基于Visual MODFLOW邊界條件對綿陽市“三江·國際麗城”Ⅱ期基坑降水工程抽水量影響分析

尹霄，馬運超，劉泳伶

基于Visual MODFLOW邊界條件對綿陽市“三江·國際麗城”Ⅱ期基坑降水工程抽水量影響分析

尹霄，馬運超，劉泳伶

（四川省綿陽川西北地質(zhì)工程勘察有限責任公司，四川 綿陽 621000）

綿陽市砂卵石地區(qū)以管井降水為主，基坑降水多采用解析解—大口井簡化的方式進行降水設(shè)計，對距河流較近區(qū)，實際與計算結(jié)果偏差較大。本文基于降水工程監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，建立水文地質(zhì)模型和地下水流數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值解方式分析邊界條件對綿陽市“三江·國際麗城”Ⅱ期基坑降水工程影響，模型擬合度高，對河流邊界的基坑降水工程，應(yīng)考慮邊界條件確定單井抽水量。

Visual MODFLOW；數(shù)值模擬；抽水量

1 Visual MODFLOW的應(yīng)用

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。visual MODFLOW（1996）曾是國際上流行的三維地下水流和溶質(zhì)運移模擬評價的可視化專業(yè)軟件。該軟件在集成 MODFLOW-96、WinPEST、T3D99、MODPATH、 MT3D 等基礎(chǔ)上，建立了合理的 Windows 菜單界面與可視化功能，增強了模型數(shù)值的應(yīng)用性。界面設(shè)計前處理、計算和后處理三大聯(lián)系又相對獨立模塊（張洪霞和宋文，2007；沈媛媛等，2009；吳劍鋒和朱學(xué)愚，2000）。本次工作利用 Visual MODFLOW 軟件，建立研究區(qū)基坑降水地下水流數(shù)值模擬模型，研究地下水穩(wěn)定水位變化、補給排泄量，為基坑降水設(shè)計提供模擬數(shù)據(jù)。

2 研究區(qū)工程背景

2.1 場地環(huán)境

綿陽市經(jīng)開區(qū)。氣候?qū)俦眮啛釒降貪駶櫦撅L氣候區(qū)，年均降水量825.8～1417.0mm。涪江為最主要地表水系，平均流量達到572m3/s（圖1）。

圖1 場地分層圖

2.2 工地質(zhì)條件

研究區(qū)屬于涪江右岸Ⅰ級階地，地面高程425.00～495.00m。地層有第四系全新統(tǒng)人工堆積素填土、雜填土；第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)粘土、粉土、砂土、碎石土；基巖為侏羅系上統(tǒng)七曲寺組泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。

2.3 水文地質(zhì)條件

地下水埋深約5.00～10.00m，主要為孔隙潛水，全新統(tǒng)沖洪積含水層厚大于15.00m，單井涌水量2000m3/d，單井抽水試驗獲取滲透系數(shù)84m/d。受地表入滲、地下徑流和涪江上游補給，于涪江下游排泄。穩(wěn)定水位受季節(jié)影響大，枯、豐水期地下水位變幅為1.00～2.00m。

3 工程數(shù)據(jù)

基坑降水時段四周無地下水回灌、地下水抽排等影響。基坑采用潛水完整井管井降水，降水井內(nèi)徑300mm，井深17.50m，井間距12.00m，布置降水井30口（J01—J30），卵石土層段設(shè)置濾水管，潛水泵24小時抽水。工程降水達到穩(wěn)定流時間48d，各降水井井內(nèi)穩(wěn)定水位采集數(shù)據(jù)見表1，總出水量約34560m3/d（降水井J07—J16單井抽水量1536m3/d，其他降水井單井抽水量960m3/d）（表1）。

表1 工程采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 地下水數(shù)值模擬

4.1 數(shù)學(xué)概念模型

多孔介質(zhì)中地下水流動的三維有限差分數(shù)學(xué)模型可用偏微分方程來表示（薛禹群，1986）：

初始條件方程：│t=0=H∈Ω

邊界條件方程：│F=∈Ω

式中：K、K、K是滲透系數(shù)在、、方向上的分量；為水頭（）；為單位體積流進或流出的水量；F為已知水頭邊界；為已知水頭邊界水位（）；為時間（T）。

4.2 水文地質(zhì)概念模型

將研究區(qū)概化為潛水含水層（砂卵石含水層），及下伏隔水層（基巖層），地下水主要為地表入滲、地下徑流、河流側(cè)向補給，人工抽水排泄；傍河地段接受河流側(cè)向徑流補給(反補)，河流為定水頭定流量邊界。

4.3 模擬范圍及網(wǎng)格

表2 水文地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計

項目第一層第二層 滲透系數(shù)(m/s)Kx9.72×10-41×10-11 Ky9.72×10-41×10-11 Kz9.72×10-51×10-12 給水度0.17-- 入滲系數(shù)0.18--

表3 涪江邊界條件參數(shù)

項目起點終點 河水位（m）448437 河床底高（m）442430 河床厚度（m）0.702.50 河流滲透系數(shù)（m/s）0.1 河流寬度（m）700

根據(jù)群井影響半徑599.89m，確定模型面積1.76km2。進行矩形網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格為20m×20m，剖分55行80列，有效單元計4400個。根據(jù)地形圖、巖土工程勘察資料，地面及各巖土層離散點高程采用反距離插入方式確定。

4.4 水文地質(zhì)參數(shù)

垂向上，第一層為潛水含水層，概化為均質(zhì)各向同性三維穩(wěn)定地下水流；第二層為隔水層，相關(guān)參數(shù)見表2。

4.5 初始條件

初始水頭為潛水水位，該地區(qū)地下水埋深5.00～10.00m，根據(jù)研究區(qū)范圍既有井點、巖土工程勘察、地形圖等資料確定離散點初始水頭。

4.6 邊界條件

降水區(qū)距涪江最近距離100m，對基坑降水穩(wěn)定水位、排泄量、地下水等水位線影響顯著，模型以涪江作為定水頭定流量河流邊界條件進行運算（陳葆仁和洪再吉，1988；鄭環(huán)，2008；盧文喜，2003），其相關(guān)參數(shù)見表3。

4.7 均衡區(qū)建立

以基坑降水區(qū)域建立均衡區(qū)，確定均衡區(qū)補給量、河流補給量、排泄量以及降水井排泄量。

4.8 模擬結(jié)果及分析

運用Visual MODFLOW的程序包WHS迭代求解。

1） 各降水井井內(nèi)模擬穩(wěn)定水位（表4）；

2）均衡區(qū)補給總水量32169.34m3/d，其中河流補給水量24673.19m3/d，占總補給水量76.70%；排泄水量32169.30m3/d，降水井排泄量32064m3/d，占總排泄水量99.67%?？傃a給水量與總排泄水量均衡，僅差0.04m3/d，研究區(qū)處于穩(wěn)定流，屬正均衡狀態(tài)（見圖2、圖3）。

表4 各降水井模擬穩(wěn)定水位統(tǒng)計

3）地下水模擬流場與實測流場形態(tài)基本一致，地下水流向總體沿原流向，基坑降水區(qū)域為匯水區(qū)（見圖4）。

5 結(jié)論

1）工程采集降水井水位降深與模擬降水井水位降深最大擬合誤差為0.483m（＜0.50m），擬合度98.18%（見圖5）；

2）觀測降水井排泄量與模擬降水井排泄量吻合度92.78%；

3）對于距河流邊界較近的基坑降水工程中河流補給水量占比較大，基坑降水工程應(yīng)重視邊界條件確定其單井抽水量；

4）Visual MODFLOW模擬地下水動態(tài)變化吻合度較高。

圖2 均衡區(qū)補給水量與排泄水量

圖3 均衡區(qū)降水井排泄量

圖4 穩(wěn)定流地下水位等水位

圖5 穩(wěn)定水位折線圖

6 結(jié)語

由于水文地質(zhì)資料不足，本文對水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)不夠詳細；今后需進一步勘查水文地質(zhì)條件，獲取分布參數(shù)，提升模擬成果。

張洪霞，宋文．2007．地下水數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀與展望[J]．水利科技與經(jīng)濟，13(11)：794-796．

沈媛媛，蔣云鐘，雷曉輝，王明娜．2009．地下水數(shù)值模型在中國的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，7(1)：57-61．

吳劍鋒，朱學(xué)愚．2000．由MODFLOW淺談地下水流數(shù)值模擬軟件的發(fā)展趨勢[J]．工程勘察，（02）：12-15．

薛禹群．1986．地下水動力學(xué)原理[M]．北京：地質(zhì)出版社．

GHASSEMI F，MOLSON J W，F(xiàn)ALKLAND A．1999.Three-dimensional simulation of the Home Island freshwater lens：preliminary results[J]．Environmental Modelling&Software， 14： 181-190.

陳葆仁，洪再吉等．1988．地下水動態(tài)及其預(yù)測[M]．北京：科學(xué)出版社.

鄭環(huán)．2008．現(xiàn)代地下水資源數(shù)值模擬技術(shù)研究[J]．節(jié)水灌溉，（07）：37-41.

盧文喜．2003．地下水運動數(shù)值模擬過程中邊界條件問題探討[J]．水利學(xué)報，（03）：33-36.

Influence Factors of Pumping Quantity in Foundation Pit Dewatering Engineering of the Second Phase Project of the Sanjiang International Beautiful City, Mianyang Based on Visual MODFLOW Boundary Condition

YIN Xiao MA Yun-chao LIU Yong-ling

(Northwest Sichuan Geological Engineering Survey Co. , Ltd., Mianyang, Sichuan 621000)

Tube well dewatering is the main method in sand-cobble area, Mianyang. Analytic solution is often used in foundation pit dewatering. Large well simplification is used for dewatering design. But there is a big deviation between the actual value and the calculated result in areas closer to the river. This paper establishes a hydrogeological model and a mathematical model of groundwater flow which are used for simulating influence factors of pumping quantity in foundation pit dewatering engineering of the second phase project of the Sanjiang International Beautiful City, Mianyang based on Visual ModFlow boundary condition.

Visual MODFLOW;numerical simulation;pumpout; foundation pit dewatering

2020-05-15

尹霄（1991— ），女，四川綿陽人，工程師，研究方向：水文地質(zhì)

TU473

A

1006-0995（2021）02-0264-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.015