基于Visual Modflow软件的群孔抽水试验模拟

赵激光

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

0 引言

上海软土地区修建地铁车站，基坑止水帷幕采用地下连续墙。地下连续墙能够阻挡潜水含水层对地铁车站基坑稳定的影响。因此，地下水对基坑的影响主要考虑承压含水层。承压水视为无补给来源的无限含水层，短期抽水试验，承压水水位不断下降，试验是非稳定流抽水。此外，承压含水层上下存在弱透水层，抽水过程中会出现越流补给。地下连续墙阻断地下水的水平向流动，地下水流动以垂直向为主导，抽水井附近及止水帷幕底端局部存在不适于达西定律的情况。因此，对于承压水层进行抽水试验研究是一个复杂的问题，采用解析法计算的抽水试验参数比较繁琐且误差较大。

随着计算机技术的发展，采用计算机对地下水渗流进行数值模拟，使得复杂含水层的抽水试验的问题得到解决。地下水数值模拟模型MODFLOW是由美国地质调查局的McDonald和Harbaugh于20世纪80年代开发的用于孔隙介质的三维有限差分地下水流数值模拟模型[1]。Visual Modflow 是由加拿大Waterloo 水文地质公司在Modflow的基础上开发研制的，是目前国际上流行的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统[2]。Visual Modflow可以仿真模拟深基坑降水过程中地下水位的变化情况[3]。Visual Modflow 相较其他模型而言，可视化功能强大，求解方法简单，适用范围广泛，数值模拟能力出色且操作简单[4]。

基于Visual Modflow软件进行地下水渗流数值模拟，反演出合理的计算模型水力学参数，逐渐成为降水试验的一种常规手段，广泛应用于软土地区地铁基坑水文地质勘察中。本文就该软件在群孔抽水试验中的运用进行介绍和分析。

1 工程概况

拟建地铁车站工程全长536m，站型为地下三层，岛式车站，主体结构为单柱双跨现浇钢筋混凝土结构，围护结构为1200mm厚地下连续墙。基坑采用明挖顺作法施工，基坑开挖深度约25.87～27.82m。

2 水文地质条件

本工程位于长江三角洲冲积平原区，根据勘察结果，场地揭露地层为第四纪全新世（Q4）滨海～河口、晚更新世（Q3）滨海～浅海相沉积地层，主要由黏性土、粉性土及粉砂组成。

拟建工程场地属于太湖流域黄浦江水系。地下水根据成因类型可分为孔隙潜水和（微）承压水。潜水主要赋存于浅部填土、黏性土、粉性土中。微承压水主要分布在⑤2层黏质粉土中，⑤2层与⑦2层水力联系弱，基坑止水帷幕埋深在⑤2层层底，基坑范围采用疏干降水处理。承压水主要分布在⑦2层粉砂、⑧2层粉质黏土夹粉砂和⑨层粉砂中。⑦2层与⑧2层两层承压水之间⑧1层作为隔水层。⑦2层与⑧2层水力联系弱。本次群孔抽水试验对相邻含水层越流补给影响的⑧2层水文地质参数进行确定。

3 抽水试验

抽水试验设置82Y1～82Y3三个抽水试验孔，82G1～82G4四个观测孔，孔深为65～68m。孔位布置见图1。

图1 抽水孔及观测孔布置示意图

群孔抽水期间，82Y1～82Y3作为抽水孔，剩余为观测孔。抽水历时约8d，各观测孔水位稳定，满足群孔抽水试验停抽要求。

4 数值模拟反演

4.1 含水层的结构特征

根据抽水试验数据建立数值模型，考虑基坑面积及抽水影响半径，确定模型尺寸800×800（m）。行列间距按照20m间距设置，核心区按照2m进行加密，模型层厚按照100m设置。网络最外边缘按定水头考虑。网格立体剖分图见图2。

图2 离散模型网络三维图

4.2 模型调整优化

根据抽水试验所得参数，对模型进行初步赋值。模型的建立往往会忽略一些次要因素，因此模型不能准确代表实际系统，此时需要通过模拟结果与实测结果进行反演，实际模型参数最终通过不断地调整及优化确定。

4.3 水力特征

天然孔隙含水层中的地下水流的Reynolds数和裂隙中地下水流的水力坡度，远小于临界Reynolds数和临界水力坡度，天然地下水多处于层流状态[5]。地下含水层随地层呈层状分布，不同的含水层渗透系数不同。因此，一般建立模型时，可以根据场地实际地层确定含水层。地层相同，地质参数相近，可视为均质含水层，在水平方向上视为各向同性介质。垂直方向上地层不同，渗透系数各异，例如黏性土渗透系数很小，视为隔水层，阻碍地下水的垂向运动，因此垂向视为各向异性介质。

地下水的流动在含水层中以水平向为主，垂向为辅。相邻含水层为透水层或弱透水层，在抽水的情况下，会产生明显的层间越流，形成三维地下水渗流场。地下水流是连续的，取地下水微单元体进行分析，根据地下水质量守恒关系，进入离散的单元体水的质量与流出单元体质量差等于单元体内液体质量的变化。根据地下水流连续方程及边界条件，建立地下水三维非稳定流模型。

4.4 模拟期及应力期确定

根据有效应力原理，随着水位的下降，水的应力减小，土的应力增加，总应力保持不变。抽水试验抽水时间为8d，因此群孔试验模拟期及应力期为8d。为了准确反应模拟曲线变化，本次分三个周期，每个周期外部源汇项的强度保持不变。

4.5 源汇项

源汇项指承压含水层中流入（源）或流出（汇）项。在Visual Modflow软件中可以对抽水试验孔、观测孔的参数进行设置。抽水孔可以设置过滤管的位置，观测孔可以设置水位值。研究区范围边界在抽水试验影响半径之外，边界条件即初始水位，为固定值。

将抽水试验得到的涌水量值输入模拟系统，反演获得模拟水位值，通过模拟水位值与实测值比较，判断模拟是否有效。

5 模拟结果分析

通过三维数值反演分析，获取的模型参数如表1所示。

表1 群孔试验模型层参数

通过群孔抽水试验4个观测孔的实测降深曲线与三维数值模拟取得的计算降深曲线进行对比分析，观测孔水位对比见图3～6（点：代表实测数据，线：代表理论计算数据）。

图3 82G1观测孔实测水位曲线与模拟水位曲线对比图

图4 82G2观测孔实测水位曲线与模拟水位曲线对比图

图5 82G3观测孔实测水位曲线与模拟水位曲线对比图

根据以上图像分析可知，三维数值模拟取得的计算降深曲线与实测水位曲线较接近，说明模型建立较为合理。数值模拟水位降深值与实测水位降深值见表2。

图6 82G4观测孔实测水位曲线与模拟水位曲线对比图

表2 数值模拟数据与实测数据对比

理论上观测孔距离抽水孔越远，越接近初始水位，模拟值也一定越接近实测值。本次模拟从82G1观测孔的模拟降深值与实测水位降深的偏差10.13%，到82G4观测孔的模拟降深值与实测水位降深的偏差0.68%，呈逐渐减小的趋势也证实了这一点。实测水位降深值与模拟水位降深值平均偏差2.04%，满足工程需要。

6 结束语

通过三维数值计算得⑧2层渗透系数Kh=0.18m∕d，Kv=0.01m∕d，贮水率Ss=3.31×10-51∕m。数值模拟水位变化与实测抽水试验水位变化相符，说明模型建立较为合理，反演参数较为准确，反演计算的水文地质参数能代表场地水文地质特征。