胡 軍，歐陽(yáng)林，曹肇金，李成偉，李培富，費(fèi)鵬盛

(1.云南省滇中引水二期工程有限公司，云南 昆明 650000；2.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局，云南 昆明 650000；3.中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司，陜西 寶雞 721006；4.巍山彝族回族自治縣水務(wù)局，云南 大理 671000)

0 引言

“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”是習(xí)近平總書(shū)記的治水思路和有關(guān)治水重要論述精神是水利工程建設(shè)的重要基礎(chǔ)理論[1]。

引水工程在深基坑施工中，地下水是一個(gè)困擾因素[2]，特別是在復(fù)雜地質(zhì)條件下，降水效果對(duì)基坑開(kāi)挖施工安全起到了至關(guān)重要的作用[3]；因此了解地下水的分布與動(dòng)態(tài)變化就格外重要[4]。MODFLOW地下水?dāng)?shù)值模擬在地下水動(dòng)態(tài)模擬中的應(yīng)用較為廣泛[5]，為工程降排水范圍方案制定提供理論依據(jù)[6]。

白河倒虹吸是南水北調(diào)中線(xiàn)總干渠穿越白河干流的交叉建筑物，建筑物由進(jìn)口漸變段、退水閘段、進(jìn)口檢修閘、倒虹吸管身段、出口節(jié)制閘、出口漸變段、退水閘等構(gòu)成[7]。設(shè)計(jì)流量為330m3/s，加大流量為400m3/s。工程區(qū)地層主要為震旦系下統(tǒng)(Z1)、上第三系(N)和第四系全新統(tǒng)(Q4)[8]。白河倒虹吸項(xiàng)目管身段，與滇中引水工程大理Ⅱ段磨盤(pán)山隧洞進(jìn)口段的地層均處于第三系軟巖部位，地質(zhì)情況非常相近。

本文以“南水北調(diào)中線(xiàn)工程南陽(yáng)白河倒虹吸降排水措施”為論證基礎(chǔ)，敘述了MODFLOW的模擬過(guò)程，并將可行的降排水方案應(yīng)用于同地質(zhì)類(lèi)型的滇中引水工程磨盤(pán)山隧洞進(jìn)口段，為磨盤(pán)山隧洞進(jìn)口段的降排水方案提供了理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了MODFLOW軟件的研究?jī)r(jià)值。

1 白河倒虹吸降排水方案MODFLOW論證

1.1 確定工程地質(zhì)情況

白河倒虹吸管身段位于白河河床、漫灘和左岸Ⅰ級(jí)階地，由進(jìn)口斜管段、虹吸管水平段和出口斜管段組成[9]。

(1)進(jìn)口斜管段：地基和邊坡從上至下由采石廢碴、全新統(tǒng)下部含礫中砂、礫砂層組成，下伏上第三系砂礫巖和強(qiáng)風(fēng)化大理巖。采石廢碴厚2.0～16.0m；全新統(tǒng)下部含礫中砂和礫砂底面呈斜坡?tīng)睿[中砂厚4.0～6.0m，礫砂厚2.5～4.0m?；娱_(kāi)挖揭露了第四系孔隙含水層，全新統(tǒng)下部砂層具中等-強(qiáng)透水性，水量豐富。

(2)虹吸管水平段：地基主要為上第三系砂礫巖；鉆孔SCHBH19(樁號(hào)115+474)附近地基為全新統(tǒng)下部礫砂，基礎(chǔ)下部礫砂有效厚度約1.0m；鉆孔SCHBH57(樁號(hào)116+363～116+373)附近地基為上第三系含礫砂巖，基礎(chǔ)下部含礫砂巖有效厚度約2.5m?；娱_(kāi)挖揭露了第四系孔隙含水層和上第三系砂礫巖含水層，兩含水層水量豐富。

(3)出口斜管段：地基從上至下主要由全新統(tǒng)下部砂壤土、細(xì)砂、礫砂和上第三系砂礫巖組成，砂壤土呈薄層狀分布于I級(jí)階地表層，厚1.0～1.7m，細(xì)砂厚2.2～3.0m，礫砂厚約7.5m；砂礫巖厚度大于25.0m，局部夾粘土巖、砂巖透鏡體?；娱_(kāi)挖揭露了第四系孔隙含水層，全新統(tǒng)下部砂層具中等-強(qiáng)透水性，水量豐富。

1.2 測(cè)定地層的滲透系數(shù)

白河倒虹吸地質(zhì)主要屬于第四系地層和第三系地層，兩套地層滲透性差別較大，故需分別確定地層的滲透系數(shù)；通過(guò)多井抽水試驗(yàn)，測(cè)定第四系地層地層的滲透系數(shù)K1為90～100m/d；通過(guò)注水試驗(yàn)，測(cè)定第三系地層地層的滲透系數(shù)K2為1.5～2m/d。

1.3 確定降排水設(shè)計(jì)方案

排水方案以截水為主，排水為輔。截水采用高壓旋噴防滲墻，防滲墻深入管身段建基面以下2m；排水采用管井降水，在倒虹吸管身段兩側(cè)線(xiàn)性布置，井深14m。通過(guò)數(shù)值模擬論證該方案能否將各節(jié)管身段的地下水降至控制水位113m(低于建基面高程1m)以下，滿(mǎn)足干地施工要求。

2 確定計(jì)算模型和邊界條件

2.1 確定模擬范圍

降排水是一個(gè)疏干含水層或降低含水層壓力水頭的過(guò)程，隨著時(shí)間的推移，降落漏斗不斷擴(kuò)大，影響范圍也變大。白河倒虹吸全長(zhǎng)1.337km，與白河河槽近乎正交，因此模擬的東西跨度為1.337km。根據(jù)井流理論的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定模擬南北影響的范圍。潛水含水層中抽水井的影響半徑(影響范圍)確定如下：

(1)

式中，R—影響半徑，m；H—潛水含水層的厚度，m；s—抽水井降深，m；K—含水層的滲透系數(shù)。

計(jì)算后，R小于1000m。因此，以倒虹吸軸線(xiàn)為基準(zhǔn)，南北各取1000m作為模擬范圍。計(jì)算參數(shù)選取地質(zhì)條件下含水層信息概化計(jì)算表，見(jiàn)表1。

表1 地質(zhì)條件下含水層信息概化計(jì)算表

2.2 含水層概化

根據(jù)巖性勘探孔的孔底高程為90～105m，將底高程105m的水平面作為垂向底邊界，即本次論證的垂向范圍為地表面至105m高程。

根據(jù)模擬位置和巖性的不同，將倒虹吸分段分層進(jìn)行研究。即第1—7節(jié)管身段，在MODFLOW中概化為三層，第一層頂?shù)装甯叱?30～118m，巖性為第四系地層；第二層頂?shù)装甯叱?18～110m，巖性為上第三系地層；第三層頂?shù)装甯叱?10～105m，巖性為震旦系大理巖。第一、二層滲透系數(shù)均取綜合滲透系數(shù)K=(43.2×12+0.432×8)/20=26m/d，第三層大理巖滲透系數(shù)取0.864m/d。第8—77節(jié)管身段，在MODFLOW中將白河倒虹吸段的含水層概化為兩層，上部為潛水，下部為承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓含水層，考慮到上第三系含水層與其上部的第四系強(qiáng)透水層存在密切水力聯(lián)系，為統(tǒng)一的水力聯(lián)系單元，并且兩者之間并無(wú)連續(xù)穩(wěn)定的隔水層或弱透水層相隔，上第三系含水層承壓性質(zhì)不明顯，因此在MODFLOW中滲透系數(shù)均取表1中的綜合滲透系數(shù)。

2.3 邊界條件概化

潛水含水層以自由水面為上邊界，通過(guò)該邊界，潛水與系統(tǒng)外發(fā)生垂向水量交換[10]?？紤]倒虹吸管身段施工均在枯水期，且本次研究目的是為了降水施工，降水補(bǔ)給量、蒸發(fā)量、排泄量與地下水開(kāi)采的量相差很大[11]，因此在模擬過(guò)程中忽略不計(jì)，105m水平高程為本次模擬的底邊界[12]。

白河在進(jìn)入南陽(yáng)市區(qū)后，常年補(bǔ)給兩岸地下水，受白河補(bǔ)給影響，其兩岸地下水分屬不同的流動(dòng)系統(tǒng)。白河倒虹吸管身段橫跨白河主河槽及兩岸一級(jí)階地，如圖1所示，從地下水流動(dòng)角度出發(fā)，將本次模擬分為白河右岸模型及白河左岸模型。

圖1 白河倒虹吸管身段平面位置圖

白河右岸模型包含1—7節(jié)管身段基坑及8—23節(jié)管身段基坑的降排水。其東部邊界為白河，取定水頭邊界；南北邊界各距白河倒虹吸軸線(xiàn)1000m，由于地下水自白河向兩側(cè)流動(dòng)，地下水流線(xiàn)大致為東西方向，南北邊界與地下水流線(xiàn)近似平行，因此南北邊界均為隔水邊界；西部邊界，由于緊鄰白河倒虹吸的上一個(gè)標(biāo)段為南陽(yáng)-4標(biāo)，南陽(yáng)-4標(biāo)段內(nèi)的地下水位一般低于渠底板，不涉及降排水，地下水位長(zhǎng)期穩(wěn)定，因此西部邊界取定水頭邊界。

白河左岸模型包含24—29節(jié)管身段基坑、30—39節(jié)管身段基坑、40—77節(jié)管身段基坑的降排水。其西部邊界為白河，為定水頭邊界；南北邊界為隔水邊界；東部邊界緊鄰白河倒虹吸的下一個(gè)標(biāo)段為南陽(yáng)-5標(biāo)(南陽(yáng)-5標(biāo)各建筑物基坑均涉及降排水)，東部邊界為隔水邊界，如圖1所示。

在實(shí)際降水施工中，降水時(shí)間一般不超過(guò)30d。但考慮到本區(qū)域施工段緊臨白河，地下水豐富，降排水難度大，因此將模擬期設(shè)定為60d。

3 模擬方案的合理性

3.1 以白河右岸1—7節(jié)管身段為例模擬降排水情況

本次模擬在每層上的剖分精度為10m×10m，全區(qū)共剖分成15540個(gè)單元格，其中有效單元格12677個(gè)。在MODFLOW中，調(diào)用Well(水井)子程序包來(lái)模擬管井降水效果，調(diào)用CHD子程序包來(lái)模擬白河，調(diào)用HFB子程序包來(lái)模擬垂向防滲墻，如圖2(a)所示。由于管井設(shè)置在倒虹吸兩側(cè)，根據(jù)降落漏斗擴(kuò)展特點(diǎn)，軸線(xiàn)上的水位最高，因此沿軸線(xiàn)設(shè)置3口，觀(guān)測(cè)井間距為30m。以這3口觀(guān)測(cè)井的水位信息來(lái)判定降水方案的合理性。

圖2 白河右岸1—7節(jié)管身段降排水情況

模擬采用兩級(jí)降水管井：一級(jí)降水管井間距10m，共35口抽水井，單井抽水量1500m3/d，設(shè)置在124～110m高程上，井深14m，目標(biāo)是將地下水位降至120m高程，完成一級(jí)基坑開(kāi)挖，滿(mǎn)足二級(jí)降水管井(121～105m)設(shè)置，一級(jí)降水管井應(yīng)力期為0～60d；二級(jí)降水管井間距10m，共32口抽水井，單井抽水量1000m3/d，設(shè)置在121～105m高程上，井深15m，目標(biāo)是將地下水位降至113m高程，滿(mǎn)足1—7節(jié)管身段干地施工要求。二級(jí)降水管井應(yīng)力期為15～60d，即前14d的抽水井流量為0，從第15d開(kāi)始，二級(jí)降水管井才開(kāi)始在模型中起作用，這意味在14d之內(nèi)，一級(jí)降水管井需要將水位降至120m以下。

通過(guò)數(shù)值模擬可以看出，在14d左右，觀(guān)測(cè)孔1-7ob1—ob3的水位均降至一級(jí)降水目標(biāo)120m以下，滿(mǎn)足一級(jí)基坑開(kāi)挖及二級(jí)管井設(shè)置要求；在40d左右，在一、二級(jí)管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，滿(mǎn)足干地施工要求。而在此后約20d里，3個(gè)觀(guān)測(cè)孔的水位下降速度非常緩慢，說(shuō)明隨著降落漏斗的擴(kuò)展，白河對(duì)地下水的補(bǔ)給基本與抽水井的抽水量相當(dāng)，因而呈現(xiàn)緩慢降水趨勢(shì)。隨著降水時(shí)間的延長(zhǎng)，抽水影響不斷擴(kuò)大，可從第10d、第60d的地下水流場(chǎng)上明顯看出，如圖2(b)所示。模擬期結(jié)束時(shí)，剖面上地下水降落漏斗的擴(kuò)展情況如圖2(c)所示。

3.2 以白河左岸30—39節(jié)管身段為例模擬降排水情況

本次模擬在每層上的剖分精度為10m×10m，全區(qū)共剖分成25400個(gè)單元格，其中有效單元格23464個(gè)。在MODFLOW中，調(diào)用Well(水井)子程序包來(lái)模擬管井降水效果，調(diào)用CHD子程序包來(lái)模擬白河，調(diào)用HFB子程序包來(lái)模擬垂向防滲墻，如圖3(a)—(b)所示。由于管井設(shè)置在倒虹吸軸線(xiàn)兩側(cè)，根據(jù)降落漏斗擴(kuò)展特點(diǎn)，軸線(xiàn)上的水位最高，因此沿著軸線(xiàn)布置4口觀(guān)測(cè)井，觀(guān)測(cè)井間距為40m。以這4口觀(guān)測(cè)井的水位信息來(lái)判定降水方案的合理性。

圖3 白河左岸30—39管身段降排水情況

模擬采用兩級(jí)降水管井：一級(jí)降水管井間距20m，共27口抽水井，單井抽水量1500m3/d，設(shè)置在124～110m高程上，井深14m，目標(biāo)是將地下水位降至119m高程，完成一級(jí)基坑開(kāi)挖，滿(mǎn)足二級(jí)降水管井(120～105m)設(shè)置，一級(jí)降水管井應(yīng)力期為0～60d；二級(jí)降水管井間距10m，共44口抽水井，單井抽水量1000m3/d，設(shè)置在120～105m高程上，井深15m，目標(biāo)是將地下水位降至113m高程，滿(mǎn)足30—39節(jié)管身段干地施工要求。二級(jí)降水管井應(yīng)力期為10～60d，即前10d的抽水井流量為0，從第11天開(kāi)始，二級(jí)降水管井才開(kāi)始在模型中起作用，這意味在10d之內(nèi)，一級(jí)降水管井將水位降至119m以下。

通過(guò)數(shù)值模擬可以看出，在10d以?xún)?nèi)，觀(guān)測(cè)孔30—39的ob1—ob4水位均降至一級(jí)降水目標(biāo)119m以下，滿(mǎn)足一級(jí)基坑開(kāi)挖及二級(jí)管井設(shè)置要求；在40d左右，在一、二級(jí)管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，滿(mǎn)足干地施工要求。而在此后的約20天里，4個(gè)觀(guān)測(cè)孔的水位下降速度非常緩慢，說(shuō)明隨著降落漏斗的擴(kuò)展，白河對(duì)地下水的補(bǔ)給基本與抽水井的抽水量相當(dāng)，因而呈現(xiàn)緩慢降水趨勢(shì)。隨著降水時(shí)間的延長(zhǎng)，抽水影響不斷擴(kuò)大，可從第10天、第60天的地下水流場(chǎng)上明顯看出，如圖3(c)所示。模擬期結(jié)束時(shí)，剖面上地下水降落漏斗的擴(kuò)展情況如圖3(d)所示。

3.3 結(jié)論和建議

通過(guò)1—7節(jié)管身段數(shù)值模擬可以得出，在14d左右，觀(guān)測(cè)孔1—7ob1—ob3的水位均能降至一級(jí)降水目標(biāo)120m以下，滿(mǎn)足一級(jí)基坑開(kāi)挖及二級(jí)管井設(shè)置要求；在40d左右，在一、二級(jí)管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，滿(mǎn)足干地施工要求。

通過(guò)30—39節(jié)管身段數(shù)值模擬可以看出，在10d以?xún)?nèi)，觀(guān)測(cè)孔30—39ob1—ob4的水位均能降至一級(jí)降水目標(biāo)119m以下，滿(mǎn)足一級(jí)基坑開(kāi)挖及二級(jí)管井設(shè)置要求；在40d左右，在一、二級(jí)管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，滿(mǎn)足干地施工要求。

結(jié)論及建議：通過(guò)分別對(duì)1—7節(jié)管身段、30—39節(jié)管身段的模擬表明擬采用的降排水方案是合理的。同時(shí)在利用該降排水方案達(dá)到降水目標(biāo)之后，直至模擬期結(jié)束，各節(jié)管身段基坑的地下水位下降速度非常緩慢，表明地下水補(bǔ)給比較充沛；因此在實(shí)現(xiàn)降水目標(biāo)之后，不能減弱抽水量，否則會(huì)引起地下水位快速上升，對(duì)施工不利。

4 成果應(yīng)用

4.1 滇中引水工程磨盤(pán)山隧洞進(jìn)口工程情況

滇中引水工程磨盤(pán)山隧洞全長(zhǎng)約13km，隧洞進(jìn)口樁號(hào)為DLⅡ62+263.048，底板高程1962.771m，底坡i=1/4000，隧洞設(shè)計(jì)流量120m3/s，斷面尺寸為8.96m×8.96m，斷面型式為馬蹄形洞型。隧洞進(jìn)口洞頂有一灌溉水渠斜穿隧洞仰坡設(shè)計(jì)開(kāi)口線(xiàn)，影響洞臉仰坡開(kāi)挖；隧洞在DLⅡ62+316處下穿祥姚公路(S316線(xiàn))，公路等級(jí)為二級(jí)，施工前進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的下穿公路設(shè)計(jì)[13]。隧洞仰坡開(kāi)口線(xiàn)與灌溉渠位置如圖4(a)所示、隧洞進(jìn)口下穿公路如圖4(b)所示。

圖4

交叉影響范圍為磨盤(pán)山隧洞DLⅡ62+298—DLⅡ62+338段(40m)，洞頂距路面19.92m。該段圍巖為Ⅴ類(lèi)，隧洞開(kāi)挖過(guò)程中可能造成水渠沉降開(kāi)裂、漏水，水渠漏水可能增大洞內(nèi)滲水，不利于隧洞開(kāi)挖；同時(shí)隧洞開(kāi)挖爆破產(chǎn)生的震動(dòng)可能引起地表不均勻沉降，甚至洞頂塌方冒頂[14]，破壞公路設(shè)施，安全隱患極大。

磨盤(pán)山隧洞進(jìn)口段埋深22—37m，圍巖為Ⅴ類(lèi)。隧洞圍巖為全風(fēng)化粉砂質(zhì)砂巖，極軟巖?？傮w呈陡傾角單斜狀構(gòu)造，洞線(xiàn)與巖層總體走向中等角度相交，夾角50°～65°，結(jié)構(gòu)面閉合-微張，巖粉、巖屑或泥質(zhì)物充填，巖體呈砂狀或碎塊散體結(jié)構(gòu)，破碎，透水性中等，局部強(qiáng)透水，洞內(nèi)(裸洞)一般為線(xiàn)狀流水，局部滲滴水，地下水位線(xiàn)較高。

隧洞進(jìn)口為土質(zhì)邊坡，上部覆蓋層以黏土為主，厚度8～12m，下部巖體以全風(fēng)化粉砂質(zhì)砂巖為主，巖層成巖程度不高，各沉積界面間結(jié)合不牢，層面易于風(fēng)化產(chǎn)生裂隙，為水的入侵提供了便利條件[15]。加之粉砂質(zhì)砂巖具有失水易收縮開(kāi)裂、遇水則膨脹濕化崩解的特征，開(kāi)挖邊坡極不穩(wěn)定。

4.2 降排水方案選用情況

參考南水北調(diào)中線(xiàn)工程白河倒虹吸降排水方案論證分析成果，結(jié)合磨盤(pán)山隧洞進(jìn)口施工條件、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況、磨盤(pán)山隧洞進(jìn)口DLⅡ62+285.048(仰坡開(kāi)口線(xiàn)外2m)—DLⅡ62+338.048淺埋及下穿公路的情況，經(jīng)分析研究決定采用地表真空井點(diǎn)降水措施，達(dá)到疏干地基土中水分、促使土體固結(jié)、提高地基強(qiáng)度、減少土坡土體側(cè)向位移與沉降、穩(wěn)定邊坡、消除流砂隱患、滿(mǎn)足施工需求的目的[16]。

4.3 方案應(yīng)用情況

井點(diǎn)降水布置于隧洞兩側(cè)，降水井直徑50cm，中心距離隧洞開(kāi)挖邊線(xiàn)5m，降水井間距5m，降水井底部高程低于隧洞開(kāi)挖底面10m，頂部高于地表50cm，共13座沉井。如圖5所示。具體布置如下：

圖5 磨盤(pán)山隧洞進(jìn)口井點(diǎn)降水平面布置圖

(1)降水井直徑為50cm，井管采用直徑273mm，壁厚3mm的鋼花管，鋼管上鉆孔直徑2cm，孔距15cm，梅花形布置，頂部5m不鉆孔。

(2)鋼管外及鋼管底部端頭包裹土工布，用鐵絲捆綁牢實(shí)。

(3)鋼管與井壁之間回填中粗砂，鋼管底部回填至原地面下線(xiàn)以下0.5m處，頂部回填黏土。

(4)采用真空井點(diǎn)降水，真空度控制-0.03～-0.06MPa，抽水設(shè)備選用200QJ32-39/3型潛水泵，排量32m3/h、揚(yáng)程39m、水泵出水管管徑2.5寸(約8cm)，與排水系統(tǒng)主管連接，排水主管直徑15cm，地下水抽排至隧洞沉淀池，經(jīng)處理后排放。

該方案通過(guò)MODFLOW模擬滿(mǎn)足降排水后干地施工的要求；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，按此方案排水后滿(mǎn)足干地施工要求，確保了磨盤(pán)山隧洞進(jìn)口安全進(jìn)洞并完成了襯砌施工。

5 結(jié)語(yǔ)

水利工程施工中，地下水是一個(gè)突出的問(wèn)題，因此對(duì)于地下水的邊界水流估算的研究顯得十分重要[17]，需事先擬定降排水措施并通過(guò)一定的方法論證其合理性。MODFLOW通過(guò)數(shù)值模擬論證擬定施工降水方案的合理性，同時(shí)根據(jù)實(shí)際揭示情況應(yīng)證模擬的準(zhǔn)確性，確保擬采用的降排水方案滿(mǎn)足施工需求[18]。

(1)本文通過(guò)MODFLOW地下水?dāng)?shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)施情況論證了白河倒虹吸降排水措施可行性。

(2)磨盤(pán)山隧洞進(jìn)口實(shí)施前借鑒經(jīng)MODFLOW對(duì)同地質(zhì)類(lèi)型白河倒虹吸降排水措施論證分析研究的成果，擬定實(shí)施方案并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際降排水施工中，取得了良好的效果。

(3)通過(guò)對(duì)擬定降排水方案的數(shù)值模擬以及工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果的應(yīng)證，可為類(lèi)似工程采用MODFLOW對(duì)地下水動(dòng)態(tài)模擬、方案論證和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供一定的參考。