大井法分段降水設計在南水北調中線工程中的應用

劉漢東，朱 華，王東東，李小超

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

基坑降水設計以大井法為主．在大井法中，利用井群降水的基坑被概化為圓形大井，計算引用半徑和涌水量進行降水設計［1］． 對于長寬比較小的基坑，降水井群位于基坑周圍，單個降水井對整個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，對于南水北調工程這種長寬比特大的渠道，單個降水井的影響范圍有限，無法覆蓋整個渠道，且距離較大的降水井之間相互作用也有限．因此，對于南水北調中線工程渠道的降水設計，應用大井法會產生較大誤差．對于特大型基坑，分段設計是一種可行的方法．如胡煥榮等［2］針對大面積環狀基坑的降水設計工程，采用截取計算單元法進行降水設計，但沒有闡明分段的依據;耿會勇［3］針對長大隧道的基坑，根據開挖深度、維護情況等的不同將基坑分為12 個小區域分別進行降水設計，但是針對地質情況均勻的大區域基坑降水的情況沒有涉及．針對南水北調工程長寬比特大渠道降水設計，鮮有論文涉及．筆者以南水北調中線工程溫博Ⅱ標段樁號為HZ17 +000—HZ18 +000 施工段為例，針對地質情況差異不大、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，用大井法進行渠道降水設計．

Modflow 是專門進行水文地質數值計算的模擬軟件，在降水效果分析中應用較多［4］．在此運用Visual Modflow 軟件對降水效果進行模擬分析．

1 工程概況

南水北調中線工程溫博Ⅱ標段位于焦作市溫縣和博愛縣境內． 工程區屬黃沁沖積平原，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．在區域上位于華北準地臺黃淮海拗陷的西部邊緣，新構造分區屬于華北斷陷—隆起區和豫皖隆起—拗陷區的交接部位．該區域主要揭露的地層巖性為人工回填土(渠道開挖棄土)、黃土狀重粉質壤土和中細砂等，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，0 ～6 m 不等，巖性以粉質壤土和少量碎石為主．

2)黃土狀重粉質壤土(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%． 含少量鈣質結核，局部夾薄層黃土狀輕粉質壤土、黃土狀重粉質壤土、砂壤土及粉砂．

3)中細砂(alQ4):灰黃色，厚度7．8 m 左右． 中密—密實，飽和．

工程區屬于黃沁沖積平原，地下水開采深度范圍內地層為第四系松散層，場區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、側向徑流補給，以蒸發側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砂和中砂層中，埋深15 ～20 m，單層厚度5 ～10 m，屬中—強透水，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向徑流補給，消耗于側向徑流和人工開采．

2 HZ17—HZ18 施工段抽水試驗

溫博Ⅱ標段總干渠的開挖是分段進行的． 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，該區域平均地下水位為104．5 m，含水層厚度為19 m，施工水位應控制在渠底0．5 m 以下，故降深應為5．5 m．現場抽水試驗是確定含水層水文地質參數的重要方法［5］． 為探明該區域含水層的水文地質參數，在樁號HZ17 +569 處做了一組抽水試驗，試驗井為單孔3 落程的完整井．抽水試驗共歷時15 d，試驗結果見表1 和如圖1 所示．該試驗井的Q －Δh2關系曲線呈直線，根據《水利水電工程鉆孔抽水試驗規程》(SL 320—2005)，可求得綜合滲透系數為2．19 m3/d．

表1 抽水試驗結果

圖1 試驗井Q－Δh2 關系曲線

3 大井法降水設計

3．1 降水井影響半徑

降水井均為潛水完整井，應用庫薩金公式

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，m3/d．

在此，S=5．5 m，H=19 m，K =2．19 m3/d，由式(1)計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，單個降水井無法影響整個渠道． 根據大井法思想進行概化計算引用半徑時，其誤差較大．為探求合理的分段長度，設定3 種分段工況進行研究: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．

根據文獻［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;根據式(2)計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

單井出水量根據阿布拉莫夫經驗公式計算，

式中:r 為過濾器內徑，m;L 為過濾器長度，m．

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

3．4 渠道涌水量

根據大井法的思想，將渠段視為大的潛水完整井，其涌水量計算公式為

根據式(4)計算得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 降水井井數

計算降水井井數時要乘以一個1．1 ～1．2 的系數，這里取1．1，井數計算公式為

工況1:150 m 長的渠段要布置降水井數為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 個角點各1 口，中間等距布置．

依照前述大井法降水設計方案，3 種工況的設計結果見表2．

表2 3 種工況設計結果

4 Visual Modflow 數值模擬

Visual Modflow 是目前最新流行且被各國同行一直認可的三維地下水流和溶質運移模擬評價的標準可視化專業軟件系統［7］，在地下水模擬領域中具有很強的實用性．對于降水設計和降水效果分析，該軟件已經成功應用于眾多工程實例中［4，8－9］．

4．1 條件概化

由于施工段HZ17—HZ18 段水文地質條件較為簡單，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，下層重粉質壤土為隔水層． 實施降水過程中，影響含水層水位變化的主要為降水井抽水，其他匯源項對含水層短時間內的影響可以忽略［10］．

4．2 模型建立

模型范圍以渠線為中心，向四邊擴展，長1 200 m，寬1 000 m．差分網格為20 m×20 m，在渠道區域將網格加密．地層分為兩層，上層為含水層，滲透系數根據抽水試驗所得為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． 降水井定義在設計位置，流量均為146．79 m3/d．

4．3 模擬結果分析

對上述模型進行三維非穩定流計算，工況1—3的計算結果如圖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，降深值越小;在渠道兩側80 m 范圍內，地下水水位有變化，80 m 以外地下水水位無變化;渠道內沿長軸方向，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10．0 m 以上，遠遠超過降深需求．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，符合降水設計要求．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:計算區域沿著渠道長軸和短軸方向降深值變化規律與工況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，且無法滿足降水設計要求．

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，無法滿足降水設計要求．

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 種工況下的降水設計可知，隨著分段長度增大，渠道引用半徑增大，渠道總涌水量減小，設計的井數減少，降水效果變差．

綜上所述，在應用大井法進行渠道降水設計時，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，降水設計合理可行．

5 結 語

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

2)對于細長條型渠道，沿長軸方向，中部的降水效果要好于兩端，在進行降水施工時應注意兩端的實際降水情況．

3)應用大井法對渠道進行分段降水設計時，采用降水井影響半徑的2 倍長度作為分段依據，合理可行，且分段長度越大，其降水效果越差．

4)研究區位于沖積平原，地勢平坦，水文地質條件較簡單，在此僅以降水井的影響半徑作為分段標準．若工程區的工程地質條件和水文地質條件復雜，在應用大井法進行分段降水設計時，分段的依據應考慮更多因素．

［1］陳幼雄．井點降水設計與施工［M］． 上海:上海科學普及出版社，2004．

［2］胡煥榮，鄧林，姚建兵，等．大面積環狀基坑降水設計與施工技術［J］．建筑技術，2013，44(1):14 －16．

［3］耿會勇．長江漫灘地區長大隧道分區降水設計與應用研究［J］．石家莊鐵道大學學報:自然科學版，2013，26(S2):212 －214．

［4］張延軍，趙龍，祁福利，等．降水效果的數值分析和設計優化研究［J］．巖土力學，2008，29(10):2673 －2677．

［5］曹劍鋒，遲寶明，王文科，等． 專門水文地質學［M］．3版．北京:科學出版社，2006．

［6］中國建筑科學研究院．JGJ 120—99 建筑基坑支護技術規程［S］．北京:中國建筑工業出版社，1999．

［7］Nilson Guigure．Waterloo Hydrogeologic Visual Modflow User's Manual［M］．Ontario:Ontario Canada Waterloo Hydrogeologic Inc．，2004．

［8］楊強，丁偉翠，王洪德，等．Visual Modflow 在基坑降水設計中的應用［J］．中國給水排水，2009，25(20):97－101．

［9］李志萍，韓亞，劉攀峰，等．渠道排水方案優化設計［J］．華北水利水電大學學報:自然科學版，2014，35(1):26－29．

［10］吳彬，劉磊，黨建新． Modflow 在石河子某工程基坑降水設計中的應用［J］． 新疆農業大學學報，2010，33(4):369 －372．