許建建，惠煥利，裴旭陽

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

隨著我國城市化水平的提高和城市化速度的加快，城市生活、生產(chǎn)用水問題已成為制約其發(fā)展的瓶頸，為此，跨流域、跨區(qū)域的長距離調(diào)水工程相繼建設(shè)。為解決長距離輸水過程中事故停水的風(fēng)險(xiǎn)和用水過程的調(diào)蓄問題，配套修建大規(guī)模的調(diào)蓄池十分必要。這些調(diào)蓄水池往往距離城鎮(zhèn)近，周邊建筑物多，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，建成蓄水后對周邊設(shè)施的影響分析往往是工程設(shè)計(jì)首要考慮的重要問題。

物理模型盛行于20世紀(jì)30年代—50年代，但對于區(qū)域地下水流的模擬成本高、耗時(shí)長[1]，隨后便出現(xiàn)了相似模型，而相似模型雖解決了物理模型的成本和周期問題，但不利于解決復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境下的滲流問題，這時(shí)又出現(xiàn)了水均衡法、水文地質(zhì)模擬法，數(shù)學(xué)解析法等方法，但這些方法只適合含水層幾何形狀簡單，且是均質(zhì)、各向同性的情況。20世紀(jì)60年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型的數(shù)值法在地下水分析計(jì)算中被廣泛應(yīng)用，先后有了二維模型、三維模型等，20世紀(jì)80年代后，MODFLOW法開始應(yīng)用于地下水?dāng)?shù)值模擬分析中。袁宏利等[2]2003年將MODFLOW三維地下水滲流數(shù)值模擬方法應(yīng)用到水庫浸沒勘察研究中。張穎等[3]2008年利用MODFLOW三維地下水滲流數(shù)值模擬方法分析了水庫浸沒問題，地下水三維數(shù)值模擬分析開始廣泛應(yīng)用于水環(huán)境工程的各個(gè)領(lǐng)域。隨著水利工程設(shè)計(jì)分析區(qū)域的擴(kuò)展，數(shù)值模擬滲流計(jì)算的方法也被大量用于滲流穩(wěn)定分析當(dāng)中。徐樂等[4]采用二維數(shù)值模擬滲流的方法分析了大壩樞紐的滲流情況。徐建國等[5]考慮高聚物防滲措施的條件下采用數(shù)值模擬的方法分析了大壩應(yīng)力場與滲流場的耦合情況。何應(yīng)道等[6]采用數(shù)值計(jì)算方法分析了滲流影響條件下的基坑變形規(guī)律與穩(wěn)定性。賈甲等[7]基于連續(xù)介質(zhì)理論的地下水封石油洞庫滲流場及水封適宜性研究。范濤等[8]分析了帶有復(fù)合土工膜防滲體的堆石壩滲流計(jì)算。近年來，Visual MODFLOW軟件將數(shù)值法與計(jì)算機(jī)應(yīng)用結(jié)合起來，大量的用于解決地下水?dāng)?shù)值模擬研究[9]，王思思等[10]在景觀湖防滲方式評估及優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用了Visual MODFLOW三維數(shù)值模擬。為此，對基于土工膜防滲體條件下的調(diào)蓄水池滲流分析問題，Visual MODFLOW Flex地下水三維滲流數(shù)值模擬也可以很好的解決。依據(jù)實(shí)測的地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)，通過Surfer 10三維地圖處理軟件[11]，首先建立水池的三維地形、地質(zhì)模型，將數(shù)據(jù)調(diào)入Visual MODFLOW Flex15地下水三維滲流數(shù)值模擬軟件，建立調(diào)蓄水池三維滲流數(shù)值模型，分別計(jì)算在設(shè)計(jì)水位時(shí)天然地基條件下水池地下水的三維滲流場和采取灰土墊層加土工膜防滲措施后的地下水三維滲流場，根據(jù)滲流場計(jì)算結(jié)果，分析水池建成后形成的地下水滲流對周邊鐵路、村莊、臨谷滲漏等設(shè)施的影響，可以解決在復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下，修建大型調(diào)蓄水池不能采用單一公式進(jìn)行多維度分析其滲流網(wǎng)的難題。

1 工程概況

陜甘寧鹽環(huán)定揚(yáng)黃定邊供水調(diào)蓄水池工程位于定邊縣紅柳溝鎮(zhèn)東南約5.8 km的白玉山北坡，設(shè)計(jì)總?cè)莘e976萬m3，用于調(diào)蓄定邊縣城及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)冬季居民生活用水。該工程利用天然“凹”地，將現(xiàn)狀“凹”地內(nèi)土方挖除，在缺口一側(cè)修建圍堤，形成封閉的調(diào)蓄水池。設(shè)計(jì)水位1 510 m，設(shè)計(jì)圍堤頂高程1 512 m，池底板高程1 480 m～1 498 m，最大堤高39 m，最大水深30 m，回水長度1.5 km。

該調(diào)蓄池容積大，地形條件特殊，地質(zhì)條件復(fù)雜，周邊分布設(shè)施重要。調(diào)蓄水池圍堤以北400 m有太中銀鐵路，東北向300 m有陡溝村，東西兩側(cè)分布紅柳溝和陡溝兩個(gè)天然溝道。該水池周邊設(shè)施重要且復(fù)雜，水池蓄水后是否會(huì)對太中銀鐵路、東北陡溝村等周邊建筑物形成不利影響，有無臨谷滲漏等成為該工程必須分析的重要問題，以此來分析該水池的可行性、安全性。調(diào)蓄池及周邊設(shè)施分布的地理位置見圖1，調(diào)蓄水池建成后的效果圖見圖2。

圖1 調(diào)蓄水池位置示意圖

圖2 調(diào)蓄水池效果圖

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 地質(zhì)參數(shù)

2.2 水池設(shè)計(jì)參數(shù)

水池圍堤采用均質(zhì)土堤+復(fù)合土工膜，堤頂高程1 512.0 m，設(shè)計(jì)水位1 510.0 m，最大堤高39.0 m，堤頂長1 388.0 m，堤頂寬7.0 m，堤底最大寬度216.0 m。圍堤迎水坡坡比1∶3，背水坡坡比1∶2.75。土料填筑壓實(shí)度96%，滲透系數(shù)1.0×10-6m/s。圍堤基礎(chǔ)采用強(qiáng)夯，深度8 m；池底及邊坡防滲從上往下依次為200 mm厚C25F200W6混凝土，30 mm厚M10水泥砂漿墊層，300 g/m2/HDPE 1 mm/300 g/m2復(fù)合土工膜， 300 mm厚3∶7灰土墊層，基礎(chǔ)夯實(shí)1.0 m，夯實(shí)土壓實(shí)度0.97，夯實(shí)部分滲透系數(shù)K=1.0×10-12m/s，混凝土滲透系數(shù)K=1.0×10-10m/s。

表1 土在天然狀態(tài)下物理力學(xué)性質(zhì)成果統(tǒng)計(jì)表

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

調(diào)蓄池采用的原始地形圖為實(shí)測1∶1000地形圖，模型建立時(shí)，將實(shí)測地形圖高程及坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過Suefer提取后，嵌入水池圍堤及邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)，建立封閉的調(diào)蓄水池三維地形模型，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)入Visual MODFLOW Flex后，依據(jù)水文地質(zhì)參數(shù)，設(shè)定邊界范圍、含水層頂、底板高程、不同地層高程、初始地下水流場等高程數(shù)據(jù)[12]，建立調(diào)蓄池三維模型地形地質(zhì)剖面圖和平面圖，分別見圖3、圖4。

圖3 三維模型剖面圖

圖4 三維模型平面圖

3 三維滲流仿真計(jì)算

3.1 概念模型

為準(zhǔn)確模擬調(diào)蓄水池蓄水后對周邊建筑物的影響，模擬區(qū)范圍以地形、地質(zhì)變化特點(diǎn)、天然溝道分布以及周邊設(shè)施距離調(diào)蓄水池外邊線的距離為依據(jù)，確定調(diào)蓄水池模擬范圍北部邊界為山區(qū)與平原交界處，超出鐵路線以北100 m，距離調(diào)蓄水池圍堤坡腳400 m，西邊界以調(diào)蓄池以西1 000 m的紅柳溝天然溝道中心線為邊界，東邊界以調(diào)蓄池以東650 m的天然溝道陡溝溝道中間線為邊界，南邊界以調(diào)蓄水池與天然溝道之間的山脊線為邊界，剖面底板以第四系砂巖為底部邊界，整體模擬區(qū)域?yàn)橐幌鄬ν暾乃牡刭|(zhì)單元。

水池邊界水位：設(shè)計(jì)情況下調(diào)蓄水池最高水位頂部自由水面為潛水面邊界，高程為1 510 m，下部基巖為隔水邊界，東西兩側(cè)溝道為流量邊界，南部山脊線為隔水邊界。含水層位于地面以下70 m，區(qū)內(nèi)邊界水頭設(shè)于地下水位以下，高程為1 360 m。區(qū)域概化為非均質(zhì)各向同性含水層，整個(gè)模擬區(qū)為三維非穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述概念模型，建立模擬區(qū)范圍的三維模型圖，見圖3、圖4。模型區(qū)東、西、南三面環(huán)山，北部人工填筑圍堤，模擬區(qū)地質(zhì)單元完整，頂部自由水面為潛水面邊界，下部基巖為隔水邊界，各地層界限明確。根據(jù)其滲流規(guī)律，水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型為常規(guī)的概念模型[1]：

(x,y,z)∈Ω

(1)

(2)

h(x,y,z)|t=0=h0(x,y,z), (x,y,z)∈Ω

(3)

h(x,y,z,t)|τ1=h1(x,y,z,t), (x,y,z)∈Γ1

(4)

(5)

式中：Ω為滲流區(qū)域；h為壓力水頭，飽和區(qū)為正，非飽和區(qū)為負(fù)，淺水面為0；Kx、Ky、Kz分別為x、y、z方向滲透系數(shù),m/d；S為自由面以下含水層儲(chǔ)水系數(shù)；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，自由表面；Γ1、Γ2分別為滲流區(qū)域第一類、第二類邊界；q(x，y，z，t)為二類邊界單位面積的流量,m3/(d·m2)，流入為正，流出為負(fù)，隔水邊界為0。

3.3 計(jì)算方法

根據(jù)以上建立的概念模型和數(shù)學(xué)模型，采用Visual MODFLOW Flex15三維地下水滲流數(shù)值模擬軟件，利用有限差分法模擬地下水流動(dòng)。

3.4 計(jì)算結(jié)果

(1)天然基礎(chǔ)工況下計(jì)算結(jié)果。見圖5—圖10。

圖5 地下水水位等值線圖

圖6 滲流水頭等值線圖

(2)人工地基情況下計(jì)算結(jié)果。結(jié)果見圖11—圖16。

根據(jù)天然地基和人工地基兩種情況下的模擬計(jì)算結(jié)果，人工地基情況下其等值線比降較天然地基情況下衰減迅速，說明防滲效果顯著，本文結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果，分析該調(diào)蓄水池對周邊鐵路、村莊、臨谷滲漏等影響。

圖7 1-1剖面地下水水位線

圖8 2-2剖面地下水水位線

圖9 1-1剖面滲流水頭等值線圖

圖10 2-2剖面滲流水頭等值線圖

圖11 地下水位等值線圖

圖12 滲流等值線圖

圖13 1-1剖面地下水位線

圖14 2-2剖面地下水位線

4 影響分析

4.1 對太中銀鐵路影響分析

太中銀鐵路位于圍堤軸線以北500 m處，由1-1剖面的水頭滲流等值線圖和地下水水位線圖可以看出，當(dāng)調(diào)蓄水池蓄水達(dá)到設(shè)計(jì)水位后，在天然地基情況下鐵路路基處水位1 395 m，遠(yuǎn)低于路基高程1 480 m。

圖15 1-1剖面滲流水頭等值線圖

圖16 2-2剖面滲流水頭等值線圖

判斷鐵路路基是否會(huì)發(fā)生滲透破壞，比較允許水力坡降和實(shí)際水力坡降如下：

允許水力坡降采用下式計(jì)算：

J允=(Gs-1)(1-n)

(6)

式中：J允為土層允許水力坡降；Gs為土體比重；n為土的孔隙率。

經(jīng)計(jì)算，上部黃土允許水力坡降J允1=0.838，下部的黃土狀壤土J允1=0.980。

實(shí)際水力坡降J實(shí)采用下式計(jì)算：

J實(shí)=(H1-H2)/B

(7)

式中：J實(shí)為實(shí)際水力坡降；H1、H2分別為計(jì)算斷面處的上、下游水頭高程,m；B為計(jì)算寬度,m。

據(jù)圖9中1-1剖面滲流水頭等值線線分析，實(shí)際水力坡降水位由1 460 m降為1 395 m，水平距離390 m，鐵路路基處的實(shí)際滲透坡降J實(shí)=65/390=0.167。實(shí)際的水力坡降均小于允許的水力坡降。因此，可判斷天然情況下的地下水滲流對鐵路路基不會(huì)發(fā)生滲透破壞，在人工地基情況下接近初始水頭，水位線低于基巖線，不存在滲流影響[8]。

另外，考慮該處為濕陷性黃土，判斷在人工地基情況下，鐵路路基附近地下水流位于基巖以下，不存在影響上層黃土和黃土狀壤土的濕陷問題。綜合分析，該調(diào)蓄池的修建不會(huì)影響太中銀鐵路路基安全問題。對太中銀鐵路影響的滲流分析示意圖詳見圖17。

4.2 臨谷滲漏影響分析

調(diào)蓄池西側(cè)紅柳溝，東側(cè)為陡溝，調(diào)蓄池最高水位1 510.0 m，最低水位1 480 m。陡溝溝底高程1 460 m～1 465 m，紅柳溝溝底高程1 440 m～1 450 m。調(diào)蓄池水位均高于兩側(cè)溝底。調(diào)蓄池與陡溝鄰谷間黃土梁寬度約500 m，與紅柳溝寬度約900 m。由圖8可以看出，當(dāng)調(diào)蓄池蓄水至1 510 m，天然地基情況下，西側(cè)紅柳溝處水位1 370 m，東側(cè)陡溝處水位約為1 385 m，兩側(cè)的水位線均低于溝底高程；人工地基情況下接近初始水頭，由此判斷兩種情況下均不存在臨谷滲漏問題[13]。臨谷滲漏影響分析示意圖詳見圖18。

圖17 對太中銀鐵路影響的滲流分析示意圖

圖18 對臨谷滲漏影響的滲流分析示意圖

4.3 對陡溝村影響分析

在調(diào)蓄水池西側(cè)的陡溝村，地表高程1 475 m～1 497 m，即圖13—圖15所示的2-2剖面，該處蓄水位天然地基條件下地下水位為1 424.0 m～1 445.0 m，遠(yuǎn)低于村莊地表高程，實(shí)際的水力坡降均小于允許的水力坡降，不會(huì)發(fā)生滲透破壞的影響?？紤]該處地基具有濕陷性，在人工地基條件下，該處水位達(dá)到初始水位，即基巖以下，不會(huì)對上層的濕陷性黃土遇水產(chǎn)生濕陷[8]。綜合分析，對陡溝村不會(huì)產(chǎn)生不安全影響。

5 結(jié) 語

依據(jù)實(shí)測的陜甘寧鹽環(huán)定揚(yáng)黃定邊供水調(diào)蓄水池地形數(shù)據(jù)、地質(zhì)參數(shù)，通過Surfer三維地圖處理軟件，建立了水池的三維地形、地質(zhì)模型，將數(shù)據(jù)調(diào)入Visual MODFLOW Flex地下水三維滲流數(shù)值模擬軟件，建立了調(diào)蓄水池三維滲流模型，分別計(jì)算了在設(shè)計(jì)水位時(shí)天然地基條件下水池地下水的三維滲流場和采取灰土墊層加土工膜防滲措施后的地下水三維滲流場，分析了調(diào)蓄水池建成后形成的地下水滲流對周邊鐵路、村莊、臨谷滲漏等建筑物的影響，解決了在復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下，修建大型調(diào)蓄水池不能采用單一公式進(jìn)行多維度分析其滲流網(wǎng)的難題，將Visual MODFLOW Flex地下水三維滲流數(shù)值模擬軟件應(yīng)用到水利工程設(shè)計(jì)中，大大提高效率。該方法也可大量應(yīng)用于水庫蓄水后與地下水相互影響的分析中[14]，特別是對陜北濕陷性黃土地區(qū)的滲漏問題應(yīng)重點(diǎn)分析[15]。