垂直防渗墙结构缺陷检测数值模拟方法研究

杨 铸 杨 亮 万 越

（光大绿保固废处置（温岭）有限公司，浙江 温岭 317503）

1 项目概况

为评价危险废物安全填埋项目垂直防渗工程的完整性，在前期探测试结果的基础上，在防渗结构薄弱/缺陷处设置5 对试验井（抽水井/观测井）（平面布置见图1）进行地下水水文试验，并应用地下水领域广泛应用的GMS软件[1]，模拟分析垂直防渗墙缺陷处在不同平面位置、不同深度以及不同规模大小情形下，根据模拟计算值和实测数据的拟合情况，从而确定与实际缺陷特征相对比较接近的一种情形。

图1 试验井平面位置示意图

2 GMS数值模拟反演推算技术路线

利用地下水数值模拟软件GMS 按照图2 技术路线进行相关数值模拟分析。

图2 GMS 数值模拟技术路线图

3 水文地质模型建立

3.1 模拟区网格剖分

划分网格的大小对模型的运算精度有非常重要的影响。根据抽水试验的影响范围，在GMS 软件中，采用规则的矩形网格，将以试验井为中心的100m×100m 范围确定为各组抽水试验的模拟区，并划分为100 行和100 列。在垂直方向上根据设置的垂直防渗墙缺陷处特征划分为2～4层，划分的网格数为20000～40000 个单元格。

3.2 含水层概化

根据场地勘探报告，在地表向下30m 勘探深度范围内均为第四系沉积物，场地表层为素填土，往下依次为新近沉积的粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土、粉砂等。在勘探深度内，有2 个承压水含水层分布，分别赋存于④层、⑤层、⑥层和⑧层、⑨层、⑩层中，因其间存在⑦层弱透水层，其渗透性较低，⑦层上部和下部的2 个含水层水力联系较差，可作为2 个独立含水层。根据防渗墙插入情况，抽水井布设于第⑦层隔水层上部，因此可将模拟区垂向上概化为2 个含水层，即上部埋深约0～8m 的潜水含水层和8m～20m 下部微承压含水层，而抽水井抽水主要是以8m～20m 微承压含水层为主。

3.3 边界条件概化

模拟区垂向边界的概化：以场地内潜水含水层自由水面为上边界，⑦层隔水层作为底面边界。

模拟区侧向边界概化：场地内没有天然水头边界和隔水边界，根据地下水流向，将模拟区域侧向边界确定为零流量边界和流量边界[2]。

3.4 源汇项分析

场地浅层地下水补给来源主要为大气降水和越流补给，排泄主要是以蒸发和人工抽水形式向外排水。抽水井的滤水管主要位于埋深8m 以下的承压含水层内，且抽水试验时间较短，期间未有降水，故本次模拟可不用考虑大气降水和蒸发带来的影响。实验期间抽排地下水即为主要的排泄方式。

3.5 时间离散

模拟区内地下水水位呈现一定的变化趋势和规律，为了研究其规律性，该抽水试验的模拟识别期定为2019 年2 月25 日—2019 年3 月8 日，该阶段包括区域外部源汇项的强度在一个抽水试验期间保持不变。

3.6 水文地质参数

建立地下水数值模型的关键因素还有水文地质参数的赋值，渗透系数是本次地下水模拟主要考虑的水文地质参数[3]。水文地质参数主要是潜水含水层与承压含水层渗透系数以及模拟区试验井之间防渗墙的渗透系数，开始参数将预估值作为参考，模型参数识别后为确定值。

3.7 模型识别

根据构建的模拟区水文地质模型，模拟分析地层的水文地质参数，是模型识别环节关键且很重要的一步[4]。建立模型时需要对边界条件进行概化，导致模型计算的水位值和实测值之间出现一定的偏差，须通过不断地调整模型参数降低残差，直至调参结果符合精度标准。

4 垂直防渗墙缺陷处情形特征设置

在前期5 组抽水试验中选取2 组水位变化较大的试验数据，应用GMS 软件，模拟分析垂直防渗墙缺陷处在不同平面位置、不同深度以及不同规模大小情形下，根据设置的5种不同缺陷处情形（图3 缺陷处设置情形平面示意图），模拟计算值和实测数据的拟合情况，从而确定与实际缺陷特征相对比较接近的一种情形。

图3 缺陷处设置情形平面示意图

具体设置的模拟情形如下：①垂直防渗墙结构缺陷/薄弱处贯穿上部潜水含水层。②垂直防渗墙结构缺陷/薄弱处贯穿下部承压含水层。③垂直防渗墙结构缺陷/薄弱处贯穿上部潜水含水层和下部承压含水层。④垂直防渗墙结构缺陷/薄弱处位于上部潜水含水层的局部。⑤垂直防渗墙结构缺陷/薄弱处位于下部承压含水层的局部。分别在上述5 种情况下，模拟结构缺陷/薄弱处在不同平面位置、不同宽度特征条件时抽水井与观测井的水位变化，调整参数使模拟值与实际观测值的极差在设置范围内，进而获取垂直防渗墙结构缺陷/薄弱处的具体位置、规模及其局部渗透系数。

5 垂直防渗墙缺陷处数值模拟结果分析

5.1 垂直防渗墙结构缺陷/薄弱处贯穿上部潜水含水层

分别对2 对试验井模拟设置含水层2 层，即潜水含水层与承压含水层；缺陷贯穿潜水含水层，与试验井的水平距离分别为0m、2m、5m 等，并在缺陷水平位置固定情况下调整缺陷宽度为0.5m 和1m 时，通过调整缺陷处渗透系数，观测井水位基本无变化或者变化很小，未能模拟出与实际监测井相一致的水位降深，因此认为该情形假设与实际情况不符。

5.2 垂直防渗墙结构缺陷/薄弱处贯穿下部承压含水层

基于建立的水文地质模型，设置缺陷位置与试验井的水平距离分别为0m、2m 和5m 3 种情形（见表1），设置2 种缺陷宽度，即0.5m 和1m，然后通过调整缺陷处渗透系数和防渗墙（模拟区范围内除缺陷处以外的其他部分，下同）渗透系数的方法，识别各种情形与实测数据的符合性，经过多次调参，计算值与实测值达到较好拟合的情形。

表1 情形②渗透系数识别结果

5.3 垂直防渗墙结构缺陷/薄弱处贯穿上部潜水含水层和下部承压含水层

基于建立的水文地质模型，设置缺陷位置与试验井的水平距离分别为0m、2m 和5m 3 种情形（见表2），设置2 种缺陷宽度，即0.5m 和1m，然后通过调整缺陷处渗透系数和防渗墙（模拟区范围内除缺陷处以外的其他部分）渗透系数的方法，识别各种情形与实测数据的符合性，经过多次调参，计算值与实测值较好地吻合。其他模拟情形均未能使地下水位发生明显变化。

表2 情形③渗透系数识别结果

5.4 垂直防渗墙结构缺陷/薄弱处位于上部潜水含水层的局部

根据情形①中的模拟结果可知，防渗墙缺陷贯穿上部潜水含水层时，改变防渗墙渗透参数对模拟水位变化基本无影响，防渗墙缺陷处位于上部潜水含水层局部属于贯穿含水层的情况类似，经过模拟发现，设置缺陷位置与试验井的水平距离分别为0m、2m 和5m，大小为3m×4m、4m×4m 等情形时，调整缺陷处渗透系数，水位基本无变化或者变化很小，未能模拟出与实际监测井相一致的水位降深。

5.5 垂直防渗墙结构缺陷/薄弱处位于下部承压含水层的局部

为了便于进行情形⑤的数值模拟，将承压含水层划分为两层，假定缺陷处呈现水平条带状，将其分别设置于承压含水层底部区域、含水层中部区域，设置缺陷处距离试验井水平距离分别为0m、2m 和5m，缺陷处宽度设置为1m 和3m，缺陷处高度为0.5m 和1.0m。

当缺陷处位于承压含水层底部及中部区域时，通过同时调整缺陷处渗透系数和防渗墙渗透系数，在合理的渗透系数范围内，均未能使模拟计算值与实测值较好地吻合，即该情形与实际情况不相符。

6 结果评价

根据上述5 种情形模拟结果，情形①、情形④和情形⑤中模拟计算值与实测水位降深值相差甚远，在合理的水文地质参数范围内，均未能较好地拟合，即与缺陷处的实际特征相差甚远，因此可以将这3 种情况排除。

情形②在合理范围内同时调整防渗墙渗透系数与缺陷处渗透系数时，水位均有明显改变，并且在已确定的含水层渗透系数的基础上，能够通过合理调整防渗墙渗透系数与缺陷处渗透系数，使模拟值与实际观测值达到相对一致的结果，而且改变缺陷处的位置时，也能通过合理调整防渗墙渗透系数与缺陷处渗透系数的大小，得到与实际观测值相一致的结果。因此认为该情形下的防渗墙缺陷处特征与实际情况较为接近。

情形③与情形②数值模拟结果稍有差别，但基本一致，根据情形①的数值模拟情况可知，上部潜水含水层存在缺陷时，并不会对水位降深产生较大影响，因此在模拟情形③时，对水位降深产生影响的是位于承压含水层的防渗墙缺陷处。因此可基本认为情形③与情形②属于同一种情形。

综合以上分析，缺陷处可能位于承压含水层并贯穿或接近贯穿承压含水层，缺陷宽度约为1.0m 左右；缺陷处与试验井的距离改变对缺陷处渗透系数虽有一定的影响，但是变化值基本处于同一个数量级。因此，可以认定情形②的模拟结果与实际情况最为接近。

7 结论

该文以国内安全填埋场垂直防渗帷幕工程为依托，利用地下水数值模拟软件GMS 开展了相关的地下水渗流模拟分析，得出如下结论：1）根据现场地质条件、水文地质条件等，建立了相应的水文地质模型，经模型校核显示，观测井水位观测值与计算值拟合度较好，表明建立的项目场地水文地质模型与实际情况基本相符，得出的水文地质参数相对可靠。2）利用场地水文地质模型模拟计算出防渗墙整体的水平渗透系数介于1.33E-09 cm/s～ 1.47E-09 cm/s，垂向渗透系数约为1.08E-10 cm/s，均符合防渗墙渗透性能设计要求（渗透系数小于10-7cm/s）。