Processing Modflow在黄土类地层综合降水试验中的应用

赵慧芳,侯 杰,刘 艳

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052;2.黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

Processing Modflow在黄土类地层综合降水试验中的应用

赵慧芳1,侯 杰1,刘 艳2

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052;2.黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

南水北调中线某工程连接明渠长约5 km,位于黄土丘陵区,为深挖方渠道。最高原始地下水位高出渠底约30 m,为准确计算试验区降水井的水位和优化降水方案,利用Processing Modflow软件在生产型群井降水试验区第二阶段建立降水模型,并用现场实际观测资料率定了数值模型,模型的拟合结果符合实际。通过不断调整降水井布置,超前综合降水,达到优化设计、提高功效、加快施工进度的目的。

Modflow;降水井;数值模型

0 引 言

降水方案的设计是降水工程施工顺利进行的关键,所选用的方法既要技术上简单易行,又要经济上合理,并且能达到预期目的[1]。用数值模型进行渠道降水试验设计,可通过不断调整降水井的布置方案,尽可能的使用最少的降水井,最合理布置降水井形式,在理论上精确达到设计降深。用数值模拟预测的准确性取决于降水场地水文地质条件的调查资料收集、分析和对含水层的合理概化。

南水北调中线某工程明渠长约5 km,位于邙山黄土丘陵区,为深挖方渠道。地面高程约为131 m～163 m,渠底高程111 m～112 m,边坡高度20 m～52 m。地下水位高程约102 m～139 m,k(明渠桩号)4+500以北,边坡高度超过40 m,最高原始地下水高出渠底约30 m。为保证渠道开挖边坡稳定,实现开挖和衬砌旱地作业,必须进行渠道降水施工。故本文在单井降水试验和生产性群井降水试验的基础上,用Processing Modflow软件进行数值模拟,检验率定水文地质参数,优化降水井系统布置,对渠道边坡的稳定、施工降水设计、施工作业方法等具有重要的意义。

1 试验场区概况

试验场区选在李村南干渡槽开挖区,长(L)=320 m,宽(B)=98 m,地下水位高程约130.19 m～134.05 m,挖方深度27.47 m～28.46 m。边坡地层主要为中更新统冲积层(alQ2)、上更新统冲积层(alQ3)和全新统冲积层(alQ4)。边坡中部的 alQ3⑨-1、⑨夹层黄土状粉质壤土层和下部及渠道底板为alQ3⑨-2层黄土状粉质壤土[2]。

2 渠道降水设计与施工

生产性降水试验段分为两个阶段,第一阶段布置两排深井(L1-L10、R1-R10、ZZ 、Z1、YZ),分别布置在渠道开挖断面两侧的▽130 m平台上,排距98 m。降水井设计间距30 m,井深50 m,井径300 mm～350 mm。观测井(G1、G2、G3、G4、G5)为真空结构,上部10 m 采用钢管作为井管。第二阶段补井(B1-B9、G0)位于渠道断面轴线上,间距30 m,井深35 m,井径270 mm～280 mm。探坑采用长臂反铲开挖,深度10 m～12 m。在23口井上安装扬程60m,出水量为10m3/h的潜水泵,水泵安装在距井底1.5m位置。B1-B9及G2、G5(作为抽水井)安装扬程54 m,出水量为6 m3/h的潜水泵(如图1)。抽水井、观测井水位均采用电测水位计同步观测(每眼井各一支)。

图1 降水井平面布置图

降水第一阶段,第 1天,出水量5 465 m3,平均单井流量237.6 m3/d,第2～6天,平均单井流量117.36 m3/d。第20～23天,平均单井流量91.68 m3/d。第一阶段,降水共计进行23 d,抽水试验总出水量63 362 m3,平均单井出水量2 755 m3,单井平均流量119.76 m3/d。第二阶段补井后,每日总出水量变化不大,平均每天约为2 200 m3,平均单井流量64.8 m3/d,如表1所示。降深随时间的变化规律具有相似性。

极具特点的断面地下水位观测结果显示,降水初期地下水最大降深位于距降水井约19 m处的试验区渠道内侧,而不是降水井处,渠道中轴线处地下水位高于降水井处约3 m,高于试验区渠道断面最低水位处约9 m,如图2。随着后期进一步延续抽水,这一现象逐渐消失,且水位已下降到120 m高程[3]。

表1 第二阶段各降水井实际平均抽水量表

图2 降水施工后渠道断面地下水位线(单位:m)

3 模型的建立

3.1 水文地质概念模型

试验场区土体为黄土状粉质壤土,黄土在水平方向上的渗透系数比垂直方向上的稍小,均属弱透水性。地下水为孔隙～裂隙潜水,地下水位较高,大部分高出渠底近30 m左右。根据相关水文地质试验,邙山岭中间存在地下水分水岭。分水岭以北,地下水向黄河排渗;分水岭以南,地下水由西北流向东南。黄土中的孔隙水主要受大气降水补给,流向测区南、北,以径流形式排泄。由于影响水位变化主要是抽水量,其他源汇项对含水层在短时间内的影响暂可忽略。模型区的含水层内部结构概化为:均质、各向同性、隔水底板水平的潜水含水层,水流服从达西定律。数值模型范围以试验区渠道为中心线向四周延伸,即模型模拟区的长约为320 m、宽约为98 m。

3.2 数学模型的建立与求解

根据上述水文地质概念模型,建立相应的数学模型

式中:H为潜水水位(m);B为潜水含水层底板标高(m);K为潜水含水层渗透系数(m/d);μ为潜水含水层给水度;H0为初始水位(m);H1为边界处的地下水位(m);D为计算区范围;Γ1为一类水头边界。

本次数值模拟采用Processing Modflow软件,根据邙山孤柏嘴黄土中地下水等水位线图,在模型范围内按以上条件赋值,利用Processing Modflow自带的插值模块Field Interpolator,对每一个单元赋初始水头值。将底边界处理成为隔水边界;上边界可作为开放边界,仅考虑抽水情况,用Processing Modflow中的井流(Well)模块来处理;将侧向边界概化为定水头边界,即侧向边界为基坑排水的影响边界。采用等间距有限差分的离散方法自动剖分。差分网格为2 m×2 m,单元面积4 m2,模型计算区单元数7 840个,面积为31 360 m2。根据基坑的排水时间,模拟时间以d为单位,共计30 d。各抽水井的抽水量按实际抽水赋值,每个井在17.5 m3/d～143.2 m3/d。采用强隐式共轭梯度法求解。

3.3 模型的率定与检验

模型建立后,利用渠道生产型群井降水试验第二阶段的水位观测资料,借鉴前人的成果[4-6],对数学模型进行识别,数学模型符合实际的水文地质条件。模型的抽水井平面布置按照实际试验区降水井布置图,抽水量按照现场实际抽水量赋值,运行模型后,通过比较地下水观测井处的计算水位和观测水位,来不断修改反复调整参数,如渗透系数、给水度,使得计算水位和观测水位拟合情况较好(图3～图6),此时参数值含水层的渗透系数为0.34m/d,给水度为0.023。可用本模型率定的参数进行原设计方案优化。

图3 G0水位与时间关系曲线

图4 G1水位与时间关系曲线

图5 G3水位与时间关系曲线

图6 G4水位与时间关系曲线

4 降水方案优化

含水层渗透系数是影响该降水的主要因素,经检验率定后不予调整,主要调整降水井的数量和布置形式[7]。通过分析模型运行结果,对原布置方案降深较大处的井间距加宽,降深较小处的井间距变小。原则是尽可能使用最少的降水井,使试验区刚好达到设计降深即可。在时间上,在渠道开挖作业前,超前一个月降水,地下水位可降到120 m高程以下,基本能够满足前期的土方开挖要求(开挖至120 m高程平台)。同时,地下水位以下的土体处于饱和状态,施工过程中,若开挖速度过快,土体内的孔隙水压力不能及时消散,渗透作用将有可能引起边坡失稳。在保证120 m高程平台以上土方开挖的前提下,可以将降水井布置在120 m高程平台上。前期开挖至120 m高程平台后,也可采用轻型井点降水结合明沟排水的方法将地下水位进一步降至高程110 m高程以下,以保证渠道开挖和衬砌旱地作业。

5 结 语

本文在前期水文地质条件、现场单井降水试验以及生产型群井降水试验的基础上,利用Processing Modflow软件在生产型群井降水试验区第二阶段建立降水数值模型,并用现场实际观测资料率定了数值模型,模型的拟合结果符合实际。通过不断调整降水井布置形式,开挖作业前一个月进行综合降水的方案,达到了优化设计、提高功效、加快施工进度的目的。

[1]刘志敏.水利基坑降水井群的优化方法和应用研究[D].南京:河海大学,2005.

[2]赵慧芳,梁单禹,侯杰.黄土类地层综合降水试验及优化设计[J].水利与建筑工程学报,2011,9(1):125-143.

[3]马贵生,张延仓.南水北调邙山渠段水文地质条件及渠坡稳定性[J].人民长江,2007,38(9):26-30.

[4]葛明明,王 宁,杜 冰.南水北调穿黄工程黄土原位直剪试验研究[J].南水北调与水利科技,2010,8(5):22-25.

[5]李 斌,宋海亭,罗 毅.黄土渠道高边坡渗流分析[J].人民黄河,2009,31(11):124-127.

[6]马贵生,董 筑,张 航.孤柏嘴邙山饱和黄土工程特性与边坡稳定性[J].人民长江,2005,36(4):23-24.

[7]吴彬,刘 磊,党建新.Modflow在石河子某工程基坑降水设计中的应用[J].新疆农业大学学报,2010,33(4):369-372.

Application of Processing Modflow in Integrated Dewatering Test of Loessal Area

ZHAO Hui-fang1,HOU Jie1,LIU Yan2
(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Wulumuqi,Xinjiang830052,China;2.Yellow River Investigation and Planning and Design Co.,Ltd.,Zhengzhou,He'nan450003,China)

The connecting channel of one project in Median-line South-to-North Water Trausfer Project,being about 5 KM long and located in hilly area of loess,is a deeply excavated channel.The maximum level of original underground water is about 30 meters higher than the bottom of the channel.In order to accurately calculate the groundwater level of dewatering well in test area and optimize the dewatering scheme,Processing Modflow is applied to establish the dewatering model in the second stage of the dewatering test area of production wells.The model is established after comparison to the actual data observed at the site,and the fitted result is in accordance with fact.The design isoptimized,the efficiency is improved,and the construction progress is accelerated by the continuous adjustment for the scheme of dewatering well arrangement and scheme of integrated dewatering ahead of time.

Modflow;dewatering well;numerical model

TU444

A

1672—1144(2012)01—0018—04

2011-11-01

2011-12-10

赵慧芳(1984—),女(汉族),河南三门峡人,硕土研究生,研究方向为水工水力学。

侯 杰(1947—),男(汉族),天津人,教授,研究方向为水力学及河流动力学。