基于Visual Modflow軟件的群孔抽水試驗模擬

趙激光

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

0 引言

上海軟土地區修建地鐵車站，基坑止水帷幕采用地下連續墻。地下連續墻能夠阻擋潛水含水層對地鐵車站基坑穩定的影響。因此，地下水對基坑的影響主要考慮承壓含水層。承壓水視為無補給來源的無限含水層，短期抽水試驗，承壓水水位不斷下降，試驗是非穩定流抽水。此外，承壓含水層上下存在弱透水層，抽水過程中會出現越流補給。地下連續墻阻斷地下水的水平向流動，地下水流動以垂直向為主導，抽水井附近及止水帷幕底端局部存在不適于達西定律的情況。因此，對于承壓水層進行抽水試驗研究是一個復雜的問題，采用解析法計算的抽水試驗參數比較繁瑣且誤差較大。

隨著計算機技術的發展，采用計算機對地下水滲流進行數值模擬，使得復雜含水層的抽水試驗的問題得到解決。地下水數值模擬模型MODFLOW是由美國地質調查局的McDonald和Harbaugh于20世紀80年代開發的用于孔隙介質的三維有限差分地下水流數值模擬模型[1]。Visual Modflow 是由加拿大Waterloo 水文地質公司在Modflow的基礎上開發研制的，是目前國際上流行的三維地下水流和溶質運移模擬評價的標準可視化專業軟件系統[2]。Visual Modflow可以仿真模擬深基坑降水過程中地下水位的變化情況[3]。Visual Modflow 相較其他模型而言，可視化功能強大，求解方法簡單，適用范圍廣泛，數值模擬能力出色且操作簡單[4]。

基于Visual Modflow軟件進行地下水滲流數值模擬，反演出合理的計算模型水力學參數，逐漸成為降水試驗的一種常規手段，廣泛應用于軟土地區地鐵基坑水文地質勘察中。本文就該軟件在群孔抽水試驗中的運用進行介紹和分析。

1 工程概況

擬建地鐵車站工程全長536m，站型為地下三層，島式車站，主體結構為單柱雙跨現澆鋼筋混凝土結構，圍護結構為1200mm厚地下連續墻。基坑采用明挖順作法施工，基坑開挖深度約25.87～27.82m。

2 水文地質條件

本工程位于長江三角洲沖積平原區，根據勘察結果，場地揭露地層為第四紀全新世（Q4）濱海～河口、晚更新世（Q3）濱海～淺海相沉積地層，主要由黏性土、粉性土及粉砂組成。

擬建工程場地屬于太湖流域黃浦江水系。地下水根據成因類型可分為孔隙潛水和（微）承壓水。潛水主要賦存于淺部填土、黏性土、粉性土中。微承壓水主要分布在⑤2層黏質粉土中，⑤2層與⑦2層水力聯系弱，基坑止水帷幕埋深在⑤2層層底，基坑范圍采用疏干降水處理。承壓水主要分布在⑦2層粉砂、⑧2層粉質黏土夾粉砂和⑨層粉砂中。⑦2層與⑧2層兩層承壓水之間⑧1層作為隔水層。⑦2層與⑧2層水力聯系弱。本次群孔抽水試驗對相鄰含水層越流補給影響的⑧2層水文地質參數進行確定。

3 抽水試驗

抽水試驗設置82Y1～82Y3三個抽水試驗孔，82G1～82G4四個觀測孔，孔深為65～68m。孔位布置見圖1。

圖1 抽水孔及觀測孔布置示意圖

群孔抽水期間，82Y1～82Y3作為抽水孔，剩余為觀測孔。抽水歷時約8d，各觀測孔水位穩定，滿足群孔抽水試驗停抽要求。

4 數值模擬反演

4.1 含水層的結構特征

根據抽水試驗數據建立數值模型，考慮基坑面積及抽水影響半徑，確定模型尺寸800×800（m）。行列間距按照20m間距設置，核心區按照2m進行加密，模型層厚按照100m設置。網絡最外邊緣按定水頭考慮。網格立體剖分圖見圖2。

圖2 離散模型網絡三維圖

4.2 模型調整優化

根據抽水試驗所得參數，對模型進行初步賦值。模型的建立往往會忽略一些次要因素，因此模型不能準確代表實際系統，此時需要通過模擬結果與實測結果進行反演，實際模型參數最終通過不斷地調整及優化確定。

4.3 水力特征

天然孔隙含水層中的地下水流的Reynolds數和裂隙中地下水流的水力坡度，遠小于臨界Reynolds數和臨界水力坡度，天然地下水多處于層流狀態[5]。地下含水層隨地層呈層狀分布，不同的含水層滲透系數不同。因此，一般建立模型時，可以根據場地實際地層確定含水層。地層相同，地質參數相近，可視為均質含水層，在水平方向上視為各向同性介質。垂直方向上地層不同，滲透系數各異，例如黏性土滲透系數很小，視為隔水層，阻礙地下水的垂向運動，因此垂向視為各向異性介質。

地下水的流動在含水層中以水平向為主，垂向為輔。相鄰含水層為透水層或弱透水層，在抽水的情況下，會產生明顯的層間越流，形成三維地下水滲流場。地下水流是連續的，取地下水微單元體進行分析，根據地下水質量守恒關系，進入離散的單元體水的質量與流出單元體質量差等于單元體內液體質量的變化。根據地下水流連續方程及邊界條件，建立地下水三維非穩定流模型。

4.4 模擬期及應力期確定

根據有效應力原理，隨著水位的下降，水的應力減小，土的應力增加，總應力保持不變。抽水試驗抽水時間為8d，因此群孔試驗模擬期及應力期為8d。為了準確反應模擬曲線變化，本次分三個周期，每個周期外部源匯項的強度保持不變。

4.5 源匯項

源匯項指承壓含水層中流入（源）或流出（匯）項。在Visual Modflow軟件中可以對抽水試驗孔、觀測孔的參數進行設置。抽水孔可以設置過濾管的位置，觀測孔可以設置水位值。研究區范圍邊界在抽水試驗影響半徑之外，邊界條件即初始水位，為固定值。

將抽水試驗得到的涌水量值輸入模擬系統，反演獲得模擬水位值，通過模擬水位值與實測值比較，判斷模擬是否有效。

5 模擬結果分析

通過三維數值反演分析，獲取的模型參數如表1所示。

表1 群孔試驗模型層參數

通過群孔抽水試驗4個觀測孔的實測降深曲線與三維數值模擬取得的計算降深曲線進行對比分析，觀測孔水位對比見圖3～6（點：代表實測數據，線：代表理論計算數據）。

圖3 82G1觀測孔實測水位曲線與模擬水位曲線對比圖

圖4 82G2觀測孔實測水位曲線與模擬水位曲線對比圖

圖5 82G3觀測孔實測水位曲線與模擬水位曲線對比圖

根據以上圖像分析可知，三維數值模擬取得的計算降深曲線與實測水位曲線較接近，說明模型建立較為合理。數值模擬水位降深值與實測水位降深值見表2。

圖6 82G4觀測孔實測水位曲線與模擬水位曲線對比圖

表2 數值模擬數據與實測數據對比

理論上觀測孔距離抽水孔越遠，越接近初始水位，模擬值也一定越接近實測值。本次模擬從82G1觀測孔的模擬降深值與實測水位降深的偏差10.13%，到82G4觀測孔的模擬降深值與實測水位降深的偏差0.68%，呈逐漸減小的趨勢也證實了這一點。實測水位降深值與模擬水位降深值平均偏差2.04%，滿足工程需要。

6 結束語

通過三維數值計算得⑧2層滲透系數Kh=0.18m∕d，Kv=0.01m∕d，貯水率Ss=3.31×10-51∕m。數值模擬水位變化與實測抽水試驗水位變化相符，說明模型建立較為合理，反演參數較為準確，反演計算的水文地質參數能代表場地水文地質特征。