堤防工程中防滲墻對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響的分析

李 超

（新疆庫(kù)車(chē)縣銅場(chǎng)水庫(kù)管理站 新疆 庫(kù)車(chē) 842000）

1 案例介紹

某堤防工程大約有6.4km長(zhǎng)的堤基和堤身使用防滲墻來(lái)對(duì)進(jìn)行防滲處理，在中間布置了長(zhǎng)度為2km的防滲墻作為深墻。防滲墻為全封閉墻體。墻體從堤頂向下，使用土層將堤基截?cái)唷Ｉ顗Χ蝺啥?km采用淺墻結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)堤基、堤身之間接觸段的隱患，由于此列淺墻對(duì)地下水的影響比較小，因此，本文只對(duì)深墻段防滲墻對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。在深墻段按照J(rèn)C1、JC2和JC3的編號(hào)順序分別在深墻段布置了三個(gè)測(cè)壓管監(jiān)測(cè)剖面。

2 工程地質(zhì)和水文條件

此地段位于河流的左岸，堤外的河灘比較窄，防滲墻距離江邊的直線(xiàn)距離大約有50m左右。堤坡內(nèi)側(cè)為寬度為450m～1000m的一級(jí)階地,地形開(kāi)闊、平坦。地面高程為24m～26m,階地后方屬于丘陵地段,和深墻段后450m～720m的山體相互對(duì)應(yīng),山體兩側(cè)地勢(shì)平坦。地區(qū)分布了較松散的第四系堆積層,土層的上部為粉質(zhì)粘土、粘土和粉質(zhì)壤土組成，部門(mén)區(qū)域?yàn)橛倌噘|(zhì)粘土組成的粘土層,粘土層的厚度為9m～19.5m，局部厚度為5m，下部為中粗砂層、中細(xì)砂層和粉細(xì)砂層組成的厚度為11m～20.3m的強(qiáng)透水性砂層。

根據(jù)賦存條件，可以將地下水分為孔隙水和基巖裂隙水兩種，其中基巖裂隙水主要在基巖裂隙中賦存，水量比較少，孔隙水主要在第四系松散堆積層中賦存。可以將此含水層劃分為孔隙承壓層和孔隙潛水層兩種,其中潛水的埋深度為2m～3m，承壓水層主要有砂性土構(gòu)成。考慮到此含水層頂板的高程為13m～17m，而河流的平均枯水位稍低于平均枯水位,地下水具有承壓的特點(diǎn)。此堤段所在地區(qū)為亞熱帶氣候，夏季炎熱、冬季寒冷，年平均氣溫16.8℃，年平均降雨量為1635.8mm。

3 模擬地下水運(yùn)動(dòng)

3.1 模塊計(jì)算方法

本工程使用MODEFLOW 96計(jì)算模塊進(jìn)行模擬。使用下述公式表示孔隙介質(zhì)中地下水三維空間滲流篇微分方程：

在上述公式中，x，y,z軸方向上的分量分別為 Kxx、Kyy、Kzz，單位體積的流量為W，用來(lái)表示流出特征體單元和流入特征體單元的流量，孔隙介質(zhì)的貯水率為。在使用有限差分差法進(jìn)行求解時(shí)，可以將連續(xù)的空間和時(shí)間劃分成離散點(diǎn)，用分隔的時(shí)步表示時(shí)間上的點(diǎn)，用網(wǎng)格單元表示空間上的點(diǎn)。并使用公式（2）取代公式（1）中所表示的連續(xù)偏微分方程。

在公式中，某段時(shí)間流出的單元水量和流進(jìn)水里為Qi，含水層的給水度或者貯水率為SS，Δh為某時(shí)間段中水頭的變化情況，Δv為單元體積，時(shí)間變化量為Δt。通過(guò)將已知源和所求的未知點(diǎn)水邊界條件結(jié)合起來(lái)，就可以組成一個(gè)由有限差分式組構(gòu)成的線(xiàn)性方程組[1]。然后利用線(xiàn)性方程組來(lái)進(jìn)行聯(lián)立求解，計(jì)算出的最終結(jié)果即為水頭各個(gè)離散點(diǎn)的近似值。

3.2 模擬分析內(nèi)容與方案

在研究還沒(méi)有開(kāi)始的時(shí)候，對(duì)這個(gè)區(qū)域的地下水儲(chǔ)存情況做了調(diào)查，然而這只能說(shuō)明調(diào)查的時(shí)候，地下水和地表水儲(chǔ)存的情況。在模擬計(jì)算以前的地下水情況和山體地區(qū)的地下水源補(bǔ)給情況不是特別清楚，這就給模擬帶來(lái)了一定的困難，現(xiàn)作出如下模擬方案來(lái)了解該地區(qū)地下水的情況。

（1）初始地下水位不同情況下河水上升以后，河水和初始地下水兩者之間的動(dòng)態(tài)變化。

（2）比較山體兩側(cè)平坦地區(qū)地下水的情況，了解該區(qū)域地下水運(yùn)動(dòng)的情況如何。

（3）加設(shè)防滲墻以后，河水上漲時(shí)地下水的運(yùn)動(dòng)情況，防滲墻所起到的作用如何。

3.3 分析無(wú)防滲墻時(shí)，地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

沒(méi)有修建防滲墻的時(shí)候，臨江地層中地下水在江水上漲的時(shí)候，它的運(yùn)動(dòng)情況可以表現(xiàn)為以下二點(diǎn)：

第一，透水砂層里的承壓水和江水兩者之間的水力關(guān)系非常緊密。河水在上漲的時(shí)候，江水以垂直的形式給透水砂層補(bǔ)給水分，堤壩附近400m區(qū)域內(nèi)，透水砂層的承壓水全部是由江水所控制[2]。在模擬計(jì)算的時(shí)候，承壓地下水水頭條件的不同就會(huì)造成透水砂層內(nèi)水頭計(jì)算的不一樣，然而隨著時(shí)間的改變，江水補(bǔ)給對(duì)透水砂層內(nèi)地下水的影響增強(qiáng)，這樣的差異也就會(huì)立即消失。這說(shuō)明，在短時(shí)間里，如果水位較低、持續(xù)時(shí)間較短的時(shí)候，該區(qū)域透水砂層內(nèi)地下水的分布和變化受江水變化影響比較明顯。

圖1 透水砂層內(nèi)地下水等勢(shì)線(xiàn)

圖2 防滲墻的滲透系數(shù)變化

第二，初始潛水位的情況制約著粘性土層內(nèi)潛水的變化，它與江水的水力交互不明顯。透水砂層內(nèi)地下水向上滲透反映出江水對(duì)粘性土層內(nèi)潛水位的制約情況，雖然江水和透水砂層內(nèi)地下水的交互情況比較明顯，但是粘性土層沒(méi)有較好的透水性，這就會(huì)從某種程度上制約透水砂層中地下水與其的水力交換情況。在進(jìn)行模擬計(jì)算的時(shí)候，計(jì)算結(jié)果受初始潛水位條件的不同而有所變化，在模擬計(jì)算后期水位較高的情況下，潛水位計(jì)算值仍然會(huì)受到它的影響。這說(shuō)明，如果短時(shí)間內(nèi)、洪水水位降低的時(shí)候，粘性土層內(nèi)潛水位受江水的影響不明顯。

3.4 分析有防滲墻時(shí)，地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

（1）有防滲墻的時(shí)候，堤壩后面300m之內(nèi)透水砂層在受到江水補(bǔ)給的時(shí)候，由于有防滲墻的存在，所以影響不是非常明顯，詳見(jiàn)圖1所示。沒(méi)有防滲墻的情況下，與堤后透水砂層里面的數(shù)值進(jìn)行比較，水頭差值的最大有效值為3m左右，主要出現(xiàn)在防滲墻軸線(xiàn)中段接近墻后的透水砂層中，防滲墻的兩頭和堤后較遠(yuǎn)的地方，水頭差值會(huì)逐漸變小。

（2）防滲墻的透水性制約著地下水的變化情況，但不是唯一制約因素。防滲墻的滲透系數(shù)變化詳見(jiàn)圖2所示。經(jīng)過(guò)對(duì)圖2的分析發(fā)現(xiàn)，隨著防滲墻滲透系數(shù)的不斷變化，防滲墻前后的水頭差值也在不斷的變化，這說(shuō)明防滲墻具有較強(qiáng)的截流作用，還會(huì)影響透水砂層內(nèi)地下水的變化[3]。防滲墻的滲透系數(shù)最小的時(shí)候，防滲墻的截流作用幾乎不存在，對(duì)地下水的影響也不會(huì)十分突出，這說(shuō)明制約地下水運(yùn)動(dòng)還有其他因素。為了保證防滲墻具有較好的滲透效果，防滲墻的滲透系數(shù)通常在10cm～5cm量級(jí)以?xún)?nèi)。

（3）地下水繞滲的程度與范圍還會(huì)受到透水砂層滲透系數(shù)的影響。低滲透性防滲墻存在的時(shí)候，江水滲透主要是經(jīng)過(guò)防滲墻兩端的透水砂層繞滲實(shí)現(xiàn)的。透水砂層的滲透系數(shù)制約著繞滲的情況，伴隨著滲透系數(shù)的加大，防滲墻后面的水頭也會(huì)加大，這說(shuō)明繞滲的程度上升，對(duì)應(yīng)的范圍也會(huì)增大。

（4）河水排泄受防滲墻的影響不大。由于砂層水力和河水有著密切的聯(lián)系，當(dāng)透水砂層中的承壓水頭大于河水水位時(shí)，地下水就會(huì)排泄到河水中。尤其在枯水期，此現(xiàn)象非常明顯。除了透水砂層中的水會(huì)排泄到河水中，潛水層中的地下水也會(huì)向下滲流，堤內(nèi)地表水系也會(huì)向下補(bǔ)充。通過(guò)對(duì)枯水期穩(wěn)定滲流進(jìn)行模擬證明。當(dāng)有防滲墻時(shí)，防滲墻會(huì)影響墻后一定范圍中地下水的排泄。和無(wú)防滲墻相比，水頭計(jì)算值的最大差值在1.5m以?xún)?nèi)，對(duì)其造成影響的范圍大約在300m×1500m，而對(duì)粘性土層的潛水位影響較小，水位的變化幅度不大。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于堤段來(lái)說(shuō)，使用防滲墻可以在某種程度上降低了地下水和河水之間的聯(lián)系。會(huì)影響堤后300m內(nèi)的地下水，但是在繞滲的影響下，河水和臨河地層承壓含水層之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系變化不大，結(jié)合地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析結(jié)果來(lái)看，該防滲墻施工建設(shè)并不會(huì)出現(xiàn)新的地下水環(huán)境問(wèn)題。陜西水利

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