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(shù)之一，其既能改善堤基和堤身滲流狀態(tài)，達(dá)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(qiáng)透水夾砂層、管涌通道、孔穴等隱患。深度較大的防滲墻建設(shè)后會(huì)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(bǔ)給排泄，甚至引發(fā)地下水方面的環(huán)境問題。為此，必須應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)防滲墻建設(shè)前后臨江土層地下水運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)防滲墻影響地下水環(huán)境的程度展開分析評(píng)價(jià)。

1 工程概況

五星圩位于南昌市新建區(qū)聯(lián)圩鎮(zhèn)境內(nèi)，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(nóng)場(chǎng)，全長(zhǎng)12.76km。工程區(qū)地勢(shì)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(nèi)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(qiáng)度較高。堤基土層主要為第四系洪湖成因，分為壤土、中細(xì)砂、砂礫石層，在池塘部位分布有淤泥質(zhì)黏土。

為加固圩堤，在0+000~4+730段和4+730~12+760段建設(shè)全封閉垂直防滲墻，墻體從堤頂向下截?cái)嗟袒客翆?，深度達(dá)到基巖面以下0.6~1.2m；深墻段兩端則設(shè)置淺墻，主要應(yīng)對(duì)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(duì)地下水運(yùn)移影響較為有限，故文章僅分析深墻段防滲墻對(duì)地下水運(yùn)移的影響。在深墻段上游、中游和下游分別設(shè)置JC1、JC2、JC3三個(gè)監(jiān)測(cè)剖面，并在各剖面防滲墻體前后布置測(cè)壓管，為對(duì)防滲墻建造前后地下水位變化情況及趨勢(shì)展開監(jiān)測(cè)，將其花管段設(shè)置在堤防基礎(chǔ)深部的透水性砂層中。

2 研究方法

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

該防滲墻長(zhǎng)1.97km，深28~35m，墻體厚度為20~30cm。結(jié)合墻體結(jié)構(gòu)特征，使用地下水模擬軟件展開防滲墻影響下飽和水流運(yùn)動(dòng)過程模擬，飽和水流運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)化為滲透系數(shù)K值；W為水資源外來補(bǔ)給或散失項(xiàng)，正值表示降雨入滲補(bǔ)給量，負(fù)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(shí)間；X、Y、Z為分析模型空間坐標(biāo)。

模型進(jìn)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(shè)對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)情況的影響在短時(shí)間內(nèi)較難觀測(cè)和考察到，為此，在文章計(jì)算時(shí)，將總分析時(shí)間設(shè)定為5 年，并假設(shè)各分析年份內(nèi)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(diào)查得出五星圩治理工程地下水位埋深變動(dòng)范圍的基礎(chǔ)上，調(diào)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(jì)算模型要求，同時(shí)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(zhì)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(zhǎng)形低滲透結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)及運(yùn)行過程，其實(shí)是將防滲墻結(jié)構(gòu)近似視為2 個(gè)具備水力特性的相鄰網(wǎng)格接觸面單元，并按照防滲墻實(shí)際滲透系數(shù)和墻體厚度之比確定其水力傳導(dǎo)率[3]。

五星圩治理工程堤防防滲墻南邊界水力條件較為復(fù)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(cè)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(zhì)。結(jié)合對(duì)此處井水及泉水的調(diào)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(shè)置監(jiān)測(cè)剖面等對(duì)工程區(qū)地下水情況的調(diào)查只反映了調(diào)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(bǔ)給關(guān)系等均為未知。為簡(jiǎn)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(duì)地下水初始狀態(tài)的影響；②在不設(shè)置和設(shè)置防滲墻兩種情況下，贛江水上漲時(shí)地下水運(yùn)移過程及影響范圍和程度；③透水砂層和基巖風(fēng)化層透水性以及防滲墻建設(shè)后地下水繞滲的可能性。

3 模擬結(jié)果

3.1 滲流量曲線擬合

應(yīng)用文章所提出的軟件進(jìn)行防滲墻段監(jiān)測(cè)剖面滲流量曲線擬合分析，綜合分析結(jié)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(shí)，滲流量和防滲墻前后水頭差呈正向變動(dòng)關(guān)系；而當(dāng)防滲墻體深和墻前后水頭差一定時(shí)，滲流量隨滲透系數(shù)的增大而增大；當(dāng)滲透系數(shù)和墻前后水頭差一定時(shí)，滲流量和lns為線性關(guān)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(duì)地下水的阻截作用也更加明顯。

3.2 不建防滲墻時(shí)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律

在不設(shè)置防滲墻的情況下，贛江內(nèi)五星圩治理工程區(qū)地層內(nèi)地下水隨著江水的上漲，按照以下規(guī)律運(yùn)動(dòng)：①透水砂層內(nèi)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(bǔ)給砂層，堤防周圍400m 范圍內(nèi)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(nèi)水頭結(jié)果存在一定差異，但隨著江水持續(xù)上漲，透水砂層內(nèi)地下水受江水的補(bǔ)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(duì)應(yīng)的地下水分布規(guī)律趨同。②黏土層內(nèi)潛水變化與初始潛水位關(guān)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(nèi)地下水向上滲透而對(duì)黏土層潛水位產(chǎn)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(huì)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(shí)間不長(zhǎng)的情況下，贛江水對(duì)工程區(qū)地下水位的影響較為有限。③工程區(qū)內(nèi)潛水位還受到地表水源和降雨入滲補(bǔ)給。五星圩治理工程區(qū)內(nèi)水田、水塘、水渠等地表水源分布廣泛，對(duì)區(qū)域內(nèi)潛水位埋深存在較大影響。

綜上，五星圩治理工程區(qū)內(nèi)透水砂層地下水位與贛江水關(guān)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(bǔ)給。

3.3 建設(shè)防滲墻時(shí)地下水運(yùn)動(dòng)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(duì)墻體后方地下水存在繞滲補(bǔ)給等原因，這種水力聯(lián)系并未完全切斷。對(duì)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(bǔ)給地下水。傳統(tǒng)意義上認(rèn)為，基巖透水性很小，但結(jié)合筆者對(duì)相關(guān)堤段地質(zhì)資料的勘察分析，工程區(qū)防滲墻底部基巖分化嚴(yán)重，透水性較大。①設(shè)置防滲墻后，堤防周圍300m 范圍內(nèi)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(yuǎn)比不設(shè)置防滲墻時(shí)要小。根據(jù)對(duì)透水砂層地下水分布等趨勢(shì)線的分析，有無防滲墻情況下透水砂層內(nèi)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(shè)置防滲墻后，贛江水對(duì)透水砂層地下水位的影響存在時(shí)間上的滯后性，最大滯后時(shí)間可達(dá)到48h。②防滲墻對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響除取決于墻體透水性外，還與其他因素有關(guān)。根據(jù)對(duì)圖1 中防滲墻滲透系數(shù)與墻體前后水位差關(guān)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(qiáng)，防滲墻后透水砂層內(nèi)地下水受影響程度也增強(qiáng)；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(duì)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(nèi)砂礫石滲透系數(shù)和墻體后方測(cè)壓管水位關(guān)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?dāng)U大。④工程區(qū)地下水和贛江水水力聯(lián)系還受到基巖風(fēng)化層透水性的影響。基巖風(fēng)化層滲透系數(shù)和防滲墻前后水位差之間的關(guān)系曲線詳見圖3，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)，防滲墻底基巖風(fēng)化層滲透系數(shù)增大后，墻體前后水位差呈減小趨勢(shì)；再結(jié)合測(cè)壓管監(jiān)測(cè)結(jié)果，JC3 監(jiān)測(cè)剖面墻體前后水位差較小，主要原因在于基巖風(fēng)化層透水性大。⑤防滲墻對(duì)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(dāng)江水位比透水砂層內(nèi)承壓水頭低時(shí)，地下水便會(huì)向贛江排泄；與此同時(shí)，淺水層內(nèi)地下水還表現(xiàn)出向下滲流趨勢(shì)，對(duì)透水砂層存在補(bǔ)給作用。

圖1 防滲墻滲透系數(shù)與墻體前后水位差的關(guān)系

圖2 透水砂層內(nèi)砂礫石滲透系數(shù)和測(cè)壓管水位關(guān)系曲線

圖3 基巖風(fēng)化層滲透系數(shù)和防滲墻前后水位差關(guān)系曲線

4 模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的比較

2020 年2 月23 日-5 月31 日期間JC3 監(jiān)測(cè)剖面防滲墻后測(cè)壓管實(shí)測(cè)水位結(jié)果和模擬結(jié)果較為接近。在五星圩治理工程區(qū)設(shè)置防滲墻后近1 年的監(jiān)測(cè)結(jié)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(dòng)趨勢(shì)，滯后時(shí)間在24~48h 之間。為此，可以得出結(jié)論，防滲墻的建設(shè)并未對(duì)工程區(qū)內(nèi)地下水運(yùn)移產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響和改變，其作用只是在高水位下一定范圍內(nèi)削弱了承壓水水頭。

5 結(jié) 論

綜上所述，對(duì)于贛江五星圩治理工程而言，堤內(nèi)淺層含水層和大氣降水入滲、溝渠、水塘關(guān)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(shè)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(nèi)地下水分布趨勢(shì)；但是因存在繞滲因素，故地層內(nèi)承壓含水層地下水和贛江水之間的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給關(guān)系并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變。由于工程區(qū)防滲墻建設(shè)前不存在地下水方面的環(huán)境問題，故根據(jù)防滲墻建設(shè)對(duì)地下水運(yùn)移的影響，防滲墻建成后也不會(huì)影響地下水環(huán)境。文內(nèi)分析結(jié)果可為五星圩治理工程區(qū)防滲墻作用的綜合評(píng)價(jià)提供參考，但由于水環(huán)境運(yùn)移和影響屬于較為漫長(zhǎng)的過程，模擬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性有待長(zhǎng)期驗(yàn)證。