MODFLOW地下水流模擬軟件在引水工程中的應用

胡 軍，歐陽林，曹肇金，李成偉，李培富，費鵬盛

(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設管理局，云南 昆明 650000；3.中鐵一局集團第五工程有限公司，陜西 寶雞 721006；4.巍山彝族回族自治縣水務局，云南 大理 671000)

0 引言

“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”是習近平總書記的治水思路和有關治水重要論述精神是水利工程建設的重要基礎理論[1]。

引水工程在深基坑施工中，地下水是一個困擾因素[2]，特別是在復雜地質條件下，降水效果對基坑開挖施工安全起到了至關重要的作用[3]；因此了解地下水的分布與動態變化就格外重要[4]。MODFLOW地下水數值模擬在地下水動態模擬中的應用較為廣泛[5]，為工程降排水范圍方案制定提供理論依據[6]。

白河倒虹吸是南水北調中線總干渠穿越白河干流的交叉建筑物，建筑物由進口漸變段、退水閘段、進口檢修閘、倒虹吸管身段、出口節制閘、出口漸變段、退水閘等構成[7]。設計流量為330m3/s，加大流量為400m3/s。工程區地層主要為震旦系下統(Z1)、上第三系(N)和第四系全新統(Q4)[8]。白河倒虹吸項目管身段，與滇中引水工程大理Ⅱ段磨盤山隧洞進口段的地層均處于第三系軟巖部位，地質情況非常相近。

本文以“南水北調中線工程南陽白河倒虹吸降排水措施”為論證基礎，敘述了MODFLOW的模擬過程，并將可行的降排水方案應用于同地質類型的滇中引水工程磨盤山隧洞進口段，為磨盤山隧洞進口段的降排水方案提供了理論依據，實現了MODFLOW軟件的研究價值。

1 白河倒虹吸降排水方案MODFLOW論證

1.1 確定工程地質情況

白河倒虹吸管身段位于白河河床、漫灘和左岸Ⅰ級階地，由進口斜管段、虹吸管水平段和出口斜管段組成[9]。

(1)進口斜管段：地基和邊坡從上至下由采石廢碴、全新統下部含礫中砂、礫砂層組成，下伏上第三系砂礫巖和強風化大理巖。采石廢碴厚2.0～16.0m；全新統下部含礫中砂和礫砂底面呈斜坡狀，含礫中砂厚4.0～6.0m，礫砂厚2.5～4.0m?；娱_挖揭露了第四系孔隙含水層，全新統下部砂層具中等-強透水性，水量豐富。

(2)虹吸管水平段：地基主要為上第三系砂礫巖；鉆孔SCHBH19(樁號115+474)附近地基為全新統下部礫砂，基礎下部礫砂有效厚度約1.0m；鉆孔SCHBH57(樁號116+363～116+373)附近地基為上第三系含礫砂巖，基礎下部含礫砂巖有效厚度約2.5m?；娱_挖揭露了第四系孔隙含水層和上第三系砂礫巖含水層，兩含水層水量豐富。

(3)出口斜管段：地基從上至下主要由全新統下部砂壤土、細砂、礫砂和上第三系砂礫巖組成，砂壤土呈薄層狀分布于I級階地表層，厚1.0～1.7m，細砂厚2.2～3.0m，礫砂厚約7.5m；砂礫巖厚度大于25.0m，局部夾粘土巖、砂巖透鏡體?；娱_挖揭露了第四系孔隙含水層，全新統下部砂層具中等-強透水性，水量豐富。

1.2 測定地層的滲透系數

白河倒虹吸地質主要屬于第四系地層和第三系地層，兩套地層滲透性差別較大，故需分別確定地層的滲透系數；通過多井抽水試驗，測定第四系地層地層的滲透系數K1為90～100m/d；通過注水試驗，測定第三系地層地層的滲透系數K2為1.5～2m/d。

1.3 確定降排水設計方案

排水方案以截水為主，排水為輔。截水采用高壓旋噴防滲墻，防滲墻深入管身段建基面以下2m；排水采用管井降水，在倒虹吸管身段兩側線性布置，井深14m。通過數值模擬論證該方案能否將各節管身段的地下水降至控制水位113m(低于建基面高程1m)以下，滿足干地施工要求。

2 確定計算模型和邊界條件

2.1 確定模擬范圍

降排水是一個疏干含水層或降低含水層壓力水頭的過程，隨著時間的推移，降落漏斗不斷擴大，影響范圍也變大。白河倒虹吸全長1.337km，與白河河槽近乎正交，因此模擬的東西跨度為1.337km。根據井流理論的經驗公式來確定模擬南北影響的范圍。潛水含水層中抽水井的影響半徑(影響范圍)確定如下：

(1)

式中，R—影響半徑，m；H—潛水含水層的厚度，m；s—抽水井降深，m；K—含水層的滲透系數。

計算后，R小于1000m。因此，以倒虹吸軸線為基準，南北各取1000m作為模擬范圍。計算參數選取地質條件下含水層信息概化計算表，見表1。

表1 地質條件下含水層信息概化計算表

2.2 含水層概化

根據巖性勘探孔的孔底高程為90～105m，將底高程105m的水平面作為垂向底邊界，即本次論證的垂向范圍為地表面至105m高程。

根據模擬位置和巖性的不同，將倒虹吸分段分層進行研究。即第1—7節管身段，在MODFLOW中概化為三層，第一層頂底板高程130～118m，巖性為第四系地層；第二層頂底板高程118～110m，巖性為上第三系地層；第三層頂底板高程110～105m，巖性為震旦系大理巖。第一、二層滲透系數均取綜合滲透系數K=(43.2×12+0.432×8)/20=26m/d，第三層大理巖滲透系數取0.864m/d。第8—77節管身段，在MODFLOW中將白河倒虹吸段的含水層概化為兩層，上部為潛水，下部為承壓轉無壓含水層，考慮到上第三系含水層與其上部的第四系強透水層存在密切水力聯系，為統一的水力聯系單元，并且兩者之間并無連續穩定的隔水層或弱透水層相隔，上第三系含水層承壓性質不明顯，因此在MODFLOW中滲透系數均取表1中的綜合滲透系數。

2.3 邊界條件概化

潛水含水層以自由水面為上邊界，通過該邊界，潛水與系統外發生垂向水量交換[10]?？紤]倒虹吸管身段施工均在枯水期，且本次研究目的是為了降水施工，降水補給量、蒸發量、排泄量與地下水開采的量相差很大[11]，因此在模擬過程中忽略不計，105m水平高程為本次模擬的底邊界[12]。

白河在進入南陽市區后，常年補給兩岸地下水，受白河補給影響，其兩岸地下水分屬不同的流動系統。白河倒虹吸管身段橫跨白河主河槽及兩岸一級階地，如圖1所示，從地下水流動角度出發，將本次模擬分為白河右岸模型及白河左岸模型。

圖1 白河倒虹吸管身段平面位置圖

白河右岸模型包含1—7節管身段基坑及8—23節管身段基坑的降排水。其東部邊界為白河，取定水頭邊界；南北邊界各距白河倒虹吸軸線1000m，由于地下水自白河向兩側流動，地下水流線大致為東西方向，南北邊界與地下水流線近似平行，因此南北邊界均為隔水邊界；西部邊界，由于緊鄰白河倒虹吸的上一個標段為南陽-4標，南陽-4標段內的地下水位一般低于渠底板，不涉及降排水，地下水位長期穩定，因此西部邊界取定水頭邊界。

白河左岸模型包含24—29節管身段基坑、30—39節管身段基坑、40—77節管身段基坑的降排水。其西部邊界為白河，為定水頭邊界；南北邊界為隔水邊界；東部邊界緊鄰白河倒虹吸的下一個標段為南陽-5標(南陽-5標各建筑物基坑均涉及降排水)，東部邊界為隔水邊界，如圖1所示。

在實際降水施工中，降水時間一般不超過30d。但考慮到本區域施工段緊臨白河，地下水豐富，降排水難度大，因此將模擬期設定為60d。

3 模擬方案的合理性

3.1 以白河右岸1—7節管身段為例模擬降排水情況

本次模擬在每層上的剖分精度為10m×10m，全區共剖分成15540個單元格，其中有效單元格12677個。在MODFLOW中，調用Well(水井)子程序包來模擬管井降水效果，調用CHD子程序包來模擬白河，調用HFB子程序包來模擬垂向防滲墻，如圖2(a)所示。由于管井設置在倒虹吸兩側，根據降落漏斗擴展特點，軸線上的水位最高，因此沿軸線設置3口，觀測井間距為30m。以這3口觀測井的水位信息來判定降水方案的合理性。

圖2 白河右岸1—7節管身段降排水情況

模擬采用兩級降水管井：一級降水管井間距10m，共35口抽水井，單井抽水量1500m3/d，設置在124～110m高程上，井深14m，目標是將地下水位降至120m高程，完成一級基坑開挖，滿足二級降水管井(121～105m)設置，一級降水管井應力期為0～60d；二級降水管井間距10m，共32口抽水井，單井抽水量1000m3/d，設置在121～105m高程上，井深15m，目標是將地下水位降至113m高程，滿足1—7節管身段干地施工要求。二級降水管井應力期為15～60d，即前14d的抽水井流量為0，從第15d開始，二級降水管井才開始在模型中起作用，這意味在14d之內，一級降水管井需要將水位降至120m以下。

通過數值模擬可以看出，在14d左右，觀測孔1-7ob1—ob3的水位均降至一級降水目標120m以下，滿足一級基坑開挖及二級管井設置要求；在40d左右，在一、二級管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，滿足干地施工要求。而在此后約20d里，3個觀測孔的水位下降速度非常緩慢，說明隨著降落漏斗的擴展，白河對地下水的補給基本與抽水井的抽水量相當，因而呈現緩慢降水趨勢。隨著降水時間的延長，抽水影響不斷擴大，可從第10d、第60d的地下水流場上明顯看出，如圖2(b)所示。模擬期結束時，剖面上地下水降落漏斗的擴展情況如圖2(c)所示。

3.2 以白河左岸30—39節管身段為例模擬降排水情況

本次模擬在每層上的剖分精度為10m×10m，全區共剖分成25400個單元格，其中有效單元格23464個。在MODFLOW中，調用Well(水井)子程序包來模擬管井降水效果，調用CHD子程序包來模擬白河，調用HFB子程序包來模擬垂向防滲墻，如圖3(a)—(b)所示。由于管井設置在倒虹吸軸線兩側，根據降落漏斗擴展特點，軸線上的水位最高，因此沿著軸線布置4口觀測井，觀測井間距為40m。以這4口觀測井的水位信息來判定降水方案的合理性。

圖3 白河左岸30—39管身段降排水情況

模擬采用兩級降水管井：一級降水管井間距20m，共27口抽水井，單井抽水量1500m3/d，設置在124～110m高程上，井深14m，目標是將地下水位降至119m高程，完成一級基坑開挖，滿足二級降水管井(120～105m)設置，一級降水管井應力期為0～60d；二級降水管井間距10m，共44口抽水井，單井抽水量1000m3/d，設置在120～105m高程上，井深15m，目標是將地下水位降至113m高程，滿足30—39節管身段干地施工要求。二級降水管井應力期為10～60d，即前10d的抽水井流量為0，從第11天開始，二級降水管井才開始在模型中起作用，這意味在10d之內，一級降水管井將水位降至119m以下。

通過數值模擬可以看出，在10d以內，觀測孔30—39的ob1—ob4水位均降至一級降水目標119m以下，滿足一級基坑開挖及二級管井設置要求；在40d左右，在一、二級管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，滿足干地施工要求。而在此后的約20天里，4個觀測孔的水位下降速度非常緩慢，說明隨著降落漏斗的擴展，白河對地下水的補給基本與抽水井的抽水量相當，因而呈現緩慢降水趨勢。隨著降水時間的延長，抽水影響不斷擴大，可從第10天、第60天的地下水流場上明顯看出，如圖3(c)所示。模擬期結束時，剖面上地下水降落漏斗的擴展情況如圖3(d)所示。

3.3 結論和建議

通過1—7節管身段數值模擬可以得出，在14d左右，觀測孔1—7ob1—ob3的水位均能降至一級降水目標120m以下，滿足一級基坑開挖及二級管井設置要求；在40d左右，在一、二級管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，滿足干地施工要求。

通過30—39節管身段數值模擬可以看出，在10d以內，觀測孔30—39ob1—ob4的水位均能降至一級降水目標119m以下，滿足一級基坑開挖及二級管井設置要求；在40d左右，在一、二級管井的共同作用下，地下水位降至管身段建基面高程以下1m，即113m，滿足干地施工要求。

結論及建議：通過分別對1—7節管身段、30—39節管身段的模擬表明擬采用的降排水方案是合理的。同時在利用該降排水方案達到降水目標之后，直至模擬期結束，各節管身段基坑的地下水位下降速度非常緩慢，表明地下水補給比較充沛；因此在實現降水目標之后，不能減弱抽水量，否則會引起地下水位快速上升，對施工不利。

4 成果應用

4.1 滇中引水工程磨盤山隧洞進口工程情況

滇中引水工程磨盤山隧洞全長約13km，隧洞進口樁號為DLⅡ62+263.048，底板高程1962.771m，底坡i=1/4000，隧洞設計流量120m3/s，斷面尺寸為8.96m×8.96m，斷面型式為馬蹄形洞型。隧洞進口洞頂有一灌溉水渠斜穿隧洞仰坡設計開口線，影響洞臉仰坡開挖；隧洞在DLⅡ62+316處下穿祥姚公路(S316線)，公路等級為二級，施工前進行了專門的下穿公路設計[13]。隧洞仰坡開口線與灌溉渠位置如圖4(a)所示、隧洞進口下穿公路如圖4(b)所示。

圖4

交叉影響范圍為磨盤山隧洞DLⅡ62+298—DLⅡ62+338段(40m)，洞頂距路面19.92m。該段圍巖為Ⅴ類，隧洞開挖過程中可能造成水渠沉降開裂、漏水，水渠漏水可能增大洞內滲水，不利于隧洞開挖；同時隧洞開挖爆破產生的震動可能引起地表不均勻沉降，甚至洞頂塌方冒頂[14]，破壞公路設施，安全隱患極大。

磨盤山隧洞進口段埋深22—37m，圍巖為Ⅴ類。隧洞圍巖為全風化粉砂質砂巖，極軟巖?？傮w呈陡傾角單斜狀構造，洞線與巖層總體走向中等角度相交，夾角50°～65°，結構面閉合-微張，巖粉、巖屑或泥質物充填，巖體呈砂狀或碎塊散體結構，破碎，透水性中等，局部強透水，洞內(裸洞)一般為線狀流水，局部滲滴水，地下水位線較高。

隧洞進口為土質邊坡，上部覆蓋層以黏土為主，厚度8～12m，下部巖體以全風化粉砂質砂巖為主，巖層成巖程度不高，各沉積界面間結合不牢，層面易于風化產生裂隙，為水的入侵提供了便利條件[15]。加之粉砂質砂巖具有失水易收縮開裂、遇水則膨脹濕化崩解的特征，開挖邊坡極不穩定。

4.2 降排水方案選用情況

參考南水北調中線工程白河倒虹吸降排水方案論證分析成果，結合磨盤山隧洞進口施工條件、工程地質、水文地質情況、磨盤山隧洞進口DLⅡ62+285.048(仰坡開口線外2m)—DLⅡ62+338.048淺埋及下穿公路的情況，經分析研究決定采用地表真空井點降水措施，達到疏干地基土中水分、促使土體固結、提高地基強度、減少土坡土體側向位移與沉降、穩定邊坡、消除流砂隱患、滿足施工需求的目的[16]。

4.3 方案應用情況

井點降水布置于隧洞兩側，降水井直徑50cm，中心距離隧洞開挖邊線5m，降水井間距5m，降水井底部高程低于隧洞開挖底面10m，頂部高于地表50cm，共13座沉井。如圖5所示。具體布置如下：

圖5 磨盤山隧洞進口井點降水平面布置圖

(1)降水井直徑為50cm，井管采用直徑273mm，壁厚3mm的鋼花管，鋼管上鉆孔直徑2cm，孔距15cm，梅花形布置，頂部5m不鉆孔。

(2)鋼管外及鋼管底部端頭包裹土工布，用鐵絲捆綁牢實。

(3)鋼管與井壁之間回填中粗砂，鋼管底部回填至原地面下線以下0.5m處，頂部回填黏土。

(4)采用真空井點降水，真空度控制-0.03～-0.06MPa，抽水設備選用200QJ32-39/3型潛水泵，排量32m3/h、揚程39m、水泵出水管管徑2.5寸(約8cm)，與排水系統主管連接，排水主管直徑15cm，地下水抽排至隧洞沉淀池，經處理后排放。

該方案通過MODFLOW模擬滿足降排水后干地施工的要求；通過現場實際生產驗證，按此方案排水后滿足干地施工要求，確保了磨盤山隧洞進口安全進洞并完成了襯砌施工。

5 結語

水利工程施工中，地下水是一個突出的問題，因此對于地下水的邊界水流估算的研究顯得十分重要[17]，需事先擬定降排水措施并通過一定的方法論證其合理性。MODFLOW通過數值模擬論證擬定施工降水方案的合理性，同時根據實際揭示情況應證模擬的準確性，確保擬采用的降排水方案滿足施工需求[18]。

(1)本文通過MODFLOW地下水數值模擬及現場實際實施情況論證了白河倒虹吸降排水措施可行性。

(2)磨盤山隧洞進口實施前借鑒經MODFLOW對同地質類型白河倒虹吸降排水措施論證分析研究的成果，擬定實施方案并應用于現場實際降排水施工中，取得了良好的效果。

(3)通過對擬定降排水方案的數值模擬以及工程現場實施效果的應證，可為類似工程采用MODFLOW對地下水動態模擬、方案論證和指導現場實施提供一定的參考。