垂直防滲墻結構缺陷檢測數值模擬方法研究

楊 鑄 楊 亮 萬 越

（光大綠保固廢處置（溫嶺）有限公司，浙江 溫嶺 317503）

1 項目概況

為評價危險廢物安全填埋項目垂直防滲工程的完整性，在前期探測試結果的基礎上，在防滲結構薄弱/缺陷處設置5 對試驗井（抽水井/觀測井）（平面布置見圖1）進行地下水水文試驗，并應用地下水領域廣泛應用的GMS軟件[1]，模擬分析垂直防滲墻缺陷處在不同平面位置、不同深度以及不同規模大小情形下，根據模擬計算值和實測數據的擬合情況，從而確定與實際缺陷特征相對比較接近的一種情形。

圖1 試驗井平面位置示意圖

2 GMS數值模擬反演推算技術路線

利用地下水數值模擬軟件GMS 按照圖2 技術路線進行相關數值模擬分析。

圖2 GMS 數值模擬技術路線圖

3 水文地質模型建立

3.1 模擬區網格剖分

劃分網格的大小對模型的運算精度有非常重要的影響。根據抽水試驗的影響范圍，在GMS 軟件中，采用規則的矩形網格，將以試驗井為中心的100m×100m 范圍確定為各組抽水試驗的模擬區，并劃分為100 行和100 列。在垂直方向上根據設置的垂直防滲墻缺陷處特征劃分為2～4層，劃分的網格數為20000～40000 個單元格。

3.2 含水層概化

根據場地勘探報告，在地表向下30m 勘探深度范圍內均為第四系沉積物，場地表層為素填土，往下依次為新近沉積的粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉土、粉砂等。在勘探深度內，有2 個承壓水含水層分布，分別賦存于④層、⑤層、⑥層和⑧層、⑨層、⑩層中，因其間存在⑦層弱透水層，其滲透性較低，⑦層上部和下部的2 個含水層水力聯系較差，可作為2 個獨立含水層。根據防滲墻插入情況，抽水井布設于第⑦層隔水層上部，因此可將模擬區垂向上概化為2 個含水層，即上部埋深約0～8m 的潛水含水層和8m～20m 下部微承壓含水層，而抽水井抽水主要是以8m～20m 微承壓含水層為主。

3.3 邊界條件概化

模擬區垂向邊界的概化：以場地內潛水含水層自由水面為上邊界，⑦層隔水層作為底面邊界。

模擬區側向邊界概化：場地內沒有天然水頭邊界和隔水邊界，根據地下水流向，將模擬區域側向邊界確定為零流量邊界和流量邊界[2]。

3.4 源匯項分析

場地淺層地下水補給來源主要為大氣降水和越流補給，排泄主要是以蒸發和人工抽水形式向外排水。抽水井的濾水管主要位于埋深8m 以下的承壓含水層內，且抽水試驗時間較短，期間未有降水，故本次模擬可不用考慮大氣降水和蒸發帶來的影響。實驗期間抽排地下水即為主要的排泄方式。

3.5 時間離散

模擬區內地下水水位呈現一定的變化趨勢和規律，為了研究其規律性，該抽水試驗的模擬識別期定為2019 年2 月25 日—2019 年3 月8 日，該階段包括區域外部源匯項的強度在一個抽水試驗期間保持不變。

3.6 水文地質參數

建立地下水數值模型的關鍵因素還有水文地質參數的賦值，滲透系數是本次地下水模擬主要考慮的水文地質參數[3]。水文地質參數主要是潛水含水層與承壓含水層滲透系數以及模擬區試驗井之間防滲墻的滲透系數，開始參數將預估值作為參考，模型參數識別后為確定值。

3.7 模型識別

根據構建的模擬區水文地質模型，模擬分析地層的水文地質參數，是模型識別環節關鍵且很重要的一步[4]。建立模型時需要對邊界條件進行概化，導致模型計算的水位值和實測值之間出現一定的偏差，須通過不斷地調整模型參數降低殘差，直至調參結果符合精度標準。

4 垂直防滲墻缺陷處情形特征設置

在前期5 組抽水試驗中選取2 組水位變化較大的試驗數據，應用GMS 軟件，模擬分析垂直防滲墻缺陷處在不同平面位置、不同深度以及不同規模大小情形下，根據設置的5種不同缺陷處情形（圖3 缺陷處設置情形平面示意圖），模擬計算值和實測數據的擬合情況，從而確定與實際缺陷特征相對比較接近的一種情形。

圖3 缺陷處設置情形平面示意圖

具體設置的模擬情形如下：①垂直防滲墻結構缺陷/薄弱處貫穿上部潛水含水層。②垂直防滲墻結構缺陷/薄弱處貫穿下部承壓含水層。③垂直防滲墻結構缺陷/薄弱處貫穿上部潛水含水層和下部承壓含水層。④垂直防滲墻結構缺陷/薄弱處位于上部潛水含水層的局部。⑤垂直防滲墻結構缺陷/薄弱處位于下部承壓含水層的局部。分別在上述5 種情況下，模擬結構缺陷/薄弱處在不同平面位置、不同寬度特征條件時抽水井與觀測井的水位變化，調整參數使模擬值與實際觀測值的極差在設置范圍內，進而獲取垂直防滲墻結構缺陷/薄弱處的具體位置、規模及其局部滲透系數。

5 垂直防滲墻缺陷處數值模擬結果分析

5.1 垂直防滲墻結構缺陷/薄弱處貫穿上部潛水含水層

分別對2 對試驗井模擬設置含水層2 層，即潛水含水層與承壓含水層；缺陷貫穿潛水含水層，與試驗井的水平距離分別為0m、2m、5m 等，并在缺陷水平位置固定情況下調整缺陷寬度為0.5m 和1m 時，通過調整缺陷處滲透系數，觀測井水位基本無變化或者變化很小，未能模擬出與實際監測井相一致的水位降深，因此認為該情形假設與實際情況不符。

5.2 垂直防滲墻結構缺陷/薄弱處貫穿下部承壓含水層

基于建立的水文地質模型，設置缺陷位置與試驗井的水平距離分別為0m、2m 和5m 3 種情形（見表1），設置2 種缺陷寬度，即0.5m 和1m，然后通過調整缺陷處滲透系數和防滲墻（模擬區范圍內除缺陷處以外的其他部分，下同）滲透系數的方法，識別各種情形與實測數據的符合性，經過多次調參，計算值與實測值達到較好擬合的情形。

表1 情形②滲透系數識別結果

5.3 垂直防滲墻結構缺陷/薄弱處貫穿上部潛水含水層和下部承壓含水層

基于建立的水文地質模型，設置缺陷位置與試驗井的水平距離分別為0m、2m 和5m 3 種情形（見表2），設置2 種缺陷寬度，即0.5m 和1m，然后通過調整缺陷處滲透系數和防滲墻（模擬區范圍內除缺陷處以外的其他部分）滲透系數的方法，識別各種情形與實測數據的符合性，經過多次調參，計算值與實測值較好地吻合。其他模擬情形均未能使地下水位發生明顯變化。

表2 情形③滲透系數識別結果

5.4 垂直防滲墻結構缺陷/薄弱處位于上部潛水含水層的局部

根據情形①中的模擬結果可知，防滲墻缺陷貫穿上部潛水含水層時，改變防滲墻滲透參數對模擬水位變化基本無影響，防滲墻缺陷處位于上部潛水含水層局部屬于貫穿含水層的情況類似，經過模擬發現，設置缺陷位置與試驗井的水平距離分別為0m、2m 和5m，大小為3m×4m、4m×4m 等情形時，調整缺陷處滲透系數，水位基本無變化或者變化很小，未能模擬出與實際監測井相一致的水位降深。

5.5 垂直防滲墻結構缺陷/薄弱處位于下部承壓含水層的局部

為了便于進行情形⑤的數值模擬，將承壓含水層劃分為兩層，假定缺陷處呈現水平條帶狀，將其分別設置于承壓含水層底部區域、含水層中部區域，設置缺陷處距離試驗井水平距離分別為0m、2m 和5m，缺陷處寬度設置為1m 和3m，缺陷處高度為0.5m 和1.0m。

當缺陷處位于承壓含水層底部及中部區域時，通過同時調整缺陷處滲透系數和防滲墻滲透系數，在合理的滲透系數范圍內，均未能使模擬計算值與實測值較好地吻合，即該情形與實際情況不相符。

6 結果評價

根據上述5 種情形模擬結果，情形①、情形④和情形⑤中模擬計算值與實測水位降深值相差甚遠，在合理的水文地質參數范圍內，均未能較好地擬合，即與缺陷處的實際特征相差甚遠，因此可以將這3 種情況排除。

情形②在合理范圍內同時調整防滲墻滲透系數與缺陷處滲透系數時，水位均有明顯改變，并且在已確定的含水層滲透系數的基礎上，能夠通過合理調整防滲墻滲透系數與缺陷處滲透系數，使模擬值與實際觀測值達到相對一致的結果，而且改變缺陷處的位置時，也能通過合理調整防滲墻滲透系數與缺陷處滲透系數的大小，得到與實際觀測值相一致的結果。因此認為該情形下的防滲墻缺陷處特征與實際情況較為接近。

情形③與情形②數值模擬結果稍有差別，但基本一致，根據情形①的數值模擬情況可知，上部潛水含水層存在缺陷時，并不會對水位降深產生較大影響，因此在模擬情形③時，對水位降深產生影響的是位于承壓含水層的防滲墻缺陷處。因此可基本認為情形③與情形②屬于同一種情形。

綜合以上分析，缺陷處可能位于承壓含水層并貫穿或接近貫穿承壓含水層，缺陷寬度約為1.0m 左右；缺陷處與試驗井的距離改變對缺陷處滲透系數雖有一定的影響，但是變化值基本處于同一個數量級。因此，可以認定情形②的模擬結果與實際情況最為接近。

7 結論

該文以國內安全填埋場垂直防滲帷幕工程為依托，利用地下水數值模擬軟件GMS 開展了相關的地下水滲流模擬分析，得出如下結論：1）根據現場地質條件、水文地質條件等，建立了相應的水文地質模型，經模型校核顯示，觀測井水位觀測值與計算值擬合度較好，表明建立的項目場地水文地質模型與實際情況基本相符，得出的水文地質參數相對可靠。2）利用場地水文地質模型模擬計算出防滲墻整體的水平滲透系數介于1.33E-09 cm/s～ 1.47E-09 cm/s，垂向滲透系數約為1.08E-10 cm/s，均符合防滲墻滲透性能設計要求（滲透系數小于10-7cm/s）。