劉漢東，朱 華，王東東，李小超

(1．華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045;2．福建省建研勘察設(shè)計(jì)院，福建 福州 350000;3．江西省電力設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330096)

基坑降水設(shè)計(jì)以大井法為主．在大井法中，利用井群降水的基坑被概化為圓形大井，計(jì)算引用半徑和涌水量進(jìn)行降水設(shè)計(jì)［1］． 對(duì)于長寬比較小的基坑，降水井群位于基坑周圍，單個(gè)降水井對(duì)整個(gè)基坑的降水效果有影響，且降水井相互之間也有影響，概化效果較好．但是，對(duì)于南水北調(diào)工程這種長寬比特大的渠道，單個(gè)降水井的影響范圍有限，無法覆蓋整個(gè)渠道，且距離較大的降水井之間相互作用也有限．因此，對(duì)于南水北調(diào)中線工程渠道的降水設(shè)計(jì)，應(yīng)用大井法會(huì)產(chǎn)生較大誤差．對(duì)于特大型基坑，分段設(shè)計(jì)是一種可行的方法．如胡煥榮等［2］針對(duì)大面積環(huán)狀基坑的降水設(shè)計(jì)工程，采用截取計(jì)算單元法進(jìn)行降水設(shè)計(jì)，但沒有闡明分段的依據(jù);耿會(huì)勇［3］針對(duì)長大隧道的基坑，根據(jù)開挖深度、維護(hù)情況等的不同將基坑分為12 個(gè)小區(qū)域分別進(jìn)行降水設(shè)計(jì)，但是針對(duì)地質(zhì)情況均勻的大區(qū)域基坑降水的情況沒有涉及．針對(duì)南水北調(diào)工程長寬比特大渠道降水設(shè)計(jì)，鮮有論文涉及．筆者以南水北調(diào)中線工程溫博Ⅱ標(biāo)段樁號(hào)為HZ17 +000—HZ18 +000 施工段為例，針對(duì)地質(zhì)情況差異不大、長寬比特大的渠道，以不同長度(降水井影響半徑的2 倍、將渠道分為3 段、不分段)作為分段依據(jù)，用大井法進(jìn)行渠道降水設(shè)計(jì)．

Modflow 是專門進(jìn)行水文地質(zhì)數(shù)值計(jì)算的模擬軟件，在降水效果分析中應(yīng)用較多［4］．在此運(yùn)用Visual Modflow 軟件對(duì)降水效果進(jìn)行模擬分析．

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程溫博Ⅱ標(biāo)段位于焦作市溫縣和博愛縣境內(nèi)． 工程區(qū)屬黃沁沖積平原，地形較平坦、開闊，兩岸地面高程105．80 ～108．78 m，地勢微向東南傾斜．在區(qū)域上位于華北準(zhǔn)地臺(tái)黃淮海拗陷的西部邊緣，新構(gòu)造分區(qū)屬于華北斷陷—隆起區(qū)和豫皖隆起—拗陷區(qū)的交接部位．該區(qū)域主要揭露的地層巖性為人工回填土(渠道開挖棄土)、黃土狀重粉質(zhì)壤土和中細(xì)砂等，局部夾砂壤土及粉砂．

1)人工填土(rQ4):厚度與施工段及開挖回填深度有關(guān)，0 ～6 m 不等，巖性以粉質(zhì)壤土和少量碎石為主．

2)黃土狀重粉質(zhì)壤土(alQ4):灰黃—黃褐色，底層高程87．44 ～97．43 m，厚度9．1 ～19．7 m，平均黏粒含量22．9%． 含少量鈣質(zhì)結(jié)核，局部夾薄層黃土狀輕粉質(zhì)壤土、黃土狀重粉質(zhì)壤土、砂壤土及粉砂．

3)中細(xì)砂(alQ4):灰黃色，厚度7．8 m 左右． 中密—密實(shí)，飽和．

工程區(qū)屬于黃沁沖積平原，地下水開采深度范圍內(nèi)地層為第四系松散層，場區(qū)地下水可劃分為第四系松散層孔隙潛水和第四系松散層孔隙承壓水．

第四系松散層孔隙潛水主要賦存于黃土狀壤土和粉質(zhì)壤土中，厚度一般為15 ～20 m，局部大于20 m．水位高程為101 ～105 m，埋深一般為2 ～6 m，屬弱透水，賦水條件較差．潛水主要接受大氣降水入滲、側(cè)向徑流補(bǔ)給，以蒸發(fā)側(cè)向徑流及人工開采方式排泄．

第四系孔隙承壓水主要賦存于粉細(xì)砂和中砂層中，埋深15 ～20 m，單層厚度5 ～10 m，屬中—強(qiáng)透水，賦水條件好．承壓水位高程101 ～105 m，承壓水頭10 ～18 m，和上部潛水水位基本一致，承壓不明顯或具有弱承壓性． 承壓水主要接受上游地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，消耗于側(cè)向徑流和人工開采．

2 HZ17—HZ18 施工段抽水試驗(yàn)

溫博Ⅱ標(biāo)段總干渠的開挖是分段進(jìn)行的． 以HZ17—HZ18 施工段為例，該段渠道長1 000 m，寬22 m，渠底高程為99．5 m，該區(qū)域平均地下水位為104．5 m，含水層厚度為19 m，施工水位應(yīng)控制在渠底0．5 m 以下，故降深應(yīng)為5．5 m．現(xiàn)場抽水試驗(yàn)是確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)的重要方法［5］． 為探明該區(qū)域含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，在樁號(hào)HZ17 +569 處做了一組抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)井為單孔3 落程的完整井．抽水試驗(yàn)共歷時(shí)15 d，試驗(yàn)結(jié)果見表1 和如圖1 所示．該試驗(yàn)井的Q －Δh2關(guān)系曲線呈直線，根據(jù)《水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》(SL 320—2005)，可求得綜合滲透系數(shù)為2．19 m3/d．

表1 抽水試驗(yàn)結(jié)果

圖1 試驗(yàn)井Q－Δh2 關(guān)系曲線

3 大井法降水設(shè)計(jì)

3．1 降水井影響半徑

降水井均為潛水完整井，應(yīng)用庫薩金公式

式中:R0為降水井影響半徑，m;S 為降深，m;H 為含水層厚度，m;K 為綜合滲透系數(shù)，m3/d．

在此，S=5．5 m，H=19 m，K =2．19 m3/d，由式(1)計(jì)算得降水井影響半徑為71 m．

渠道長1 000 m，降水井的影響半徑僅為71 m，單個(gè)降水井無法影響整個(gè)渠道． 根據(jù)大井法思想進(jìn)行概化計(jì)算引用半徑時(shí)，其誤差較大．為探求合理的分段長度，設(shè)定3 種分段工況進(jìn)行研究:工況1 分段長度為降水井影響半徑的2 倍，取150 m;工況2 將渠道等分成3 段，即每段333 m;工況3 不分段，即1 000 m．

3．2 渠道引用半徑

渠道引用半徑為

式中:r0為渠道引用半徑，m;A 為渠道長度，m;B 為渠道寬度，m;N 為長寬比系數(shù)．

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，N 取值為1． 1;在此，B 值為22 m;3 種工況下A 值分別為150，333，1 000 m;根據(jù)式(2)計(jì)算的渠道引用半徑分別為47． 3，88．0，255．5 m．

3．3 單井出水量

單井出水量根據(jù)阿布拉莫夫經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，

式中:r 為過濾器內(nèi)徑，m;L 為過濾器長度，m．

在此r=0．2 m，L=1．5 m，根據(jù)式(3)計(jì)算可得單井出水量為146．79 m3/d．

3．4 渠道涌水量

根據(jù)大井法的思想，將渠段視為大的潛水完整井，其涌水量計(jì)算公式為

根據(jù)式(4)計(jì)算得3 種工況下渠道總涌水量分別為8 954．30，6 244．50，5 021．01 m3/d．

3．5 降水井井?dāng)?shù)

計(jì)算降水井井?dāng)?shù)時(shí)要乘以一個(gè)1．1 ～1．2 的系數(shù)，這里取1．1，井?dāng)?shù)計(jì)算公式為

工況1:150 m 長的渠段要布置降水井?dāng)?shù)為10口，1 000 m 長的渠道可分為7 段，前6 段均為150 m，每段均布置10 口降水井，第7 段長100 m，布置6 口降水井，共布置66 口降水井．工況2:共布置降水井44 口．工況3:共布置降水井38 口． 渠道為長條形，采用雙排布井方式，位置在渠道邊緣向外1 m，1 000 m長的渠道4 個(gè)角點(diǎn)各1 口，中間等距布置．

依照前述大井法降水設(shè)計(jì)方案，3 種工況的設(shè)計(jì)結(jié)果見表2．

表2 3 種工況設(shè)計(jì)結(jié)果

4 Visual Modflow 數(shù)值模擬

Visual Modflow 是目前最新流行且被各國同行一直認(rèn)可的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)［7］，在地下水模擬領(lǐng)域中具有很強(qiáng)的實(shí)用性．對(duì)于降水設(shè)計(jì)和降水效果分析，該軟件已經(jīng)成功應(yīng)用于眾多工程實(shí)例中［4，8－9］．

4．1 條件概化

由于施工段HZ17—HZ18 段水文地質(zhì)條件較為簡單，承壓水頭與上部潛水頭一致，承壓不明顯或具有弱承壓性，故將其概化為兩層，上層為潛水含水層，下層重粉質(zhì)壤土為隔水層． 實(shí)施降水過程中，影響含水層水位變化的主要為降水井抽水，其他匯源項(xiàng)對(duì)含水層短時(shí)間內(nèi)的影響可以忽略［10］．

4．2 模型建立

模型范圍以渠線為中心，向四邊擴(kuò)展，長1 200 m，寬1 000 m．差分網(wǎng)格為20 m×20 m，在渠道區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格加密．地層分為兩層，上層為含水層，滲透系數(shù)根據(jù)抽水試驗(yàn)所得為2．19 m3/d，下層為隔水層．初始水頭為104．5 m，在模型的四周定義為定水頭邊界，水頭值為初始水頭． 降水井定義在設(shè)計(jì)位置，流量均為146．79 m3/d．

4．3 模擬結(jié)果分析

對(duì)上述模型進(jìn)行三維非穩(wěn)定流計(jì)算，工況1—3的計(jì)算結(jié)果如圖2—7 所示．

圖2 與圖3 為工況1 的降深等值線及渠道中軸線剖面降深圖．由圖2 可知:沿渠道短軸方向，距離渠道越遠(yuǎn)，降深值越小;在渠道兩側(cè)80 m 范圍內(nèi)，地下水水位有變化，80 m 以外地下水水位無變化;渠道內(nèi)沿長軸方向，中間降深值較大，越向兩端降深值越小，但均滿足5．5 m 降深要求;在降水井附近，局部降深較大，達(dá)10．0 m 以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過降深需求．由圖3 可知，渠道中軸線剖面降深值均大于6．0 m，中間降深值最大為11．0 m，符合降水設(shè)計(jì)要求．因此，該工況下降水方案可以滿足降水要求，降水效果較好．

圖2 工況1 降深等值線圖(單位:m)

圖3 工況1 渠道中軸線剖面降深圖

圖4 和圖5 為工況2 的降深等值線及渠道中軸線剖面降深圖．由圖4 可知:計(jì)算區(qū)域沿著渠道長軸和短軸方向降深值變化規(guī)律與工況1 類似;水位無變化的范圍小于80 m，局部降深最大值為8．0 m，較工況1 小，且部分區(qū)域不滿足5．5 m 降深要求．由圖5 可知:剖面中間降深最大值為7．0 m，但兩端部分區(qū)域不滿足5．5 m 降深要求．因此，該工況下降水效果較工況1 差，且無法滿足降水設(shè)計(jì)要求．

圖4 工況2 降深等值線圖(單位:m)

圖5 工況2 渠道中軸線剖面降深圖

圖6 和圖7 為工況3 的降深等值線及渠道中軸線剖面降深圖．由圖6 可知:沿渠道長軸和短軸方向降深值變化規(guī)律與工況1 類似;水位無變化的范圍小于80 m，局部降深最大值為6．0 m，較工況1 和工況2 小，且部分區(qū)域不滿足5．5 m 降深要求．由圖7可知:剖面中間降深最大值為6．0 m，但部分區(qū)域不滿足5．5 m 降深要求．因此，該工況下降水效果較工況1 和工況2 差，無法滿足降水設(shè)計(jì)要求．

圖6 工況3 降深等值線圖(單位:m)

圖7 工況3 渠段中軸線剖面降深圖

通過對(duì)比3 種工況下的降深等值線和渠道中軸線剖面降深可知:渠道內(nèi)沿長軸方向中部降深值大，兩端小;隨著分段長度的增大，引起地下水位變化的范圍減小，降深最大值減小，降水效果變差．

分析3 種工況下的降水設(shè)計(jì)可知，隨著分段長度增大，渠道引用半徑增大，渠道總涌水量減小，設(shè)計(jì)的井?dāng)?shù)減少，降水效果變差．

綜上所述，在應(yīng)用大井法進(jìn)行渠道降水設(shè)計(jì)時(shí)，分段長度的大小直接影響降水效果． 將降水井影響半徑的2 倍作為分段長度，降水設(shè)計(jì)合理可行．

5 結(jié) 語

1)大井法對(duì)于常規(guī)長寬比不大的渠道降水設(shè)計(jì)，概化效果好．但對(duì)于長寬比較大的渠道，其概化的誤差較大，生搬硬套大井法進(jìn)行降水設(shè)計(jì)，降水效果差，不能滿足工程需要．

2)對(duì)于細(xì)長條型渠道，沿長軸方向，中部的降水效果要好于兩端，在進(jìn)行降水施工時(shí)應(yīng)注意兩端的實(shí)際降水情況．

3)應(yīng)用大井法對(duì)渠道進(jìn)行分段降水設(shè)計(jì)時(shí)，采用降水井影響半徑的2 倍長度作為分段依據(jù)，合理可行，且分段長度越大，其降水效果越差．

4)研究區(qū)位于沖積平原，地勢平坦，水文地質(zhì)條件較簡單，在此僅以降水井的影響半徑作為分段標(biāo)準(zhǔn)．若工程區(qū)的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，在應(yīng)用大井法進(jìn)行分段降水設(shè)計(jì)時(shí)，分段的依據(jù)應(yīng)考慮更多因素．

［1］陳幼雄．井點(diǎn)降水設(shè)計(jì)與施工［M］． 上海:上?？茖W(xué)普及出版社，2004．

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