基于Visual Modflow軟件的群孔抽水試驗?zāi)M

趙激光

（中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200070）

0 引言

上海軟土地區(qū)修建地鐵車站，基坑止水帷幕采用地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻能夠阻擋潛水含水層對地鐵車站基坑穩(wěn)定的影響。因此，地下水對基坑的影響主要考慮承壓含水層。承壓水視為無補給來源的無限含水層，短期抽水試驗，承壓水水位不斷下降，試驗是非穩(wěn)定流抽水。此外，承壓含水層上下存在弱透水層，抽水過程中會出現(xiàn)越流補給。地下連續(xù)墻阻斷地下水的水平向流動，地下水流動以垂直向為主導(dǎo)，抽水井附近及止水帷幕底端局部存在不適于達西定律的情況。因此，對于承壓水層進行抽水試驗研究是一個復(fù)雜的問題，采用解析法計算的抽水試驗參數(shù)比較繁瑣且誤差較大。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，采用計算機對地下水滲流進行數(shù)值模擬，使得復(fù)雜含水層的抽水試驗的問題得到解決。地下水?dāng)?shù)值模擬模型MODFLOW是由美國地質(zhì)調(diào)查局的McDonald和Harbaugh于20世紀80年代開發(fā)的用于孔隙介質(zhì)的三維有限差分地下水流數(shù)值模擬模型[1]。Visual Modflow 是由加拿大Waterloo 水文地質(zhì)公司在Modflow的基礎(chǔ)上開發(fā)研制的，是目前國際上流行的三維地下水流和溶質(zhì)運移模擬評價的標準可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)[2]。Visual Modflow可以仿真模擬深基坑降水過程中地下水位的變化情況[3]。Visual Modflow 相較其他模型而言，可視化功能強大，求解方法簡單，適用范圍廣泛，數(shù)值模擬能力出色且操作簡單[4]。

基于Visual Modflow軟件進行地下水滲流數(shù)值模擬，反演出合理的計算模型水力學(xué)參數(shù)，逐漸成為降水試驗的一種常規(guī)手段，廣泛應(yīng)用于軟土地區(qū)地鐵基坑水文地質(zhì)勘察中。本文就該軟件在群孔抽水試驗中的運用進行介紹和分析。

1 工程概況

擬建地鐵車站工程全長536m，站型為地下三層，島式車站，主體結(jié)構(gòu)為單柱雙跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)為1200mm厚地下連續(xù)墻?；硬捎妹魍陧樧鞣ㄊ┕?，基坑開挖深度約25.87～27.82m。

2 水文地質(zhì)條件

本工程位于長江三角洲沖積平原區(qū)，根據(jù)勘察結(jié)果，場地揭露地層為第四紀全新世（Q4）濱?！涌?、晚更新世（Q3）濱?！珳\海相沉積地層，主要由黏性土、粉性土及粉砂組成。

擬建工程場地屬于太湖流域黃浦江水系。地下水根據(jù)成因類型可分為孔隙潛水和（微）承壓水。潛水主要賦存于淺部填土、黏性土、粉性土中。微承壓水主要分布在⑤2層黏質(zhì)粉土中，⑤2層與⑦2層水力聯(lián)系弱，基坑止水帷幕埋深在⑤2層層底，基坑范圍采用疏干降水處理。承壓水主要分布在⑦2層粉砂、⑧2層粉質(zhì)黏土夾粉砂和⑨層粉砂中。⑦2層與⑧2層兩層承壓水之間⑧1層作為隔水層。⑦2層與⑧2層水力聯(lián)系弱。本次群孔抽水試驗對相鄰含水層越流補給影響的⑧2層水文地質(zhì)參數(shù)進行確定。

3 抽水試驗

抽水試驗設(shè)置82Y1～82Y3三個抽水試驗孔，82G1～82G4四個觀測孔，孔深為65～68m?？孜徊贾靡妶D1。

圖1 抽水孔及觀測孔布置示意圖

群孔抽水期間，82Y1～82Y3作為抽水孔，剩余為觀測孔。抽水歷時約8d，各觀測孔水位穩(wěn)定，滿足群孔抽水試驗停抽要求。

4 數(shù)值模擬反演

4.1 含水層的結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)建立數(shù)值模型，考慮基坑面積及抽水影響半徑，確定模型尺寸800×800（m）。行列間距按照20m間距設(shè)置，核心區(qū)按照2m進行加密，模型層厚按照100m設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)最外邊緣按定水頭考慮。網(wǎng)格立體剖分圖見圖2。

圖2 離散模型網(wǎng)絡(luò)三維圖

4.2 模型調(diào)整優(yōu)化

根據(jù)抽水試驗所得參數(shù)，對模型進行初步賦值。模型的建立往往會忽略一些次要因素，因此模型不能準確代表實際系統(tǒng)，此時需要通過模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行反演，實際模型參數(shù)最終通過不斷地調(diào)整及優(yōu)化確定。

4.3 水力特征

天然孔隙含水層中的地下水流的Reynolds數(shù)和裂隙中地下水流的水力坡度，遠小于臨界Reynolds數(shù)和臨界水力坡度，天然地下水多處于層流狀態(tài)[5]。地下含水層隨地層呈層狀分布，不同的含水層滲透系數(shù)不同。因此，一般建立模型時，可以根據(jù)場地實際地層確定含水層。地層相同，地質(zhì)參數(shù)相近，可視為均質(zhì)含水層，在水平方向上視為各向同性介質(zhì)。垂直方向上地層不同，滲透系數(shù)各異，例如黏性土滲透系數(shù)很小，視為隔水層，阻礙地下水的垂向運動，因此垂向視為各向異性介質(zhì)。

地下水的流動在含水層中以水平向為主，垂向為輔。相鄰含水層為透水層或弱透水層，在抽水的情況下，會產(chǎn)生明顯的層間越流，形成三維地下水滲流場。地下水流是連續(xù)的，取地下水微單元體進行分析，根據(jù)地下水質(zhì)量守恒關(guān)系，進入離散的單元體水的質(zhì)量與流出單元體質(zhì)量差等于單元體內(nèi)液體質(zhì)量的變化。根據(jù)地下水流連續(xù)方程及邊界條件，建立地下水三維非穩(wěn)定流模型。

4.4 模擬期及應(yīng)力期確定

根據(jù)有效應(yīng)力原理，隨著水位的下降，水的應(yīng)力減小，土的應(yīng)力增加，總應(yīng)力保持不變。抽水試驗抽水時間為8d，因此群孔試驗?zāi)M期及應(yīng)力期為8d。為了準確反應(yīng)模擬曲線變化，本次分三個周期，每個周期外部源匯項的強度保持不變。

4.5 源匯項

源匯項指承壓含水層中流入（源）或流出（匯）項。在Visual Modflow軟件中可以對抽水試驗孔、觀測孔的參數(shù)進行設(shè)置。抽水孔可以設(shè)置過濾管的位置，觀測孔可以設(shè)置水位值。研究區(qū)范圍邊界在抽水試驗影響半徑之外，邊界條件即初始水位，為固定值。

將抽水試驗得到的涌水量值輸入模擬系統(tǒng)，反演獲得模擬水位值，通過模擬水位值與實測值比較，判斷模擬是否有效。

5 模擬結(jié)果分析

通過三維數(shù)值反演分析，獲取的模型參數(shù)如表1所示。

表1 群孔試驗?zāi)Ｐ蛯訁?shù)

通過群孔抽水試驗4個觀測孔的實測降深曲線與三維數(shù)值模擬取得的計算降深曲線進行對比分析，觀測孔水位對比見圖3～6（點：代表實測數(shù)據(jù)，線：代表理論計算數(shù)據(jù)）。

圖3 82G1觀測孔實測水位曲線與模擬水位曲線對比圖

圖4 82G2觀測孔實測水位曲線與模擬水位曲線對比圖

圖5 82G3觀測孔實測水位曲線與模擬水位曲線對比圖

根據(jù)以上圖像分析可知，三維數(shù)值模擬取得的計算降深曲線與實測水位曲線較接近，說明模型建立較為合理。數(shù)值模擬水位降深值與實測水位降深值見表2。

圖6 82G4觀測孔實測水位曲線與模擬水位曲線對比圖

表2 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比

理論上觀測孔距離抽水孔越遠，越接近初始水位，模擬值也一定越接近實測值。本次模擬從82G1觀測孔的模擬降深值與實測水位降深的偏差10.13%，到82G4觀測孔的模擬降深值與實測水位降深的偏差0.68%，呈逐漸減小的趨勢也證實了這一點。實測水位降深值與模擬水位降深值平均偏差2.04%，滿足工程需要。

6 結(jié)束語

通過三維數(shù)值計算得⑧2層滲透系數(shù)Kh=0.18m∕d，Kv=0.01m∕d，貯水率Ss=3.31×10-51∕m。數(shù)值模擬水位變化與實測抽水試驗水位變化相符，說明模型建立較為合理，反演參數(shù)較為準確，反演計算的水文地質(zhì)參數(shù)能代表場地水文地質(zhì)特征。