五星圩治理工程防渗墙对地下水运动规律的影响

徐 辉

（江西省建洪工程监理咨询有限公司，南昌 330200）

0 引 言

防渗墙是处理堤防工程渗流问题的主要技术之一，其既能改善堤基和堤身渗流状态，达到渗流稳定和抗浮稳定，又能作用于堤基和堤身土层强透水夹砂层、管涌通道、孔穴等隐患。深度较大的防渗墙建设后会阻断土层中透水层，切断墙体后方地下水和江水之间的水力联系及补给排泄，甚至引发地下水方面的环境问题。为此，必须应用数值模拟技术，对防渗墙建设前后临江土层地下水运移规律进行模拟分析，并结合实测结果，对防渗墙影响地下水环境的程度展开分析评价。

1 工程概况

五星圩位于南昌市新建区联圩镇境内，属赣江下游鄱阳湖尾闾区，位于赣江北支分叉口，北临官港河，南临三佬官河，西临赣江北支，东临成新农场，全长12.76km。工程区地势较平坦，地形较开阔，地面高程为11.42~17.32m，堤顶高程为21.24~22.00m，堤身填筑土高5.1~8.1m，顶宽5.0~8.0m。堤外部分有60~250m 宽的滩地，堤内为村庄及稻田，沿堤脚池塘分布较广。堤身填筑土主要为洪湖积成因的壤土，夹少量黏土，呈灰色、灰黑色，灰黄色及黄色等，稍湿~湿，较松软，有滑腻感，含有粉粒及砂粒，可塑性中等~好，粘性中等，韧性中等~好，干强度较高。堤基土层主要为第四系洪湖成因，分为壤土、中细砂、砂砾石层，在池塘部位分布有淤泥质黏土。

为加固圩堤，在0+000~4+730段和4+730~12+760段建设全封闭垂直防渗墙，墙体从堤顶向下截断堤基全部土层，深度达到基岩面以下0.6~1.2m；深墙段两端则设置浅墙，主要应对堤身及与堤基接触带存在的渗漏隐患。因浅墙墙体埋深小，对地下水运移影响较为有限，故文章仅分析深墙段防渗墙对地下水运移的影响。在深墙段上游、中游和下游分别设置JC1、JC2、JC3三个监测剖面，并在各剖面防渗墙体前后布置测压管，为对防渗墙建造前后地下水位变化情况及趋势展开监测，将其花管段设置在堤防基础深部的透水性砂层中。

2 研究方法

2.1 计算模型及边界条件

该防渗墙长1.97km，深28~35m，墙体厚度为20~30cm。结合墙体结构特征，使用地下水模拟软件展开防渗墙影响下饱和水流运动过程模拟，饱和水流运动控制方程[1]具体为：

式中：H为水头变量；KXX、KYY、KZZ为防渗墙周围土体各向渗透张量，在不考虑各向异性影响的情况下，均可简化为渗透系数K值；W为水资源外来补给或散失项，正值表示降雨入渗补给量，负值则表示蒸发散失量；SS为防渗墙四周土体比弹性释水系数，t为时间；X、Y、Z为分析模型空间坐标。

模型进水边界表示为：H( 0,t) =H1(t)

渗流出口表示为：H(X,Y,Z,t) =H2(t)

则，模型初始条件为：H(X,Y,Z,0 ) =H0(X,Y,Z)

文章具体采用垂直于圩堤轴线向的二维模型及Visual Modflow 软件，该软件主要采用差分方法，分析防渗墙蒸发、入渗，排水沟、河流等各类定水头边界。防渗墙建设对地下水运动情况的影响在短时间内较难观测和考察到，为此，在文章计算时，将总分析时间设定为5 年，并假设各分析年份内江西赣江水位、降雨、蒸发条件均一致[2]。

以水头值为初始条件，通过调查得出五星圩治理工程地下水位埋深变动范围的基础上，调整参数，并合理确定出地下水蒸发量、入渗量，保证起始水位埋深符合计算模型要求，同时确定剖面水位分布起始值。忽略圩堤基岩裂隙特征，将基岩视为各向同性孔隙介质考虑后，含水层参数取值详见表1。

表1 五星圩治理工程圩堤基岩含水层参数取值

防渗墙属于狭长形低渗透结构，无法通过一般网格单元模拟。此处通过Visual Modflow 软件中的水平流障碍物子程序包模拟防渗墙结构及运行过程，其实是将防渗墙结构近似视为2 个具备水力特性的相邻网格接触面单元，并按照防渗墙实际渗透系数和墙体厚度之比确定其水力传导率[3]。

五星圩治理工程堤防防渗墙南边界水力条件较为复杂，以堤防正后方500~740m 处的岩石山体为隔水边界；而山体左右侧为地面高程25~28m 的冲积平地，无岩体出露，也无法确定水力边界性质。结合对此处井水及泉水的调查，基本可将此处地下水埋深确定在1.0~2.2m 之间；因无承压含水层资料，故无法确定周围地下水源和研究区地下水之间的水力联系。

2.2 模拟方案

通过收集资料、设置监测剖面等对工程区地下水情况的调查只反映了调查过程中地表水及地下水分布情况，而模拟过程中地下水初始条件、潜在地下水源的补给关系等均为未知。为简化分析过程、明确分析目的，拟定出以下模拟方案：①比较潜水位和承压水头下赣江水上涨对地下水初始状态的影响；②在不设置和设置防渗墙两种情况下，赣江水上涨时地下水运移过程及影响范围和程度；③透水砂层和基岩风化层透水性以及防渗墙建设后地下水绕渗的可能性。

3 模拟结果

3.1 渗流量曲线拟合

应用文章所提出的软件进行防渗墙段监测剖面渗流量曲线拟合分析，综合分析结果，可以将渗透系数、防渗墙前后水头差、防渗墙深度之间的公式统一表示为：

式中：q为渗流量；∆H为防渗墙前后水头差；k为渗透系数；s为防渗墙体深。由该式可知，在渗透系数和墙体深度一定时，渗流量和防渗墙前后水头差呈正向变动关系；而当防渗墙体深和墙前后水头差一定时，渗流量随渗透系数的增大而增大；当渗透系数和墙前后水头差一定时，渗流量和lns为线性关系。通过以上分析可知，随着五星圩治理工程堤防防渗墙深度的增大，堤防渗流量持续减小，渗流控制效果也越明显，但是对地下水的阻截作用也更加明显。

3.2 不建防渗墙时地下水运动规律

在不设置防渗墙的情况下，赣江内五星圩治理工程区地层内地下水随着江水的上涨，按照以下规律运动：①透水砂层内的承压水和赣江水之间表现出紧密的水力联系。随着赣江水的上涨，江水以垂直向补给砂层，堤防周围400m 范围内透水砂层承压水头的变化主要受赣江水位的控制。在江水上涨的初期，不同承压水水头方案下透水砂层内水头结果存在一定差异，但随着江水持续上涨，透水砂层内地下水受江水的补给不断增大，初期的差异也随之消失；特别是在赣江水位较高的情况下，不同承压水水头方案对应的地下水分布规律趋同。②黏土层内潜水变化与初始潜水位关系明显，但与赣江水间的水力交互滞后且微弱。赣江水主要通过透水砂层内地下水向上渗透而对黏土层潜水位产生影响，虽然赣江水和透水砂层中地下水存在密切的交互联系，但因黏土层透水性不良，整体上会阻隔和拖延这种水力交互。综合以上两种作用过程，在洪水位不高且持续时间不长的情况下，赣江水对工程区地下水位的影响较为有限。③工程区内潜水位还受到地表水源和降雨入渗补给。五星圩治理工程区内水田、水塘、水渠等地表水源分布广泛，对区域内潜水位埋深存在较大影响。

综上，五星圩治理工程区内透水砂层地下水位与赣江水关系密切，而黏性土层潜水位则受到赣江水、地表水、降雨等多渠道补给。

3.3 建设防渗墙时地下水运动规律

防渗墙建成后使赣江水和墙体后含水层间的水力联系大大削弱，但由于防渗墙并非完全隔水，赣江水对墙体后方地下水存在绕渗补给等原因，这种水力联系并未完全切断。对于五星圩治理工程区而言，赣江水入渗后可通过防渗墙端部透水砂层和底部基岩绕渗至墙后，补给地下水。传统意义上认为，基岩透水性很小，但结合笔者对相关堤段地质资料的勘察分析，工程区防渗墙底部基岩分化严重，透水性较大。①设置防渗墙后，堤防周围300m 范围内透水砂层承压水头的变化主要受赣江水位控制，但是因防渗墙的阻隔作用，这种影响远比不设置防渗墙时要小。根据对透水砂层地下水分布等趋势线的分析，有无防渗墙情况下透水砂层内水头差最大为3.0m，位于墙体轴线中断临近墙后透水砂层区域，且越往防渗墙两端，水头差越小。设置防渗墙后，赣江水对透水砂层地下水位的影响存在时间上的滞后性，最大滞后时间可达到48h。②防渗墙对地下水运动规律的影响除取决于墙体透水性外，还与其他因素有关。根据对图1 中防渗墙渗透系数与墙体前后水位差关系曲线的分析得知，墙体前后水头差随着墙体渗透系数的减小而增大，渗透系数越小，墙体的截流作用更强，防渗墙后透水砂层内地下水受影响程度也增强；然而，墙体渗透系数减小至一定程度后，这种影响便明显减弱[4]。③地下水绕渗范围及程度主要受透水砂层渗透系数的影响，对于渗透性不良的防渗墙体，赣江水通过墙体两端透水砂层向墙体后部绕渗，透水砂层内砂砾石渗透系数和墙体后方测压管水位关系具体见图2。由图可知，防渗墙后水头随砂砾石渗透系数的增大而增大，绕渗影响程度和范围也随之扩大。④工程区地下水和赣江水水力联系还受到基岩风化层透水性的影响。基岩风化层渗透系数和防渗墙前后水位差之间的关系曲线详见图3，根据图中数据，防渗墙底基岩风化层渗透系数增大后，墙体前后水位差呈减小趋势；再结合测压管监测结果，JC3 监测剖面墙体前后水位差较小，主要原因在于基岩风化层透水性大。⑤防渗墙对地下水向赣江排泄过程的干扰十分有限。因赣江水和透水砂层间存在密切的水力联系，故当江水位比透水砂层内承压水头低时，地下水便会向赣江排泄；与此同时，浅水层内地下水还表现出向下渗流趋势，对透水砂层存在补给作用。

图1 防渗墙渗透系数与墙体前后水位差的关系

图2 透水砂层内砂砾石渗透系数和测压管水位关系曲线

图3 基岩风化层渗透系数和防渗墙前后水位差关系曲线

4 模拟结果与监测结果的比较

2020 年2 月23 日-5 月31 日期间JC3 监测剖面防渗墙后测压管实测水位结果和模拟结果较为接近。在五星圩治理工程区设置防渗墙后近1 年的监测结果显示，防渗墙后地下水和赣江水水力联系仍较为紧密，且两者表现出同步的变动趋势，滞后时间在24~48h 之间。为此，可以得出结论，防渗墙的建设并未对工程区内地下水运移产生实质性影响和改变，其作用只是在高水位下一定范围内削弱了承压水水头。

5 结 论

综上所述，对于赣江五星圩治理工程而言，堤内浅层含水层和大气降水入渗、沟渠、水塘关系密切，而承压水与赣江水存在密切的水力联系；堤段深防渗墙建设后可在一定程度上削弱赣江水和地下水之间的水力联系，影响堤后300m 范围内地下水分布趋势；但是因存在绕渗因素，故地层内承压含水层地下水和赣江水之间的动态补给关系并未发生实质性改变。由于工程区防渗墙建设前不存在地下水方面的环境问题，故根据防渗墙建设对地下水运移的影响，防渗墙建成后也不会影响地下水环境。文内分析结果可为五星圩治理工程区防渗墙作用的综合评价提供参考，但由于水环境运移和影响属于较为漫长的过程，模拟分析结果的准确性有待长期验证。