Processing Modflow在黃土類地層綜合降水試驗中的應(yīng)用

趙慧芳,侯 杰,劉 艷

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,河南鄭州 450003)

Processing Modflow在黃土類地層綜合降水試驗中的應(yīng)用

趙慧芳1,侯 杰1,劉 艷2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,河南鄭州 450003)

南水北調(diào)中線某工程連接明渠長約5 km,位于黃土丘陵區(qū),為深挖方渠道。最高原始地下水位高出渠底約30 m,為準(zhǔn)確計算試驗區(qū)降水井的水位和優(yōu)化降水方案,利用Processing Modflow軟件在生產(chǎn)型群井降水試驗區(qū)第二階段建立降水模型,并用現(xiàn)場實際觀測資料率定了數(shù)值模型,模型的擬合結(jié)果符合實際。通過不斷調(diào)整降水井布置,超前綜合降水,達到優(yōu)化設(shè)計、提高功效、加快施工進度的目的。

Modflow;降水井;數(shù)值模型

0 引 言

降水方案的設(shè)計是降水工程施工順利進行的關(guān)鍵,所選用的方法既要技術(shù)上簡單易行,又要經(jīng)濟上合理,并且能達到預(yù)期目的[1]。用數(shù)值模型進行渠道降水試驗設(shè)計,可通過不斷調(diào)整降水井的布置方案,盡可能的使用最少的降水井,最合理布置降水井形式,在理論上精確達到設(shè)計降深。用數(shù)值模擬預(yù)測的準(zhǔn)確性取決于降水場地水文地質(zhì)條件的調(diào)查資料收集、分析和對含水層的合理概化。

南水北調(diào)中線某工程明渠長約5 km,位于邙山黃土丘陵區(qū),為深挖方渠道。地面高程約為131 m～163 m,渠底高程111 m～112 m,邊坡高度20 m～52 m。地下水位高程約102 m～139 m,k(明渠樁號)4+500以北,邊坡高度超過40 m,最高原始地下水高出渠底約30 m。為保證渠道開挖邊坡穩(wěn)定,實現(xiàn)開挖和襯砌旱地作業(yè),必須進行渠道降水施工。故本文在單井降水試驗和生產(chǎn)性群井降水試驗的基礎(chǔ)上,用Processing Modflow軟件進行數(shù)值模擬,檢驗率定水文地質(zhì)參數(shù),優(yōu)化降水井系統(tǒng)布置,對渠道邊坡的穩(wěn)定、施工降水設(shè)計、施工作業(yè)方法等具有重要的意義。

1 試驗場區(qū)概況

試驗場區(qū)選在李村南干渡槽開挖區(qū),長(L)=320 m,寬(B)=98 m,地下水位高程約130.19 m～134.05 m,挖方深度27.47 m～28.46 m。邊坡地層主要為中更新統(tǒng)沖積層(alQ2)、上更新統(tǒng)沖積層(alQ3)和全新統(tǒng)沖積層(alQ4)。邊坡中部的 alQ3⑨-1、⑨夾層黃土狀粉質(zhì)壤土層和下部及渠道底板為alQ3⑨-2層黃土狀粉質(zhì)壤土[2]。

2 渠道降水設(shè)計與施工

生產(chǎn)性降水試驗段分為兩個階段,第一階段布置兩排深井(L1-L10、R1-R10、ZZ 、Z1、YZ),分別布置在渠道開挖斷面兩側(cè)的▽130 m平臺上,排距98 m。降水井設(shè)計間距30 m,井深50 m,井徑300 mm～350 mm。觀測井(G1、G2、G3、G4、G5)為真空結(jié)構(gòu),上部10 m 采用鋼管作為井管。第二階段補井(B1-B9、G0)位于渠道斷面軸線上,間距30 m,井深35 m,井徑270 mm～280 mm。探坑采用長臂反鏟開挖,深度10 m～12 m。在23口井上安裝揚程60m,出水量為10m3/h的潛水泵,水泵安裝在距井底1.5m位置。B1-B9及G2、G5(作為抽水井)安裝揚程54 m,出水量為6 m3/h的潛水泵(如圖1)。抽水井、觀測井水位均采用電測水位計同步觀測(每眼井各一支)。

圖1 降水井平面布置圖

降水第一階段,第 1天,出水量5 465 m3,平均單井流量237.6 m3/d,第2～6天,平均單井流量117.36 m3/d。第20～23天,平均單井流量91.68 m3/d。第一階段,降水共計進行23 d,抽水試驗總出水量63 362 m3,平均單井出水量2 755 m3,單井平均流量119.76 m3/d。第二階段補井后,每日總出水量變化不大,平均每天約為2 200 m3,平均單井流量64.8 m3/d,如表1所示。降深隨時間的變化規(guī)律具有相似性。

極具特點的斷面地下水位觀測結(jié)果顯示,降水初期地下水最大降深位于距降水井約19 m處的試驗區(qū)渠道內(nèi)側(cè),而不是降水井處,渠道中軸線處地下水位高于降水井處約3 m,高于試驗區(qū)渠道斷面最低水位處約9 m,如圖2。隨著后期進一步延續(xù)抽水,這一現(xiàn)象逐漸消失,且水位已下降到120 m高程[3]。

表1 第二階段各降水井實際平均抽水量表

圖2 降水施工后渠道斷面地下水位線(單位:m)

3 模型的建立

3.1 水文地質(zhì)概念模型

試驗場區(qū)土體為黃土狀粉質(zhì)壤土,黃土在水平方向上的滲透系數(shù)比垂直方向上的稍小,均屬弱透水性。地下水為孔隙～裂隙潛水,地下水位較高,大部分高出渠底近30 m左右。根據(jù)相關(guān)水文地質(zhì)試驗,邙山嶺中間存在地下水分水嶺。分水嶺以北,地下水向黃河排滲;分水嶺以南,地下水由西北流向東南。黃土中的孔隙水主要受大氣降水補給,流向測區(qū)南、北,以徑流形式排泄。由于影響水位變化主要是抽水量,其他源匯項對含水層在短時間內(nèi)的影響暫可忽略。模型區(qū)的含水層內(nèi)部結(jié)構(gòu)概化為:均質(zhì)、各向同性、隔水底板水平的潛水含水層,水流服從達西定律。數(shù)值模型范圍以試驗區(qū)渠道為中心線向四周延伸,即模型模擬區(qū)的長約為320 m、寬約為98 m。

3.2 數(shù)學(xué)模型的建立與求解

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型

式中:H為潛水水位(m);B為潛水含水層底板標(biāo)高(m);K為潛水含水層滲透系數(shù)(m/d);μ為潛水含水層給水度;H0為初始水位(m);H1為邊界處的地下水位(m);D為計算區(qū)范圍;Γ1為一類水頭邊界。

本次數(shù)值模擬采用Processing Modflow軟件,根據(jù)邙山孤柏嘴黃土中地下水等水位線圖,在模型范圍內(nèi)按以上條件賦值,利用Processing Modflow自帶的插值模塊Field Interpolator,對每一個單元賦初始水頭值。將底邊界處理成為隔水邊界;上邊界可作為開放邊界,僅考慮抽水情況,用Processing Modflow中的井流(Well)模塊來處理;將側(cè)向邊界概化為定水頭邊界,即側(cè)向邊界為基坑排水的影響邊界。采用等間距有限差分的離散方法自動剖分。差分網(wǎng)格為2 m×2 m,單元面積4 m2,模型計算區(qū)單元數(shù)7 840個,面積為31 360 m2。根據(jù)基坑的排水時間,模擬時間以d為單位,共計30 d。各抽水井的抽水量按實際抽水賦值,每個井在17.5 m3/d～143.2 m3/d。采用強隱式共軛梯度法求解。

3.3 模型的率定與檢驗

模型建立后,利用渠道生產(chǎn)型群井降水試驗第二階段的水位觀測資料,借鑒前人的成果[4-6],對數(shù)學(xué)模型進行識別,數(shù)學(xué)模型符合實際的水文地質(zhì)條件。模型的抽水井平面布置按照實際試驗區(qū)降水井布置圖,抽水量按照現(xiàn)場實際抽水量賦值,運行模型后,通過比較地下水觀測井處的計算水位和觀測水位,來不斷修改反復(fù)調(diào)整參數(shù),如滲透系數(shù)、給水度,使得計算水位和觀測水位擬合情況較好(圖3～圖6),此時參數(shù)值含水層的滲透系數(shù)為0.34m/d,給水度為0.023。可用本模型率定的參數(shù)進行原設(shè)計方案優(yōu)化。

圖3 G0水位與時間關(guān)系曲線

圖4 G1水位與時間關(guān)系曲線

圖5 G3水位與時間關(guān)系曲線

圖6 G4水位與時間關(guān)系曲線

4 降水方案優(yōu)化

含水層滲透系數(shù)是影響該降水的主要因素,經(jīng)檢驗率定后不予調(diào)整,主要調(diào)整降水井的數(shù)量和布置形式[7]。通過分析模型運行結(jié)果,對原布置方案降深較大處的井間距加寬,降深較小處的井間距變小。原則是盡可能使用最少的降水井,使試驗區(qū)剛好達到設(shè)計降深即可。在時間上,在渠道開挖作業(yè)前,超前一個月降水,地下水位可降到120 m高程以下,基本能夠滿足前期的土方開挖要求(開挖至120 m高程平臺)。同時,地下水位以下的土體處于飽和狀態(tài),施工過程中,若開挖速度過快,土體內(nèi)的孔隙水壓力不能及時消散,滲透作用將有可能引起邊坡失穩(wěn)。在保證120 m高程平臺以上土方開挖的前提下,可以將降水井布置在120 m高程平臺上。前期開挖至120 m高程平臺后,也可采用輕型井點降水結(jié)合明溝排水的方法將地下水位進一步降至高程110 m高程以下,以保證渠道開挖和襯砌旱地作業(yè)。

5 結(jié) 語

本文在前期水文地質(zhì)條件、現(xiàn)場單井降水試驗以及生產(chǎn)型群井降水試驗的基礎(chǔ)上,利用Processing Modflow軟件在生產(chǎn)型群井降水試驗區(qū)第二階段建立降水?dāng)?shù)值模型,并用現(xiàn)場實際觀測資料率定了數(shù)值模型,模型的擬合結(jié)果符合實際。通過不斷調(diào)整降水井布置形式,開挖作業(yè)前一個月進行綜合降水的方案,達到了優(yōu)化設(shè)計、提高功效、加快施工進度的目的。

[1]劉志敏.水利基坑降水井群的優(yōu)化方法和應(yīng)用研究[D].南京:河海大學(xué),2005.

[2]趙慧芳,梁單禹,侯杰.黃土類地層綜合降水試驗及優(yōu)化設(shè)計[J].水利與建筑工程學(xué)報,2011,9(1):125-143.

[3]馬貴生,張延倉.南水北調(diào)邙山渠段水文地質(zhì)條件及渠坡穩(wěn)定性[J].人民長江,2007,38(9):26-30.

[4]葛明明,王 寧,杜 冰.南水北調(diào)穿黃工程黃土原位直剪試驗研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2010,8(5):22-25.

[5]李 斌,宋海亭,羅 毅.黃土渠道高邊坡滲流分析[J].人民黃河,2009,31(11):124-127.

[6]馬貴生,董 筑,張 航.孤柏嘴邙山飽和黃土工程特性與邊坡穩(wěn)定性[J].人民長江,2005,36(4):23-24.

[7]吳彬,劉 磊,黨建新.Modflow在石河子某工程基坑降水設(shè)計中的應(yīng)用[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,33(4):369-372.

Application of Processing Modflow in Integrated Dewatering Test of Loessal Area

ZHAO Hui-fang1,HOU Jie1,LIU Yan2
(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Wulumuqi,Xinjiang830052,China;2.Yellow River Investigation and Planning and Design Co.,Ltd.,Zhengzhou,He'nan450003,China)

The connecting channel of one project in Median-line South-to-North Water Trausfer Project,being about 5 KM long and located in hilly area of loess,is a deeply excavated channel.The maximum level of original underground water is about 30 meters higher than the bottom of the channel.In order to accurately calculate the groundwater level of dewatering well in test area and optimize the dewatering scheme,Processing Modflow is applied to establish the dewatering model in the second stage of the dewatering test area of production wells.The model is established after comparison to the actual data observed at the site,and the fitted result is in accordance with fact.The design isoptimized,the efficiency is improved,and the construction progress is accelerated by the continuous adjustment for the scheme of dewatering well arrangement and scheme of integrated dewatering ahead of time.

Modflow;dewatering well;numerical model

TU444

A

1672—1144(2012)01—0018—04

2011-11-01

2011-12-10

趙慧芳(1984—),女(漢族),河南三門峽人,碩土研究生,研究方向為水工水力學(xué)。

侯 杰(1947—),男(漢族),天津人,教授,研究方向為水力學(xué)及河流動力學(xué)。