MODFLOW地下水流模拟软件在引水工程中的应用

胡 军，欧阳林，曹肇金，李成伟，李培富，费鹏盛

(1.云南省滇中引水二期工程有限公司，云南 昆明 650000；2.云南省滇中引水工程建设管理局，云南 昆明 650000；3.中铁一局集团第五工程有限公司，陕西 宝鸡 721006；4.巍山彝族回族自治县水务局，云南 大理 671000)

0 引言

“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”是习近平总书记的治水思路和有关治水重要论述精神是水利工程建设的重要基础理论[1]。

引水工程在深基坑施工中，地下水是一个困扰因素[2]，特别是在复杂地质条件下，降水效果对基坑开挖施工安全起到了至关重要的作用[3]；因此了解地下水的分布与动态变化就格外重要[4]。MODFLOW地下水数值模拟在地下水动态模拟中的应用较为广泛[5]，为工程降排水范围方案制定提供理论依据[6]。

白河倒虹吸是南水北调中线总干渠穿越白河干流的交叉建筑物，建筑物由进口渐变段、退水闸段、进口检修闸、倒虹吸管身段、出口节制闸、出口渐变段、退水闸等构成[7]。设计流量为330m3/s，加大流量为400m3/s。工程区地层主要为震旦系下统(Z1)、上第三系(N)和第四系全新统(Q4)[8]。白河倒虹吸项目管身段，与滇中引水工程大理Ⅱ段磨盘山隧洞进口段的地层均处于第三系软岩部位，地质情况非常相近。

本文以“南水北调中线工程南阳白河倒虹吸降排水措施”为论证基础，叙述了MODFLOW的模拟过程，并将可行的降排水方案应用于同地质类型的滇中引水工程磨盘山隧洞进口段，为磨盘山隧洞进口段的降排水方案提供了理论依据，实现了MODFLOW软件的研究价值。

1 白河倒虹吸降排水方案MODFLOW论证

1.1 确定工程地质情况

白河倒虹吸管身段位于白河河床、漫滩和左岸Ⅰ级阶地，由进口斜管段、虹吸管水平段和出口斜管段组成[9]。

(1)进口斜管段：地基和边坡从上至下由采石废碴、全新统下部含砾中砂、砾砂层组成，下伏上第三系砂砾岩和强风化大理岩。采石废碴厚2.0～16.0m；全新统下部含砾中砂和砾砂底面呈斜坡状，含砾中砂厚4.0～6.0m，砾砂厚2.5～4.0m。基坑开挖揭露了第四系孔隙含水层，全新统下部砂层具中等-强透水性，水量丰富。

(2)虹吸管水平段：地基主要为上第三系砂砾岩；钻孔SCHBH19(桩号115+474)附近地基为全新统下部砾砂，基础下部砾砂有效厚度约1.0m；钻孔SCHBH57(桩号116+363～116+373)附近地基为上第三系含砾砂岩，基础下部含砾砂岩有效厚度约2.5m。基坑开挖揭露了第四系孔隙含水层和上第三系砂砾岩含水层，两含水层水量丰富。

(3)出口斜管段：地基从上至下主要由全新统下部砂壤土、细砂、砾砂和上第三系砂砾岩组成，砂壤土呈薄层状分布于I级阶地表层，厚1.0～1.7m，细砂厚2.2～3.0m，砾砂厚约7.5m；砂砾岩厚度大于25.0m，局部夹粘土岩、砂岩透镜体。基坑开挖揭露了第四系孔隙含水层，全新统下部砂层具中等-强透水性，水量丰富。

1.2 测定地层的渗透系数

白河倒虹吸地质主要属于第四系地层和第三系地层，两套地层渗透性差别较大，故需分别确定地层的渗透系数；通过多井抽水试验，测定第四系地层地层的渗透系数K1为90～100m/d；通过注水试验，测定第三系地层地层的渗透系数K2为1.5～2m/d。

1.3 确定降排水设计方案

排水方案以截水为主，排水为辅。截水采用高压旋喷防渗墙，防渗墙深入管身段建基面以下2m；排水采用管井降水，在倒虹吸管身段两侧线性布置，井深14m。通过数值模拟论证该方案能否将各节管身段的地下水降至控制水位113m(低于建基面高程1m)以下，满足干地施工要求。

2 确定计算模型和边界条件

2.1 确定模拟范围

降排水是一个疏干含水层或降低含水层压力水头的过程，随着时间的推移，降落漏斗不断扩大，影响范围也变大。白河倒虹吸全长1.337km，与白河河槽近乎正交，因此模拟的东西跨度为1.337km。根据井流理论的经验公式来确定模拟南北影响的范围。潜水含水层中抽水井的影响半径(影响范围)确定如下：

(1)

式中，R—影响半径，m；H—潜水含水层的厚度，m；s—抽水井降深，m；K—含水层的渗透系数。

计算后，R小于1000m。因此，以倒虹吸轴线为基准，南北各取1000m作为模拟范围。计算参数选取地质条件下含水层信息概化计算表，见表1。

表1 地质条件下含水层信息概化计算表

2.2 含水层概化

根据岩性勘探孔的孔底高程为90～105m，将底高程105m的水平面作为垂向底边界，即本次论证的垂向范围为地表面至105m高程。

根据模拟位置和岩性的不同，将倒虹吸分段分层进行研究。即第1—7节管身段，在MODFLOW中概化为三层，第一层顶底板高程130～118m，岩性为第四系地层；第二层顶底板高程118～110m，岩性为上第三系地层；第三层顶底板高程110～105m，岩性为震旦系大理岩。第一、二层渗透系数均取综合渗透系数K=(43.2×12+0.432×8)/20=26m/d，第三层大理岩渗透系数取0.864m/d。第8—77节管身段，在MODFLOW中将白河倒虹吸段的含水层概化为两层，上部为潜水，下部为承压转无压含水层，考虑到上第三系含水层与其上部的第四系强透水层存在密切水力联系，为统一的水力联系单元，并且两者之间并无连续稳定的隔水层或弱透水层相隔，上第三系含水层承压性质不明显，因此在MODFLOW中渗透系数均取表1中的综合渗透系数。

2.3 边界条件概化

潜水含水层以自由水面为上边界，通过该边界，潜水与系统外发生垂向水量交换[10]。考虑倒虹吸管身段施工均在枯水期，且本次研究目的是为了降水施工，降水补给量、蒸发量、排泄量与地下水开采的量相差很大[11]，因此在模拟过程中忽略不计，105m水平高程为本次模拟的底边界[12]。

白河在进入南阳市区后，常年补给两岸地下水，受白河补给影响，其两岸地下水分属不同的流动系统。白河倒虹吸管身段横跨白河主河槽及两岸一级阶地，如图1所示，从地下水流动角度出发，将本次模拟分为白河右岸模型及白河左岸模型。

图1 白河倒虹吸管身段平面位置图

白河右岸模型包含1—7节管身段基坑及8—23节管身段基坑的降排水。其东部边界为白河，取定水头边界；南北边界各距白河倒虹吸轴线1000m，由于地下水自白河向两侧流动，地下水流线大致为东西方向，南北边界与地下水流线近似平行，因此南北边界均为隔水边界；西部边界，由于紧邻白河倒虹吸的上一个标段为南阳-4标，南阳-4标段内的地下水位一般低于渠底板，不涉及降排水，地下水位长期稳定，因此西部边界取定水头边界。

白河左岸模型包含24—29节管身段基坑、30—39节管身段基坑、40—77节管身段基坑的降排水。其西部边界为白河，为定水头边界；南北边界为隔水边界；东部边界紧邻白河倒虹吸的下一个标段为南阳-5标(南阳-5标各建筑物基坑均涉及降排水)，东部边界为隔水边界，如图1所示。

在实际降水施工中，降水时间一般不超过30d。但考虑到本区域施工段紧临白河，地下水丰富，降排水难度大，因此将模拟期设定为60d。

3 模拟方案的合理性

3.1 以白河右岸1—7节管身段为例模拟降排水情况

本次模拟在每层上的剖分精度为10m×10m，全区共剖分成15540个单元格，其中有效单元格12677个。在MODFLOW中，调用Well(水井)子程序包来模拟管井降水效果，调用CHD子程序包来模拟白河，调用HFB子程序包来模拟垂向防渗墙，如图2(a)所示。由于管井设置在倒虹吸两侧，根据降落漏斗扩展特点，轴线上的水位最高，因此沿轴线设置3口，观测井间距为30m。以这3口观测井的水位信息来判定降水方案的合理性。

图2 白河右岸1—7节管身段降排水情况

模拟采用两级降水管井：一级降水管井间距10m，共35口抽水井，单井抽水量1500m3/d，设置在124～110m高程上，井深14m，目标是将地下水位降至120m高程，完成一级基坑开挖，满足二级降水管井(121～105m)设置，一级降水管井应力期为0～60d；二级降水管井间距10m，共32口抽水井，单井抽水量1000m3/d，设置在121～105m高程上，井深15m，目标是将地下水位降至113m高程，满足1—7节管身段干地施工要求。二级降水管井应力期为15～60d，即前14d的抽水井流量为0，从第15d开始，二级降水管井才开始在模型中起作用，这意味在14d之内，一级降水管井需要将水位降至120m以下。

通过数值模拟可以看出，在14d左右，观测孔1-7ob1—ob3的水位均降至一级降水目标120m以下，满足一级基坑开挖及二级管井设置要求；在40d左右，在一、二级管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，满足干地施工要求。而在此后约20d里，3个观测孔的水位下降速度非常缓慢，说明随着降落漏斗的扩展，白河对地下水的补给基本与抽水井的抽水量相当，因而呈现缓慢降水趋势。随着降水时间的延长，抽水影响不断扩大，可从第10d、第60d的地下水流场上明显看出，如图2(b)所示。模拟期结束时，剖面上地下水降落漏斗的扩展情况如图2(c)所示。

3.2 以白河左岸30—39节管身段为例模拟降排水情况

本次模拟在每层上的剖分精度为10m×10m，全区共剖分成25400个单元格，其中有效单元格23464个。在MODFLOW中，调用Well(水井)子程序包来模拟管井降水效果，调用CHD子程序包来模拟白河，调用HFB子程序包来模拟垂向防渗墙，如图3(a)—(b)所示。由于管井设置在倒虹吸轴线两侧，根据降落漏斗扩展特点，轴线上的水位最高，因此沿着轴线布置4口观测井，观测井间距为40m。以这4口观测井的水位信息来判定降水方案的合理性。

图3 白河左岸30—39管身段降排水情况

模拟采用两级降水管井：一级降水管井间距20m，共27口抽水井，单井抽水量1500m3/d，设置在124～110m高程上，井深14m，目标是将地下水位降至119m高程，完成一级基坑开挖，满足二级降水管井(120～105m)设置，一级降水管井应力期为0～60d；二级降水管井间距10m，共44口抽水井，单井抽水量1000m3/d，设置在120～105m高程上，井深15m，目标是将地下水位降至113m高程，满足30—39节管身段干地施工要求。二级降水管井应力期为10～60d，即前10d的抽水井流量为0，从第11天开始，二级降水管井才开始在模型中起作用，这意味在10d之内，一级降水管井将水位降至119m以下。

通过数值模拟可以看出，在10d以内，观测孔30—39的ob1—ob4水位均降至一级降水目标119m以下，满足一级基坑开挖及二级管井设置要求；在40d左右，在一、二级管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，满足干地施工要求。而在此后的约20天里，4个观测孔的水位下降速度非常缓慢，说明随着降落漏斗的扩展，白河对地下水的补给基本与抽水井的抽水量相当，因而呈现缓慢降水趋势。随着降水时间的延长，抽水影响不断扩大，可从第10天、第60天的地下水流场上明显看出，如图3(c)所示。模拟期结束时，剖面上地下水降落漏斗的扩展情况如图3(d)所示。

3.3 结论和建议

通过1—7节管身段数值模拟可以得出，在14d左右，观测孔1—7ob1—ob3的水位均能降至一级降水目标120m以下，满足一级基坑开挖及二级管井设置要求；在40d左右，在一、二级管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，满足干地施工要求。

通过30—39节管身段数值模拟可以看出，在10d以内，观测孔30—39ob1—ob4的水位均能降至一级降水目标119m以下，满足一级基坑开挖及二级管井设置要求；在40d左右，在一、二级管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，满足干地施工要求。

结论及建议：通过分别对1—7节管身段、30—39节管身段的模拟表明拟采用的降排水方案是合理的。同时在利用该降排水方案达到降水目标之后，直至模拟期结束，各节管身段基坑的地下水位下降速度非常缓慢，表明地下水补给比较充沛；因此在实现降水目标之后，不能减弱抽水量，否则会引起地下水位快速上升，对施工不利。

4 成果应用

4.1 滇中引水工程磨盘山隧洞进口工程情况

滇中引水工程磨盘山隧洞全长约13km，隧洞进口桩号为DLⅡ62+263.048，底板高程1962.771m，底坡i=1/4000，隧洞设计流量120m3/s，断面尺寸为8.96m×8.96m，断面型式为马蹄形洞型。隧洞进口洞顶有一灌溉水渠斜穿隧洞仰坡设计开口线，影响洞脸仰坡开挖；隧洞在DLⅡ62+316处下穿祥姚公路(S316线)，公路等级为二级，施工前进行了专门的下穿公路设计[13]。隧洞仰坡开口线与灌溉渠位置如图4(a)所示、隧洞进口下穿公路如图4(b)所示。

图4

交叉影响范围为磨盘山隧洞DLⅡ62+298—DLⅡ62+338段(40m)，洞顶距路面19.92m。该段围岩为Ⅴ类，隧洞开挖过程中可能造成水渠沉降开裂、漏水，水渠漏水可能增大洞内渗水，不利于隧洞开挖；同时隧洞开挖爆破产生的震动可能引起地表不均匀沉降，甚至洞顶塌方冒顶[14]，破坏公路设施，安全隐患极大。

磨盘山隧洞进口段埋深22—37m，围岩为Ⅴ类。隧洞围岩为全风化粉砂质砂岩，极软岩。总体呈陡倾角单斜状构造，洞线与岩层总体走向中等角度相交，夹角50°～65°，结构面闭合-微张，岩粉、岩屑或泥质物充填，岩体呈砂状或碎块散体结构，破碎，透水性中等，局部强透水，洞内(裸洞)一般为线状流水，局部渗滴水，地下水位线较高。

隧洞进口为土质边坡，上部覆盖层以黏土为主，厚度8～12m，下部岩体以全风化粉砂质砂岩为主，岩层成岩程度不高，各沉积界面间结合不牢，层面易于风化产生裂隙，为水的入侵提供了便利条件[15]。加之粉砂质砂岩具有失水易收缩开裂、遇水则膨胀湿化崩解的特征，开挖边坡极不稳定。

4.2 降排水方案选用情况

参考南水北调中线工程白河倒虹吸降排水方案论证分析成果，结合磨盘山隧洞进口施工条件、工程地质、水文地质情况、磨盘山隧洞进口DLⅡ62+285.048(仰坡开口线外2m)—DLⅡ62+338.048浅埋及下穿公路的情况，经分析研究决定采用地表真空井点降水措施，达到疏干地基土中水分、促使土体固结、提高地基强度、减少土坡土体侧向位移与沉降、稳定边坡、消除流砂隐患、满足施工需求的目的[16]。

4.3 方案应用情况

井点降水布置于隧洞两侧，降水井直径50cm，中心距离隧洞开挖边线5m，降水井间距5m，降水井底部高程低于隧洞开挖底面10m，顶部高于地表50cm，共13座沉井。如图5所示。具体布置如下：

图5 磨盘山隧洞进口井点降水平面布置图

(1)降水井直径为50cm，井管采用直径273mm，壁厚3mm的钢花管，钢管上钻孔直径2cm，孔距15cm，梅花形布置，顶部5m不钻孔。

(2)钢管外及钢管底部端头包裹土工布，用铁丝捆绑牢实。

(3)钢管与井壁之间回填中粗砂，钢管底部回填至原地面下线以下0.5m处，顶部回填黏土。

(4)采用真空井点降水，真空度控制-0.03～-0.06MPa，抽水设备选用200QJ32-39/3型潜水泵，排量32m3/h、扬程39m、水泵出水管管径2.5寸(约8cm)，与排水系统主管连接，排水主管直径15cm，地下水抽排至隧洞沉淀池，经处理后排放。

该方案通过MODFLOW模拟满足降排水后干地施工的要求；通过现场实际生产验证，按此方案排水后满足干地施工要求，确保了磨盘山隧洞进口安全进洞并完成了衬砌施工。

5 结语

水利工程施工中，地下水是一个突出的问题，因此对于地下水的边界水流估算的研究显得十分重要[17]，需事先拟定降排水措施并通过一定的方法论证其合理性。MODFLOW通过数值模拟论证拟定施工降水方案的合理性，同时根据实际揭示情况应证模拟的准确性，确保拟采用的降排水方案满足施工需求[18]。

(1)本文通过MODFLOW地下水数值模拟及现场实际实施情况论证了白河倒虹吸降排水措施可行性。

(2)磨盘山隧洞进口实施前借鉴经MODFLOW对同地质类型白河倒虹吸降排水措施论证分析研究的成果，拟定实施方案并应用于现场实际降排水施工中，取得了良好的效果。

(3)通过对拟定降排水方案的数值模拟以及工程现场实施效果的应证，可为类似工程采用MODFLOW对地下水动态模拟、方案论证和指导现场实施提供一定的参考。