類邊界；H1(x,y,z)為第1類邊界定水頭值。B2為模型下邊界零流量邊界。

3.4模型的建立

模擬區(qū)域?yàn)橐痪匦?，面積1 000 m×400 m,模擬最大深度為176 m,頂部最大標(biāo)高為280.26 m。 模型分為10層，每層100列，80行，共80 000個(gè)單元。

由于計(jì)算模型是三維的，事先知道每一層的頂面高程和底面高程。本文通過鉆孔勘察資料，記錄每個(gè)鉆孔點(diǎn)的坐標(biāo)和同一層的高程，利用surfer 軟件克里格插值 ，得每一層的頂面高程和底面高程。在模擬時(shí)，賦給visualmodflow建立的模型。

3.5初始水頭的確定

模擬區(qū)的初始水頭有3種方法來確定：一是根據(jù)鉆孔中地下水的埋深資料，利用插值方法或趨勢面分析得到；二是先利用類比方法確定該地區(qū)的水力坡度，利用該水力坡度和現(xiàn)今的河流水位推算出各單元的地下水位埋深；三是對模型進(jìn)行穩(wěn)定流模擬，得到后綴名.HDS水頭文件的水頭值，把此結(jié)果作為非穩(wěn)定流模型的初始水位。

根據(jù)鉆孔觀測水位資料分析，研究區(qū)的水位變化不大，基本保持在262 m左右，因此本次模擬取的初始水位262 m。

3.6對防滲墻圍堰的處理

考慮防滲墻圍堰的滲透性存在不確定性，在基坑降水設(shè)計(jì)中不能簡單將它視為隔水邊界。

在即坑降水三維數(shù)值模擬時(shí)，把它作為擋墻邊界(Wall)來處理，處理時(shí)，需要輸入兩個(gè)參數(shù)：擋墻的厚度和滲透系數(shù)。擋墻的厚度是一定的取0.8 m，滲透系數(shù)在一定范圍內(nèi)取值，來考慮對基坑涌水量的影響。

3.7補(bǔ)給邊界

MODFLOW用補(bǔ)給程序包(RCH)來處理地下水補(bǔ)給。補(bǔ)給程序包用來模擬地下水來自大氣的補(bǔ)給。大多數(shù)情況下，大氣補(bǔ)給表現(xiàn)為降水向地下水系統(tǒng)的入滲結(jié)果。本文模型的上邊界就是一個(gè)補(bǔ)給邊界，把大氣降水量按照模擬的時(shí)間逐月分配到模型中。根據(jù)基坑開挖的時(shí)間，模擬的時(shí)間定為一年，從第一年5月18日5時(shí)40分到第二年年5月18日。根據(jù)多年平均降水量得下表2。

表2　模擬時(shí)間內(nèi)每月平均降水量

表3　應(yīng)力期的分布及其初末水頭值

3.8應(yīng)力期

在利用visualmodflow進(jìn)行非穩(wěn)定流模擬時(shí)，模擬時(shí)間分為多個(gè)時(shí)間段，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)上所有的應(yīng)力(邊界條件、抽水速率等)保持不變的時(shí)間期，這個(gè)時(shí)間期叫應(yīng)力期。

考慮到基坑開挖的進(jìn)度，模擬期模擬12個(gè)時(shí)間段(共一年時(shí)間)，即12個(gè)應(yīng)力期。每個(gè)應(yīng)力期的初末水頭如表3所示。

圖2　均衡區(qū)的形狀大小示意圖

3.9模擬時(shí)對基坑的處理

把基坑底部的水頭設(shè)為變化的定水頭，具體輸入的數(shù)值按表3進(jìn)行。另外把基坑所在的空間滲透系數(shù)設(shè)置很大，視為空的區(qū)域，地下水流進(jìn)基坑時(shí)是無障礙流動(dòng)。

4基坑涌水量的預(yù)測

模型是通過水均衡的計(jì)算來求基坑內(nèi)涌水量。在模擬過程中，模型將設(shè)置兩個(gè)均衡區(qū)，一個(gè)從基坑的周邊進(jìn)水，設(shè)置均衡區(qū)1；另一個(gè)從基坑的底部進(jìn)水設(shè)置均衡區(qū)2。均衡區(qū)的形狀等同于沉井群段基坑的形狀(見圖2)。

4.1預(yù)測方案的選取

考慮到防滲墻在實(shí)際施工中存在一些天然的或人為的不確定的因素，造成防滲墻的滲透性的不確定，因此模型在模擬時(shí)考慮防滲墻滲透性，制定了多個(gè)預(yù)測方案，見表4。

表4　預(yù)測方案

4.2方案的模擬結(jié)果

三種方案的模擬結(jié)果分別見表5、表6和表7。

表5　方案一涌水量計(jì)算結(jié)果記錄表

表6　方案二涌水量計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表7　方案三涌水量計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.3模擬結(jié)果的分析

從表5，表6和表7的三種方案的模擬計(jì)算結(jié)果來看，如果防滲墻的防滲效果好，防滲墻的滲透系數(shù)(0.08 m/d)與基巖的滲透系數(shù)相當(dāng)(如方案三)，從基坑四周流入量和底部流入量相差不大，且基坑總涌水量小。如果防滲圍堰效果不好，那么基坑四周進(jìn)入的水量增幅很大，占總量的60%以上。

當(dāng)防滲墻滲透系數(shù)k為8 m/d時(shí)，模擬計(jì)算出降深10 m時(shí)日排水量達(dá)到了約8×104m3；

當(dāng)防滲墻滲透系數(shù)k為0.8 m/d時(shí)，模擬計(jì)算出降深10 m時(shí)日排水量達(dá)到了約5×104m3；

當(dāng)防滲墻滲透系數(shù)k為0.08 m/d時(shí)，模擬計(jì)算出降深10 m時(shí)日排水量達(dá)到了約1.4×104m3。

而實(shí)際排水降到10 m時(shí)，大約需要100 d，則模擬的日排水量換算成月排水量分別為約240×104m3、152×104m3、42×104m3；而降水實(shí)際表明此時(shí)月排水在120～160×104m3之間時(shí)，沉井段基坑水位能夠逐步下降。則兩種結(jié)果對比較表明防滲墻的防滲效果達(dá)到了2～0.8 m/d。方案二與實(shí)際情況比較一致。

在此防滲效果下，模擬預(yù)測降深-45 m時(shí)，基坑涌水量的計(jì)算結(jié)果與后期降水實(shí)踐比較一致。

5結(jié)語

本文以長江流域某水利基坑降水為例，采用Visualmodflow三維數(shù)值模擬技術(shù)對基坑涌水量進(jìn)行計(jì)算，并以此指導(dǎo)工程實(shí)踐，為降水設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐提供依據(jù)。

(1)在基坑降水設(shè)計(jì)時(shí)，要全面的分析研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，當(dāng)含水層出現(xiàn)防滲墻時(shí)，難以引入正確的“影響半徑”時(shí)，而采用數(shù)值模擬技術(shù)不受其限制。數(shù)值模擬技術(shù)不僅可以計(jì)算基坑涌水量，模擬出整個(gè)開挖過程中非穩(wěn)定流過程，而且還可以預(yù)測基坑周邊每一點(diǎn)的水位降深。

(2)防滲墻在實(shí)際施工中存在一些天然的或人為的不確定的因素，造成防滲墻的滲透性的不確定性，在基坑降水設(shè)計(jì)中不能簡單將它視為隔水邊界，必須對防滲墻滲透性的不確定性有充分的估計(jì)，采用大井法計(jì)算很難處理這一問題，而數(shù)值模擬技術(shù)能夠解決此問題。

本文利用數(shù)值模擬軟件(VisualModflow)對防滲墻的防滲效果進(jìn)行了三種方案的非穩(wěn)定流模擬計(jì)算，結(jié)合降水實(shí)際情況，得出該工程防滲效果為2～0.8 m/d。

(3)建議在基坑涌水量預(yù)測計(jì)算中應(yīng)采用多種模型計(jì)算，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)類比，不應(yīng)完全依賴某種計(jì)算結(jié)果。在施工過程密切注意涌水量情況，根據(jù)涌水量變化資料修正數(shù)值模型條件和參數(shù)，動(dòng)態(tài)預(yù)測涌水量，以提高預(yù)測的可信度和安全性；在高滲透性含水層和補(bǔ)給豐富的基坑降水工程中，尤其是特大型深基坑，必須充分考慮防滲墻的滲透性，采用安全性的評估方法，進(jìn)行多方案模擬計(jì)算，以保證降水的安全施工。

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Application of Numerical Modeling to Dewatering Design for Foundation Pit

LI Zai-xing，LIJing，SONG Peng-fei，YANGFang

(Institute Of Surveying Mapping And Geoinformation of Henan ,Zhengzhou 450006, Henan)

Abstract:The total water displacement is obtained through the generalized large well method in the dewatering design for foundation pits,but the hydrology geology condition in the research area is more complicated, heterogeneity of aquifer, exist seepage control cofferdam and filter efficiency is uncertain, making use of " generalized large " resolution method to solve stream amount of water, the condition of generalization is more, usually cause the credibility of compute result lower. So my paper have used VisualModflow to simulate the amount of water. Build on the suitable hydrology geology concept model and assurance mathematics model, got stream amount of water of foundation pit dewatering by the calculation unstabilized flow. The influence of impervious effect of penetrating wall for stream amount of water is very greatly, take three kinds of projects to calculation the impervious effect, combining with practical engineering, have inquired into the permeability coefficient of seepage proof curtain.

Key words:Foundation pit dewatering；numerical modeling and seepage proof curtain

[中圖分類號]P641.4+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)02-0022-04

[作者簡介]李再興(1981-)，男，安徽安慶人，工程師，主要從事工程地質(zhì)、水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)的勘測與研究工作。

[收稿日期]2015-11-16