離岸人工島滲流與防滲數值模擬研究

摘 要：采用FEFLOW模型，對海南海花島內海堤壩及海花島圍堤無防滲和有防滲措施下的滲流量、滲透范圍及對內海水位變化的影響進行了計算和分析。結果顯示：（1）實施防滲措施后，在正常潮位情況下內海水位波動減小0.03m～0.13m；在極端情況下（50年極高水位、50年極低水位）分別使內海潮位波動減小0.29m～0.39m；其滲透坡降均小于允許滲透坡降值。（2）內海堤壩及其兩側為滲流發生的主要區域，建議對滲流重點區域進行適當范圍內進行防滲處理；根據計算結果，給出了防滲的大致范圍。（3）在滲流影響下，人工島成陸區，浸潤線（飽和度1）的位置，基本在高程1.1m～1.5m（國家85基面）之間。為了人工島成陸區土質和植被的生長環境，建議對成陸區適當深度進行反滲處理。

關鍵詞：海花島；人工島；滲流；防滲措施；數值模擬

1 概述

近年來，我國圍海造地的建設項目迅速發展。在圍填海整體布局上，多采取人工島式、連片分離式等平面形態，形成一定面積的內河（內海）水域。在離岸人工島建設工程的關鍵技術問題上，前人將主要研究方向集中在平面形態、護岸結構、地基處理和生態環保等問題上，而對于滲流問題、滲流引起的內河（內海）水位變化的研究卻極少[1][2]。在現有的文獻中，戚藍等[3]采用Ansys有限元數值模擬方法，對福建某人工島滲流與外海、內河水位變動之間的相互影響進行了計算與分析，并提出了防滲措施和建議；莊志農[2]針對目前圍海造陸工程所形成的內河（水域）的防滲要求，以福建某典型工程為例，采用Ansys有限元數值模擬方法對無防滲措施情況下的滲透坡降、流速、流量進行了計算與分析，表明各閘門兩側為滲流發生的主要區域，建議對滲流重點區域，采用混凝土垂直防滲墻的防滲措施，并給出了最佳方案。

文章采用基于有限元方法的FEFLOW水流和物質遷移模型，以海花島工程為例，對其內海堤壩和海花島圍堤無防滲、有防滲措施下的滲流量、滲透范圍及對內海水位變化的影響進行計算和分析，對工程設計提供一定參考。

海南海花島項目位于儋州市排浦港與洋浦灣之間的海灣區域，南起排浦鎮，北至馬井鎮，總跨度6.8km，擬在工程區域新建護岸，吹填造陸，共建3個人工島[4]，人工島之間以聯系橋連接，總圈圍形成陸地面積7.53km2，形成海岸線39.44km，見圖1。三個人工島與內陸之間建設四條堤壩形式的橋梁，與外海隔斷（利用箱涵開關在漲落潮期間進行內外水體自然交換），使3個島嶼與東南側內陸之間形成內海，面積約3.7km2，回填陸地標高為+7.0m～+7.5m（85國家高程，下同），內海水域設計底標高為-3.0m，水面常水位高程為+1.5m。

2 工程區地質特征與滲流風險

整個人工島調查區域鉆探揭露的地表下50m范圍揭露的地層綜合劃分為6個巖性單元層，自上而下各土層為：①1含細粒土粉砂（Q4m）、①2珊瑚碎屑（Q4m）、②低液限粘土（Q4m）、③海灘巖（Q1m）、④低液限粘土（Q1m）、⑤低液限粘土（Q1m）、⑤1含細粒土粗砂（Q1m）和⑥低液限粘土（N2m）。

根據地質勘察結果顯示，海花島工程周圍均存在珊瑚碎屑強透水層；而且對已形成陸域的1#島的勘察，擬建場地淺層地下水含水層系賦存于①流泥、①-1中砂混淤泥、②珊瑚碎屑中的孔隙型潛水及各粘土層中的少量孔隙型潛水；以海水補給為主，水量豐富，場地地下水與海水水力作用聯系較緊密。而且內海與外海之間存在一定的水位差，當多種條件匯聚在一起，滿足形成滲流的水力條件，進而產生一定量的滲流量和滲流流速，對內海水位波動產生一定影響。

3 滲流模型與計算

3.1 模型介紹

FEFLOW（Finite Element Subsurface Flow System）是德國 WASY水資源規劃和系統研究所于20世紀70年代末開發的數值模擬軟件，是迄今為止功能最為齊全的地下水流和物質遷移過程的模擬軟件，已在地下水污染防控和修復、地表水/地下水耦合模擬、大壩滲流計算、下滲計算、環境影響評價、地下水監測規劃等多個領域得到廣泛應用[5-8]。在人工島滲流方面的研究文章尚屬首例。模型原理見參考文獻[9][10]，在此不再贅述。

3.2 模型的建立與處理

整體三維計算模型按照海花島實際尺寸和周邊實測地形建立，整個模型范圍，南北8.9km，東西4.5km，內海底高程-3.0m。根據實際地質勘察情況對模型中地質進行了分層，共分了6層（流泥、含細粒土粉砂、珊瑚碎屑、粘土粉砂、粗砂和粘土粉砂），如圖2。

具體堤壩三維模型，按照內海圍堤4條堤壩實際尺寸建立三維模型，其中1#堤壩三維結構圖如圖3。

3.2.1 參數設置

各土層材料參數主要為滲透系數K，護岸拋填石料K=1×10-2cm/s，防滲體滲透系數k=1×10-8cm/s（該量級可認為基本不透水）；其他土層滲透系數為實際鉆孔樣品試驗所得[11]，如表1所示。

3.2.2 邊界條件

將邊界處理為第一類邊界，為了更好地刻畫外海水位的連續變化，外海按照潮位實際變化情況施加變化的水頭，采用FEFLOW中的一維線性差值方法推算未知的中間節點的序列水位，以提高模型邊界處擬合的精度；內海施加常水位1.5m水頭。

3.2.3 計算工況

（1）正常工況

分別對1）無防滲方案和2）設計防滲方案情況下的月滲流過程（選取一年中含年最大潮位的30天）、15d滲滲流過程（含月滲流過程中的最大潮）、7d滲流過程（含15d滲流過程中的最大潮）和3d滲流過程（含7d滲流過程中的最大潮）進行了計算。

（2）極端工況

分別對50年極端高水位（3.9m）和50年極端低水位（-1.75m）下2d的滲流過程進行了計算。

4 計算結果分析

4.1 無防滲措施滲流計算結果與分析

（1）對內海水位的影響

在正常天氣潮位變化情況下，通過對內海區域包括內海4條圍堤和海花島周圍圍堤不同時間（3d、7d、15d和30d）滲流量的統計，分別為-154.74×103m3、-319.04×103m3、-651.58×103m3、-1014.47×103m3（“-”表示滲出，使內海水位降低），分別使內海水位降低0.04m、0.09m、0.18m和0.27m。

在50年最高潮位作用歷時2d的情況下，滲流量達1526×103m3（“+”表示滲進，使內海水位升高），對內海潮位升高約0.41m。在50年最低潮位作用歷時2d的情況下，滲流量達-1816×103m3（“-”表示滲出，使內海水位降低），對內海潮位降低約0.49m。

（2）最大滲透坡降

在正常情況下，四條堤壩的最大滲透坡降在0.04-0.12；在不利情況50年極端高水位時，最大滲透坡降在0.22-0.52，50年極端低水位時，最大滲透坡降在0.24-35。根據《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008），本工程堤壩可能發生滲透變形的允許滲透坡降為0.1-0.2。由此看出，在正常情況下，其滲透坡降基本都在允許范圍以內，但是在極端不利情況時，其滲透坡降均大于允許滲透坡降值，由此認為需要對堤壩進行防滲處理。

（3）滲流區域分析

根據無防滲工況下的滲流場水頭、滲透坡降及滲流流速分析，在各堤壩及其兩端附近為滲流發生的主要區域，建議對堤壩及其兩端適當范圍內進行防滲工程。根據計算結果，建議對1#堤壩東、西兩端南側各110m、750m范圍，對2#堤壩西端南、北兩側各650m、300m范圍，對3#堤壩西端南、北兩側各200m、100m范圍，對4#堤壩東、西兩端各340m、270m范圍實施防滲控流方案。

4.2 有防滲措施滲流計算結果與分析

（1）對內海水位的影響

在正常天氣潮位變化情況下，內海水位降低幅度有所減小，內海區域包括內海4條圍堤和海花島周圍圍堤不同時間（3d、7d、15d和30d）滲流量的統計，滲出流量分別為-40.7×103m3、-173.9×103m3、-421.8×103m3、-507.2×103m3，分別使內海水位降低0.01m、0.06m、0.11m和0.14m。與無防滲措施情況相比，內海水位降低波動減小了0.03m～0.13m。

在50年最高潮位作用歷時2d的情況下，內海區域包括內海4條圍堤和海花島周圍圍堤滲進流量為497.6×103m3，對內海潮位升高約0.13m。在50年最低潮位作用歷時2d的情況下，內海區域包括內海4條圍堤和海花島周圍圍堤滲出流量為-369.3×103m3，對內海潮位降低約0.10m。與無防滲措施情況相比，內海水位波動減小了0.29m～0.39m。

（2）最大滲透坡降

有防滲方案下，在正常情況下，四條堤壩的最大滲透坡降在0.02-0.06，與無防滲方案相比，最大滲透坡降減小一倍；在不利情況（50年極端高水位、50年極端低水位）時，最大滲透坡降在0.05-0.09，減小了3-8倍，其滲透坡降均小于允許滲透坡降值。

4.3 陸域浸潤情況

根據成陸區典型斷面滲流特征，浸潤線（飽和度1）的位置，基本在高程1.1m～1.5m之間，浸潤線以上的區域為不飽和區域，也稱之為濕潤區，不飽和度為10%等值線位置在高程2.7m～3.8m之間，不飽和度為5%等值線位置在高程4.7m～5.7m之間。為了人工島成陸區土質和植被的生長環境，建議對成陸區適當深度進行反滲處理。

5 結束語

以海南儋州海花島工程為例，采用FEFLOW模型，對海花島內海堤壩及海花島圍堤無防滲和有防滲措施下的滲流量、滲透范圍及對內海水位變化的影響進行了計算和分析。結果顯示：

（1）實施防滲措施后，在正常潮位情況下內海水位波動減小

0.03m～0.13m；在極端情況下（百年極高、百年極低）分別使內海潮位波動減小0.29m～0.39m；其滲透坡降均小于允許滲透坡降值。

（2）內海堤壩及其兩側為滲流發生的主要區域，建議對滲流重點區域進行適當范圍內進行防滲處理；根據計算結果，給出了防滲的大致范圍。

（3）在滲流影響下，人工島成陸區，浸潤線（飽和度1）的位置，基本在高程1.1m～1.5m（國家85基面）之間。為了人工島成陸區土質和植被的生長環境，建議對成陸區適當深度進行反滲處理。

參考文獻

[1]張志明，劉連聲，錢立明，等.海上大型人工島設計關鍵技術研究[J].水運工程，2011（9）：1-7.

[2]莊志農.圍海造陸工程中的防滲研究[J].中國港灣建設，2015，35（8）：29-31.

[3]戚藍，老西飛，王志浩，等.基于逐步積分法的人工島三維非穩定滲流數值模擬[J].水利水電技術，2013，44（11）：128-130.

[4]左書華，張征，李蓓.人工島建設對區域水動力及海床沖淤影響數值模擬研究[J].中國港灣建設，2015，35（10）：1-5.

[5]高慧琴，楊明明，黑亮，等.MODFLOW和FEFLOW在國內地下水數值模擬中的應用[J].地下水，2012，34（4）：13-15.

[6]孫志浩，王開章，孔凡亮.基于FEFLOW的淺層地下水水環境演化模擬[J].中國農村水利水電，2009（10）：5-11.

[7]盧薇，朱照宇，劉衛平.基于FEFLOW的海水入侵數值模擬[J].地下水，2010，32（3）：19-21.

[8]冶雪艷，杜新強.FEFLOW在紅興水庫滲控方案確定中的應用[J].人民黃河，2009，9（9）：116-117.

[9]DHI-WASY.FEFLOW6.2Manual[R].2014，03.

[10]賀國平，邵景力，崔亞莉，等.FEFLOW在地下水流模擬方面的應用[J].成都理工大學學報（白然科學版），2003，30（4）：356-361.

[11]海南有色工程勘察設計院.恒大海南海花島項目工程地質勘察報告[R].2012.

作者簡介：左書華（1979-），河北邱縣人，博士，副研究員，主要從事河口海岸水動力、泥沙數值模擬及岸灘演變研究。