MODFLOW軟件在黃水河倒虹吸基坑降水方案模擬計算中的應用

閆晟垚，劉杰

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局，四川雙流，610225)

1 概述

黃水河渠道倒虹吸工程位于南水北調中線工程新鄉段輝縣五標段，建筑物由進口漸變段、進口檢修閘、管身段、出口控制閘和出口漸變段組成。建筑物總長451m。根據設計施工圖和現場地形條件，需開挖一個下口寬36.62m，上口寬88.62m，周邊坡度為1∶1.5～1∶1.75的大型土石方基坑，基坑底部高程為82.1m，基坑開挖深度約為14.9m，地下水位以下開挖深度近7.5m，需先進行降水才能實現干地施工開挖，要求開挖范圍地下水水位降至倒虹吸基底高程以下1m。

按地下水的賦存條件及性質，本工程區的地下水類型為孔隙潛水。潛水主要賦存于第四系全新統卵礫石土層中。潛水位高程88.6m，埋深約8.0m左右。河床內無流水，潛水主要接受河流上游水地下水徑流和大氣降水補給，消耗于蒸發和側向徑流及生產用水。

招標文件中提供的地質成果砂礫(卵)石層的滲透系數為1.7×10－1cm/s，即146.88m/d。

2 降水施工方案的選擇

為了合理確定基坑降水方案，配備合適的抽水設備，需對基坑總涌水量、單井涌水量、基坑內地下水降深等進行分析計算。經過對黃水河渠道倒虹吸部位的地層進行抽水試驗，確定了實際的地層平均滲透系數K為316m/d，相應的給水度為0.25。

降水模擬計算采用國內外廣泛使用的地下水滲流模擬軟件MODFLOW進行。MODFLOW是由美國地質調查局開發的一套基于三維有限差分方法的專門用于孔隙介質中地下水滲流模擬的計算軟件。

本工程需要降水后開挖的總長度290m，分為二期進行施工。一期基坑開挖形狀為長140m、寬46m(井排距)的矩形，地下水位埋深約8m左右，含水層為砂卵石層，含水層厚度60m，底部以下可視為隔水底板。

基坑周邊主要為河漫灘，地勢平坦，地層巖性變化不大，根據經驗公式計算出基坑降水降深7.5m的影響半徑約2046m。本次計算選取計算區時在此影響半徑基礎上再適當向外擴大，將基坑東、南、北各2500m處地下水位變化忽略不計，定為一類定水頭邊界;在本標段西側約1.1km為石門河倒虹吸基坑降水段，目前正在運行中，其降深范圍已經擴展至本標段。本次降深開始實施后，將和石門河降水段形成干擾抽水，二者之間應為隔水邊界，考慮到石門河降水為向西滾動施工，將隔水邊界適當向西偏移，取本次基坑降水起點向西1000m作為隔水邊界(在兩基坑排水量相同情況下，隔水邊界應位于二者連線的中垂線上);上部邊界為自由水位邊界，下部為隔水底板。這樣得到的總計算范圍東西寬3500m，南北長5000m，總面積為17.5km2，垂直方向上厚度共68m。

采用三維非穩定流潛水含水層數值模型進行計算，計算的初始水位為88.6m，基坑底平面降水控制水位為81.1m，即基坑中的水位降深要求達到7.5m。

由于垂直方向上含水層結構單一，垂直方向上設置為一個層;水平方向上，考慮到計算速度和計算精度，在遠離基坑處采用較大的計算單元格(50m×50m)，在接近基坑時對單元格進行加密，采用10m×10m的單元格，在基坑處進一步細化為2m×2m的計算單元，這樣共剖分了42840個單元格(見圖1)。

圖1 計算單元格剖分示意(單位:m)

為尋求基坑中心地下水位降深達到7.5m時的單井抽水量，本次設計了不同的單井抽水量輸入模型進行計算，判斷在達到穩定狀態時基坑中心點的水位降深是否達到了7.5m。

基坑開挖范圍的大小，對降水效果及降水運行費用都有著非常重要的影響。根據工程施工開挖計劃及施工開挖斷面圖，一期施工開挖長度為140m，左右兩排井的距離定為46m時不同單井抽水量穩定流試算結果見表1。

表1 不同單井抽水量條件下基坑中心處降深計算

從表1可以看出，在基坑長度為140m、基坑寬度為46m的條件下，當基坑總排水量達到或超過184800m3/d時，基坑中心處的降深超過7.5m(即高程81.1m)，可基本滿足工程降水需要。

確定每天抽排水工程量后，下一步需要確定單井的排水量，從而確定井深及井數。在不同單井抽水量條件下，地下水位歷時曲線的形態基本相同，基坑地下水位在開采初期降幅較大，隨著時間的推移，水位歷時曲線逐漸趨于平緩，在抽水進行到60天以后，基坑中心點處前后兩天的地下水位變幅小于0.01m，認為基本達到穩定。但在不同單井抽水量條件下，基坑中心地下水位降深達到7.5m時所需的時間是不同的，總排水量越大，地下水位可以達到的降深越大，基坑中心水位降深達到7.5m所需的時間越短(見表2)。

表2 不同單井抽水量基坑中心水位降深情況及所需時間統計

采用地下水滲流模擬軟件MODFLOW分析單井抽水量(以單井抽水量5400m3/d為例)。

圖2為單井抽水量5400m3/d條件下基坑中心水位降深7.5m計算區的地下水位等值線圖，基坑附近地下水位降深等值線見圖3。

圖2 單井抽水量5400m3/d條件下13天末刻計算區地下水位等值線圖(單位:m)

圖3 單井抽水量5400m3/d條件下13天末刻計算區地下水位等值線圖(單位:m)

其它各種單井抽水量條件下的地下水位等值線圖不再描述。

3 方案確定

通過模擬計算，確定以基坑總排水量184800m3/d時作為降水方案。在基坑長度為140m、寬度為46m、井間距為8m、總排水量為184800m3/d條件下，模擬計算范圍內地下水位達到穩定狀態時的水位等值線，確定單井結構形式有兩種:(1)工程降水初期利用5400m3/d的單井抽水量，在基坑中心水位降至7.5m后再將單井抽水量減少至4200m3/d;(2)工程降水初期利用5400m3/d的單井抽水量，在基坑中心水位降至7.5m后再將單井抽水量減少至4500m3/d。

明確一期降水工程布置降水井39眼(其中2眼為封口井)，單井深均為28m。綜合考慮工程區水文地質條件、降水要求、開挖斷面設計特點、開挖方法、基坑降水涌水量估算結果等因素，并參考類似工程降水經驗，擬沿一級馬道外側即2排井的井間距離在不影響施工條件下越近越好。采用二期開挖，同時考慮1.25倍的安全系數時，則每期降水井的井間距離為8m、單井深28m，在進口斜管段與水平管段交接附近布置2眼封口井，防止水流從進口處涌入基坑。

本次模擬計算沒有考慮基底附近壤土夾層(為弱透水層)的存在，水位達到要求高程的時間，可能會因壤土夾層存在的性狀(如厚度、連續性、粘粒含量等)而延長，同時可能會在邊坡局部出現明水滲流。如果出現明水滲流情況，可采取截滲溝的方法進行排水。

4 結語

2010年1月9日，黃水河渠道倒虹吸降水開始進行，共計39眼降水井，每眼井2臺泵，共計78臺泵。2010年1月9日至1月13日，先啟用18眼降水井進行抽水，單井抽水量5400m3/d，日抽水量9萬m3;2010年1月14日，全部降水井開始抽水，單井抽水量5400m3/d，39眼降水井日抽水量為19萬m3。2010年1月31日，基坑中心靜水位從85.5m降至正常施工水位81.1m。2010年2月1日至2010年4月17日，由單井抽水量5400m3/d改為單井抽水量4500m3/d，運行46臺泵，日抽水量10.3萬m3。

后期受到上游石門河倒虹吸工程降水、降雨量偏少和正處于地下水枯水期的影響，水量暫時沒有預計的那么大。在2010年4月17日至2010年5月7日，使用降水井28個泵，日抽水量為6.58萬m3，基坑中心的施工靜水位能夠保持在81.1m，完全滿足工程要求。

通過對地下水滲流模擬軟件MODFLOW的應用，采用數值模擬法對施工開挖降水問題進行多方案計算比較，將黃水河渠道倒虹吸地下水文資料形象化和直觀化，確定了經濟、合理的降水方案，并按計劃組織實施，有效保證了施工的順利進行。