MODFLOW软件在黄水河倒虹吸基坑降水方案模拟计算中的应用

闫晟垚，刘杰

(中国水利水电第五工程局有限公司第一分局，四川双流，610225)

1 概述

黄水河渠道倒虹吸工程位于南水北调中线工程新乡段辉县五标段，建筑物由进口渐变段、进口检修闸、管身段、出口控制闸和出口渐变段组成。建筑物总长451m。根据设计施工图和现场地形条件，需开挖一个下口宽36.62m，上口宽88.62m，周边坡度为1∶1.5～1∶1.75的大型土石方基坑，基坑底部高程为82.1m，基坑开挖深度约为14.9m，地下水位以下开挖深度近7.5m，需先进行降水才能实现干地施工开挖，要求开挖范围地下水水位降至倒虹吸基底高程以下1m。

按地下水的赋存条件及性质，本工程区的地下水类型为孔隙潜水。潜水主要赋存于第四系全新统卵砾石土层中。潜水位高程88.6m，埋深约8.0m左右。河床内无流水，潜水主要接受河流上游水地下水径流和大气降水补给，消耗于蒸发和侧向径流及生产用水。

招标文件中提供的地质成果砂砾(卵)石层的渗透系数为1.7×10－1cm/s，即146.88m/d。

2 降水施工方案的选择

为了合理确定基坑降水方案，配备合适的抽水设备，需对基坑总涌水量、单井涌水量、基坑内地下水降深等进行分析计算。经过对黄水河渠道倒虹吸部位的地层进行抽水试验，确定了实际的地层平均渗透系数K为316m/d，相应的给水度为0.25。

降水模拟计算采用国内外广泛使用的地下水渗流模拟软件MODFLOW进行。MODFLOW是由美国地质调查局开发的一套基于三维有限差分方法的专门用于孔隙介质中地下水渗流模拟的计算软件。

本工程需要降水后开挖的总长度290m，分为二期进行施工。一期基坑开挖形状为长140m、宽46m(井排距)的矩形，地下水位埋深约8m左右，含水层为砂卵石层，含水层厚度60m，底部以下可视为隔水底板。

基坑周边主要为河漫滩，地势平坦，地层岩性变化不大，根据经验公式计算出基坑降水降深7.5m的影响半径约2046m。本次计算选取计算区时在此影响半径基础上再适当向外扩大，将基坑东、南、北各2500m处地下水位变化忽略不计，定为一类定水头边界;在本标段西侧约1.1km为石门河倒虹吸基坑降水段，目前正在运行中，其降深范围已经扩展至本标段。本次降深开始实施后，将和石门河降水段形成干扰抽水，二者之间应为隔水边界，考虑到石门河降水为向西滚动施工，将隔水边界适当向西偏移，取本次基坑降水起点向西1000m作为隔水边界(在两基坑排水量相同情况下，隔水边界应位于二者连线的中垂线上);上部边界为自由水位边界，下部为隔水底板。这样得到的总计算范围东西宽3500m，南北长5000m，总面积为17.5km2，垂直方向上厚度共68m。

采用三维非稳定流潜水含水层数值模型进行计算，计算的初始水位为88.6m，基坑底平面降水控制水位为81.1m，即基坑中的水位降深要求达到7.5m。

由于垂直方向上含水层结构单一，垂直方向上设置为一个层;水平方向上，考虑到计算速度和计算精度，在远离基坑处采用较大的计算单元格(50m×50m)，在接近基坑时对单元格进行加密，采用10m×10m的单元格，在基坑处进一步细化为2m×2m的计算单元，这样共剖分了42840个单元格(见图1)。

图1 计算单元格剖分示意(单位:m)

为寻求基坑中心地下水位降深达到7.5m时的单井抽水量，本次设计了不同的单井抽水量输入模型进行计算，判断在达到稳定状态时基坑中心点的水位降深是否达到了7.5m。

基坑开挖范围的大小，对降水效果及降水运行费用都有着非常重要的影响。根据工程施工开挖计划及施工开挖断面图，一期施工开挖长度为140m，左右两排井的距离定为46m时不同单井抽水量稳定流试算结果见表1。

表1 不同单井抽水量条件下基坑中心处降深计算

从表1可以看出，在基坑长度为140m、基坑宽度为46m的条件下，当基坑总排水量达到或超过184800m3/d时，基坑中心处的降深超过7.5m(即高程81.1m)，可基本满足工程降水需要。

确定每天抽排水工程量后，下一步需要确定单井的排水量，从而确定井深及井数。在不同单井抽水量条件下，地下水位历时曲线的形态基本相同，基坑地下水位在开采初期降幅较大，随着时间的推移，水位历时曲线逐渐趋于平缓，在抽水进行到60天以后，基坑中心点处前后两天的地下水位变幅小于0.01m，认为基本达到稳定。但在不同单井抽水量条件下，基坑中心地下水位降深达到7.5m时所需的时间是不同的，总排水量越大，地下水位可以达到的降深越大，基坑中心水位降深达到7.5m所需的时间越短(见表2)。

表2 不同单井抽水量基坑中心水位降深情况及所需时间统计

采用地下水渗流模拟软件MODFLOW分析单井抽水量(以单井抽水量5400m3/d为例)。

图2为单井抽水量5400m3/d条件下基坑中心水位降深7.5m计算区的地下水位等值线图，基坑附近地下水位降深等值线见图3。

图2 单井抽水量5400m3/d条件下13天末刻计算区地下水位等值线图(单位:m)

图3 单井抽水量5400m3/d条件下13天末刻计算区地下水位等值线图(单位:m)

其它各种单井抽水量条件下的地下水位等值线图不再描述。

3 方案确定

通过模拟计算，确定以基坑总排水量184800m3/d时作为降水方案。在基坑长度为140m、宽度为46m、井间距为8m、总排水量为184800m3/d条件下，模拟计算范围内地下水位达到稳定状态时的水位等值线，确定单井结构形式有两种:(1)工程降水初期利用5400m3/d的单井抽水量，在基坑中心水位降至7.5m后再将单井抽水量减少至4200m3/d;(2)工程降水初期利用5400m3/d的单井抽水量，在基坑中心水位降至7.5m后再将单井抽水量减少至4500m3/d。

明确一期降水工程布置降水井39眼(其中2眼为封口井)，单井深均为28m。综合考虑工程区水文地质条件、降水要求、开挖断面设计特点、开挖方法、基坑降水涌水量估算结果等因素，并参考类似工程降水经验，拟沿一级马道外侧即2排井的井间距离在不影响施工条件下越近越好。采用二期开挖，同时考虑1.25倍的安全系数时，则每期降水井的井间距离为8m、单井深28m，在进口斜管段与水平管段交接附近布置2眼封口井，防止水流从进口处涌入基坑。

本次模拟计算没有考虑基底附近壤土夹层(为弱透水层)的存在，水位达到要求高程的时间，可能会因壤土夹层存在的性状(如厚度、连续性、粘粒含量等)而延长，同时可能会在边坡局部出现明水渗流。如果出现明水渗流情况，可采取截渗沟的方法进行排水。

4 结语

2010年1月9日，黄水河渠道倒虹吸降水开始进行，共计39眼降水井，每眼井2台泵，共计78台泵。2010年1月9日至1月13日，先启用18眼降水井进行抽水，单井抽水量5400m3/d，日抽水量9万m3;2010年1月14日，全部降水井开始抽水，单井抽水量5400m3/d，39眼降水井日抽水量为19万m3。2010年1月31日，基坑中心静水位从85.5m降至正常施工水位81.1m。2010年2月1日至2010年4月17日，由单井抽水量5400m3/d改为单井抽水量4500m3/d，运行46台泵，日抽水量10.3万m3。

后期受到上游石门河倒虹吸工程降水、降雨量偏少和正处于地下水枯水期的影响，水量暂时没有预计的那么大。在2010年4月17日至2010年5月7日，使用降水井28个泵，日抽水量为6.58万m3，基坑中心的施工静水位能够保持在81.1m，完全满足工程要求。

通过对地下水渗流模拟软件MODFLOW的应用，采用数值模拟法对施工开挖降水问题进行多方案计算比较，将黄水河渠道倒虹吸地下水文资料形象化和直观化，确定了经济、合理的降水方案，并按计划组织实施，有效保证了施工的顺利进行。