三维数值模拟技术(Visualmodflow)在基坑降水中的应用

李再兴，李　静，宋鹏飞，杨　芳

(河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南 郑州 450006)



三维数值模拟技术(Visualmodflow)在基坑降水中的应用

李再兴，李静，宋鹏飞，杨芳

(河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南 郑州 450006)

[摘要]基坑降水设计常采用大井法计算基坑涌水量，但是当研究区水文地质条件复杂，含水层非均值性，防渗围堰的存在且渗透系数的不确定性时，利用“大井”解析法求解涌水量时，概化的条件较多，往往降低计算结果的可信度；而数值法不受其限制。因此本文采用了数值模拟软件VisualModflow对基坑涌水量进行了模拟。在正确分析水文地质条件的基础上，建立合适的水文地质概念模型并确定数学模型，通过非稳定流计算求取基坑涌水量，并对防渗墙的防渗效果进行三种方案模拟计算，结合工程降水实际，推求防渗墙的渗透系数。

[关键词]基坑降水；数值模拟；防渗帷幕

计算基坑涌水量的方法有很多[1]，如解析法、数值法和目标函数法等等,一般在基坑降水设计时，大多采用大井法，其原理易懂，方法易行。大井法一般需要对场地水文地质条件进行概化，概化成均值、等厚的含水层，再利用裘布依井流推导出来的计算公式进行求解。由于大井法概化的条件较多，概化误差会降低参数和涌水量求解的可信度[2]。

数值模拟的优点在于能够刻画均值、不等厚以及复杂的水文地质条件[3],近年来，数值模拟技术在实际应用中发挥了很大的优越性。本文以长江流域某水电站基坑降水为例，采用三维数值模拟技术计算基坑降水涌水量，并结合工程降水实际，推求了防渗墙的渗透系数。

1研究区背景

1.1工程概述

长江流域某水电站左岸主体及导流工程分两期施工。第一期工程先进行左岸围堰，即在左岸滩地上修筑一期土石(防渗)围堰，其纵向段紧靠河谷枯水期的河水位边，上下游横向段与左岸边坡相连接，总体形态呈凸向右岸的弧型(见图1)。在一期围堰完成之后，在围堰内进行二期混凝土纵向围堰上游段的施工。由于二期纵向大坝上游段地基覆盖层平均深达45m，二期施工不能影响一期堰基稳定和安全。通过多种处理方案的比较和分析，最后选定沉井处理方案作为二期纵向围堰大坝上游段地基覆盖层处理方案。

图1　一期防渗围堰与二期沉井群平面位置示意图

沉井处理方案布置了若干个邻接沉井，前期作为挡土墙及纵向围堰堰基进行二期基坑开挖，然后作为二期围堰的一部分，解决堰基覆盖层的处理与二期工程施工的矛盾。

二期围堰设计的沉井群由若干个23 m×17 m的矩形沉井组成，沉井底部进入下伏岩层，平均下沉深度45 m。沉井群依次沿一期土石围堰成“L”型错开布置(图1)，采取排水下沉，沉井群下沉区可视为一个大型基坑。

设计一期防渗围堰有多层防渗体系，包括覆盖层的塑性砼防渗墙、下伏基岩帷幕灌浆，防渗体系的渗透系数在10-5～10-4m/d之间，防渗围堰可视为隔水边界。

1.2研究区地质概况

研究区两岸地形整齐，基岩露头良好，岩层连续分布，两岸对应地层没有明显错位。出露地层主要为三迭系上统(T3xj)和第四系(Qh)，第四系不整合于三叠系基岩之上。此外，三迭系中统雷口坡组(T21)灰岩地层埋深于水电站坝基以下，埋深大于260 m，此层在地表未出露。

1.3研究区水文地质条件

拟建的沉井群场地位于长江左岸的滩地之上。沉井群中心距离长江约200 m。

沉井群所在的坝址区是上覆为45厚的第四系河流冲积物(Qhal)，大致可分为三层且含水层厚度不均：0～-15 m为砂卵砾石层，-15～-30 m为砂层，-10～-45 m为砂卵砾石层；砂层又可以分为上下两段，上层为粉细质砂，厚10 m,下层为中粗砂，厚5 m；-45～-60 m为基岩，平均厚15 m,主要为三叠系的粉细砂岩，为主要含水层，微风化为主，裂隙与解理较发育。且向下延伸至-80 m左右，含水量急剧减少，可视为不透水含水层(隔水层)。

沉井区长江河槽切割至地面以下-28 m，第四系孔隙水与长江水发生直接水力联系，相互渗补；下伏基岩裂隙水与上部第四系孔隙水不存在相对隔水岩层，因此，沉井基坑下部裂隙水与上覆第四系孔隙水也有水力联系，且水位基本一致。

2基坑降水实践及存在的问题

原设计方案的基本假设和概化是：把一期防渗围堰与山体合围的区域(或称围堰基坑)作为一个封闭的地质单元(图1)。该单元的边界条件，一期防渗围堰可视为隔水边界；据压水试验资料，山体和基坑底部基岩的透水率比较小，岸坡段岩体和基坑底部也进行了帷幕灌浆处理，因此，山体侧面和基坑底部可以视为弱隔水边界，即概化为零流量补给边界。原方案将围堰基坑概化为独立的水文地质单元，只接受上部来自大气降水的补给。

根据以上假设，围堰基坑的涌水量，主要来自基坑地下水的储存量和来自大气降水的补给。再取安全系数(富余系数)1.2，经计算围堰基坑设计涌水量为247×104m3。

按沉井设计工期12个月计算，原方案设计月抽水量约为21×104m3，日抽水量约0.7×104m3，平均每月降深3.8 m。

此方案经过二期施工实践证实，设计的涌水量远远不能满足工程施工的要求，设计计算值远小于实际抽出的水量。从实际情况来看，月排水量达到原设计方案的6～8倍时，基坑水位才能够逐步下降，达到月平均降深3.6 m左右。

从上可以看出，原设计的围堰基坑储量和围堰基坑面上的降水入渗量只占基坑涌水量的少部分，围堰基坑水量来源和计算参数的求取还存在不足。

3基坑涌水量数值模型建立

基坑涌水量计算常采用“大井法”，但遇到水文地质条件复杂等情况下，不适宜简单、直接采用大井法，原因如下：(1)当研究区存在防渗墙时，勘察阶段抽水试验所求的影响半径必然变化，其不能简单代入裘布依井流公式进行求解；(2)本文研究的基坑形状很不规则(“L”型)，同时含水层非均值，要进行条件概化，若概化不当，所求得的解可信度降低。(3)考虑到防渗墙在实际的施工中存在一些天然的或人为的不确定的因素，造成防渗墙的渗透性也不确定，在基坑降水中不能简单的视为隔水边界，必须对其的渗透性有充分的估计，而大井法很难推求其渗透系数的大小。

本文采用数值模拟技术可解决上述问题。

3.1模型建立技术的要点

地下水流数值模拟的核心是拟合，进行拟合的过程就是不断修改参数，不断修正数学模型，使数学模型与水流原型达到逼真的相似，即达到与原型等效[4]。对于地下水流问题，要使模型和原型拟合很好，必须对原型有足够的认识，即对含水层的结构、边界条件，地下水的补给、排泄、径流以及运动规律等有正确的认识并进行一系列合理的概化。主要包括：模拟计算区域的确定，含水层的概化，边界条件确定和概化，主要水文地质参数的确定等等。基坑涌水量的数值模拟方法是建立在研究区水文地质条件认识清楚、水文地质模型概化合理、数学模型建立和运用正确、所有参数具有代表性这些基坑之上，划分水均衡区，通过水均衡的计算来预测基坑涌水量的全过程。

3.2水文地质条件的概化

研究区的主要含水、透水介质即T32岩组，其相对隔水底板是T31岩组，相对隔水顶板是T33岩组。研究区主要含水透水岩层是河床基岩(T32)和第四系覆盖层(Qhal)。

3.2.1岩性概化和参数选取

1)第四系覆盖层基岩概化(Qhal)

研究区第四系覆盖层自地表往下主要可分为三大层有：砂卵砾石层8～13 m，下界面高程249～252 m；砂层厚14～24 m，下界面高程237～253 m;含崩块石的砂卵砾石层厚8～22 m。基岩(T32)可分为两层：强风化基岩层和弱风化基岩层。

2)水文地质参数分区

由上面的分析含水层组可概化为5大层，为了模型的精确性，第四系地层要进一步细分，分成8层。三叠系T32地层是含水透水地层，对基坑涌水有一定的影响，分成两层。即模型细分为十层。分别给这十层含水层进行渗透系数分区岩土的渗透系数取决于岩土的成因和物质组成；基岩的渗透系数还取决于其风化程度，裂隙发育程度及连通性等。在对渗透系数的采用上，根据勘察资料水文钻孔的抽水试验和取土样进行室内渗透试验以及利用的资料成果，结合工程经验，推荐渗透系数(K)值如表1 所示。

表1　模拟区渗透系数取值

3.2.2边界条件

沉井群段基坑位于一期土石围堰内，其南是长江，其距基坑中心距离约100 m，认为此处地下水水位不会随着基坑开挖而变化，视为定水头边界,取值270 m。距离基坑中心约240 m处的北面是山体，含有基岩裂隙水，视为定水头边界，取值271 m。东西方向距离基坑中心分别约为460，200，此两处水位受长江影响较大，取水位值271～270 m。因此模型四周是定水头边界。模型上边界接受大气降水的补给，模型的下边界是零流量边界，位于河床基岩中等偏弱透水岩体之下，视为隔水底板。

3.3数学模型

模型采用潜水三维非稳定流模拟[5,6]：

式中：ω为源汇相，u为给水度，K为渗透系数，Z为含水层标高；H为水头；B1为第1类边界；H1(x,y,z)为第1类边界定水头值。B2为模型下边界零流量边界。

3.4模型的建立

模拟区域为一矩形，面积1 000 m×400 m,模拟最大深度为176 m,顶部最大标高为280.26 m。 模型分为10层，每层100列，80行，共80 000个单元。

由于计算模型是三维的，事先知道每一层的顶面高程和底面高程。本文通过钻孔勘察资料，记录每个钻孔点的坐标和同一层的高程，利用surfer 软件克里格插值 ，得每一层的顶面高程和底面高程。在模拟时，赋给visualmodflow建立的模型。

3.5初始水头的确定

模拟区的初始水头有3种方法来确定：一是根据钻孔中地下水的埋深资料，利用插值方法或趋势面分析得到；二是先利用类比方法确定该地区的水力坡度，利用该水力坡度和现今的河流水位推算出各单元的地下水位埋深；三是对模型进行稳定流模拟，得到后缀名.HDS水头文件的水头值，把此结果作为非稳定流模型的初始水位。

根据钻孔观测水位资料分析，研究区的水位变化不大，基本保持在262 m左右，因此本次模拟取的初始水位262 m。

3.6对防渗墙围堰的处理

考虑防渗墙围堰的渗透性存在不确定性，在基坑降水设计中不能简单将它视为隔水边界。

在即坑降水三维数值模拟时，把它作为挡墙边界(Wall)来处理，处理时，需要输入两个参数：挡墙的厚度和渗透系数。挡墙的厚度是一定的取0.8 m，渗透系数在一定范围内取值，来考虑对基坑涌水量的影响。

3.7补给边界

MODFLOW用补给程序包(RCH)来处理地下水补给。补给程序包用来模拟地下水来自大气的补给。大多数情况下，大气补给表现为降水向地下水系统的入渗结果。本文模型的上边界就是一个补给边界，把大气降水量按照模拟的时间逐月分配到模型中。根据基坑开挖的时间，模拟的时间定为一年，从第一年5月18日5时40分到第二年年5月18日。根据多年平均降水量得下表2。

表2　模拟时间内每月平均降水量

表3　应力期的分布及其初末水头值

3.8应力期

在利用visualmodflow进行非稳定流模拟时，模拟时间分为多个时间段，在每个时间段内系统上所有的应力(边界条件、抽水速率等)保持不变的时间期，这个时间期叫应力期。

考虑到基坑开挖的进度，模拟期模拟12个时间段(共一年时间)，即12个应力期。每个应力期的初末水头如表3所示。

图2　均衡区的形状大小示意图

3.9模拟时对基坑的处理

把基坑底部的水头设为变化的定水头，具体输入的数值按表3进行。另外把基坑所在的空间渗透系数设置很大，视为空的区域，地下水流进基坑时是无障碍流动。

4基坑涌水量的预测

模型是通过水均衡的计算来求基坑内涌水量。在模拟过程中，模型将设置两个均衡区，一个从基坑的周边进水，设置均衡区1；另一个从基坑的底部进水设置均衡区2。均衡区的形状等同于沉井群段基坑的形状(见图2)。

4.1预测方案的选取

考虑到防渗墙在实际施工中存在一些天然的或人为的不确定的因素，造成防渗墙的渗透性的不确定，因此模型在模拟时考虑防渗墙渗透性，制定了多个预测方案，见表4。

表4　预测方案

4.2方案的模拟结果

三种方案的模拟结果分别见表5、表6和表7。

表5　方案一涌水量计算结果记录表

表6　方案二涌水量计算结果统计表

表7　方案三涌水量计算结果统计表

4.3模拟结果的分析

从表5，表6和表7的三种方案的模拟计算结果来看，如果防渗墙的防渗效果好，防渗墙的渗透系数(0.08 m/d)与基岩的渗透系数相当(如方案三)，从基坑四周流入量和底部流入量相差不大，且基坑总涌水量小。如果防渗围堰效果不好，那么基坑四周进入的水量增幅很大，占总量的60%以上。

当防渗墙渗透系数k为8 m/d时，模拟计算出降深10 m时日排水量达到了约8×104m3；

当防渗墙渗透系数k为0.8 m/d时，模拟计算出降深10 m时日排水量达到了约5×104m3；

当防渗墙渗透系数k为0.08 m/d时，模拟计算出降深10 m时日排水量达到了约1.4×104m3。

而实际排水降到10 m时，大约需要100 d，则模拟的日排水量换算成月排水量分别为约240×104m3、152×104m3、42×104m3；而降水实际表明此时月排水在120～160×104m3之间时，沉井段基坑水位能够逐步下降。则两种结果对比较表明防渗墙的防渗效果达到了2～0.8 m/d。方案二与实际情况比较一致。

在此防渗效果下，模拟预测降深-45 m时，基坑涌水量的计算结果与后期降水实践比较一致。

5结语

本文以长江流域某水利基坑降水为例，采用Visualmodflow三维数值模拟技术对基坑涌水量进行计算，并以此指导工程实践，为降水设计与工程实践提供依据。

(1)在基坑降水设计时，要全面的分析研究区的水文地质条件，当含水层出现防渗墙时，难以引入正确的“影响半径”时，而采用数值模拟技术不受其限制。数值模拟技术不仅可以计算基坑涌水量，模拟出整个开挖过程中非稳定流过程，而且还可以预测基坑周边每一点的水位降深。

(2)防渗墙在实际施工中存在一些天然的或人为的不确定的因素，造成防渗墙的渗透性的不确定性，在基坑降水设计中不能简单将它视为隔水边界，必须对防渗墙渗透性的不确定性有充分的估计，采用大井法计算很难处理这一问题，而数值模拟技术能够解决此问题。

本文利用数值模拟软件(VisualModflow)对防渗墙的防渗效果进行了三种方案的非稳定流模拟计算，结合降水实际情况，得出该工程防渗效果为2～0.8 m/d。

(3)建议在基坑涌水量预测计算中应采用多种模型计算，并结合地区经验类比，不应完全依赖某种计算结果。在施工过程密切注意涌水量情况，根据涌水量变化资料修正数值模型条件和参数，动态预测涌水量，以提高预测的可信度和安全性；在高渗透性含水层和补给丰富的基坑降水工程中，尤其是特大型深基坑，必须充分考虑防渗墙的渗透性，采用安全性的评估方法，进行多方案模拟计算，以保证降水的安全施工。

参考文献

[1]李再兴.有关基坑降水方法的探讨.地下水[J].2008(2),72-74.

[2]李再兴，梁杏，郭付三，等.大井法在基坑涌水量计算中的应用[J].人民长江.VOL. 40(15):50-55.

[3]陈崇希，成建梅，孙红林.深基坑地下水的排降——地面沉降模型的探讨[J].勘察科学技术.1998，(2)：3-7.

[4]李艳梅.辽河油田地区地下水水质模拟与预测[D].吉林大学硕士学位论文.2003.

[5]陈崇希，林敏.地下水动力学[M].武汉：中国地质大学出版社.1996.

[6]陈崇希，唐仲华.地下水流动问题数值方法[M].武汉：中国地质大学出版社.1990.

Application of Numerical Modeling to Dewatering Design for Foundation Pit

LI Zai-xing，LIJing，SONG Peng-fei，YANGFang

(Institute Of Surveying Mapping And Geoinformation of Henan ,Zhengzhou 450006, Henan)

Abstract:The total water displacement is obtained through the generalized large well method in the dewatering design for foundation pits,but the hydrology geology condition in the research area is more complicated, heterogeneity of aquifer, exist seepage control cofferdam and filter efficiency is uncertain, making use of " generalized large " resolution method to solve stream amount of water, the condition of generalization is more, usually cause the credibility of compute result lower. So my paper have used VisualModflow to simulate the amount of water. Build on the suitable hydrology geology concept model and assurance mathematics model, got stream amount of water of foundation pit dewatering by the calculation unstabilized flow. The influence of impervious effect of penetrating wall for stream amount of water is very greatly, take three kinds of projects to calculation the impervious effect, combining with practical engineering, have inquired into the permeability coefficient of seepage proof curtain.

Key words:Foundation pit dewatering；numerical modeling and seepage proof curtain

[中图分类号]P641.4+1

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)02-0022-04

[作者简介]李再兴(1981-)，男，安徽安庆人，工程师，主要从事工程地质、水文地质与环境地质的勘测与研究工作。

[收稿日期]2015-11-16