大井法分段降水设计在南水北调中线工程中的应用

刘汉东，朱 华，王东东，李小超

(1．华北水利水电大学，河南 郑州 450045;2．福建省建研勘察设计院，福建 福州 350000;3．江西省电力设计院，江西 南昌 330096)

基坑降水设计以大井法为主．在大井法中，利用井群降水的基坑被概化为圆形大井，计算引用半径和涌水量进行降水设计［1］． 对于长宽比较小的基坑，降水井群位于基坑周围，单个降水井对整个基坑的降水效果有影响，且降水井相互之间也有影响，概化效果较好．但是，对于南水北调工程这种长宽比特大的渠道，单个降水井的影响范围有限，无法覆盖整个渠道，且距离较大的降水井之间相互作用也有限．因此，对于南水北调中线工程渠道的降水设计，应用大井法会产生较大误差．对于特大型基坑，分段设计是一种可行的方法．如胡焕荣等［2］针对大面积环状基坑的降水设计工程，采用截取计算单元法进行降水设计，但没有阐明分段的依据;耿会勇［3］针对长大隧道的基坑，根据开挖深度、维护情况等的不同将基坑分为12 个小区域分别进行降水设计，但是针对地质情况均匀的大区域基坑降水的情况没有涉及．针对南水北调工程长宽比特大渠道降水设计，鲜有论文涉及．笔者以南水北调中线工程温博Ⅱ标段桩号为HZ17 +000—HZ18 +000 施工段为例，针对地质情况差异不大、长宽比特大的渠道，以不同长度(降水井影响半径的2 倍、将渠道分为3 段、不分段)作为分段依据，用大井法进行渠道降水设计．

Modflow 是专门进行水文地质数值计算的模拟软件，在降水效果分析中应用较多［4］．在此运用Visual Modflow 软件对降水效果进行模拟分析．

1 工程概况

南水北调中线工程温博Ⅱ标段位于焦作市温县和博爱县境内． 工程区属黄沁冲积平原，地形较平坦、开阔，两岸地面高程105．80 ～108．78 m，地势微向东南倾斜．在区域上位于华北准地台黄淮海拗陷的西部边缘，新构造分区属于华北断陷—隆起区和豫皖隆起—拗陷区的交接部位．该区域主要揭露的地层岩性为人工回填土(渠道开挖弃土)、黄土状重粉质壤土和中细砂等，局部夹砂壤土及粉砂．

1)人工填土(rQ4):厚度与施工段及开挖回填深度有关，0 ～6 m 不等，岩性以粉质壤土和少量碎石为主．

2)黄土状重粉质壤土(alQ4):灰黄—黄褐色，底层高程87．44 ～97．43 m，厚度9．1 ～19．7 m，平均黏粒含量22．9%． 含少量钙质结核，局部夹薄层黄土状轻粉质壤土、黄土状重粉质壤土、砂壤土及粉砂．

3)中细砂(alQ4):灰黄色，厚度7．8 m 左右． 中密—密实，饱和．

工程区属于黄沁冲积平原，地下水开采深度范围内地层为第四系松散层，场区地下水可划分为第四系松散层孔隙潜水和第四系松散层孔隙承压水．

第四系松散层孔隙潜水主要赋存于黄土状壤土和粉质壤土中，厚度一般为15 ～20 m，局部大于20 m．水位高程为101 ～105 m，埋深一般为2 ～6 m，属弱透水，赋水条件较差．潜水主要接受大气降水入渗、侧向径流补给，以蒸发侧向径流及人工开采方式排泄．

第四系孔隙承压水主要赋存于粉细砂和中砂层中，埋深15 ～20 m，单层厚度5 ～10 m，属中—强透水，赋水条件好．承压水位高程101 ～105 m，承压水头10 ～18 m，和上部潜水水位基本一致，承压不明显或具有弱承压性． 承压水主要接受上游地下水侧向径流补给，消耗于侧向径流和人工开采．

2 HZ17—HZ18 施工段抽水试验

温博Ⅱ标段总干渠的开挖是分段进行的． 以HZ17—HZ18 施工段为例，该段渠道长1 000 m，宽22 m，渠底高程为99．5 m，该区域平均地下水位为104．5 m，含水层厚度为19 m，施工水位应控制在渠底0．5 m 以下，故降深应为5．5 m．现场抽水试验是确定含水层水文地质参数的重要方法［5］． 为探明该区域含水层的水文地质参数，在桩号HZ17 +569 处做了一组抽水试验，试验井为单孔3 落程的完整井．抽水试验共历时15 d，试验结果见表1 和如图1 所示．该试验井的Q －Δh2关系曲线呈直线，根据《水利水电工程钻孔抽水试验规程》(SL 320—2005)，可求得综合渗透系数为2．19 m3/d．

表1 抽水试验结果

图1 试验井Q－Δh2 关系曲线

3 大井法降水设计

3．1 降水井影响半径

降水井均为潜水完整井，应用库萨金公式

式中:R0为降水井影响半径，m;S 为降深，m;H 为含水层厚度，m;K 为综合渗透系数，m3/d．

在此，S=5．5 m，H=19 m，K =2．19 m3/d，由式(1)计算得降水井影响半径为71 m．

渠道长1 000 m，降水井的影响半径仅为71 m，单个降水井无法影响整个渠道． 根据大井法思想进行概化计算引用半径时，其误差较大．为探求合理的分段长度，设定3 种分段工况进行研究:工况1 分段长度为降水井影响半径的2 倍，取150 m;工况2 将渠道等分成3 段，即每段333 m;工况3 不分段，即1 000 m．

3．2 渠道引用半径

渠道引用半径为

式中:r0为渠道引用半径，m;A 为渠道长度，m;B 为渠道宽度，m;N 为长宽比系数．

根据文献［1］，N 取值为1． 1;在此，B 值为22 m;3 种工况下A 值分别为150，333，1 000 m;根据式(2)计算的渠道引用半径分别为47． 3，88．0，255．5 m．

3．3 单井出水量

单井出水量根据阿布拉莫夫经验公式计算，

式中:r 为过滤器内径，m;L 为过滤器长度，m．

在此r=0．2 m，L=1．5 m，根据式(3)计算可得单井出水量为146．79 m3/d．

3．4 渠道涌水量

根据大井法的思想，将渠段视为大的潜水完整井，其涌水量计算公式为

根据式(4)计算得3 种工况下渠道总涌水量分别为8 954．30，6 244．50，5 021．01 m3/d．

3．5 降水井井数

计算降水井井数时要乘以一个1．1 ～1．2 的系数，这里取1．1，井数计算公式为

工况1:150 m 长的渠段要布置降水井数为10口，1 000 m 长的渠道可分为7 段，前6 段均为150 m，每段均布置10 口降水井，第7 段长100 m，布置6 口降水井，共布置66 口降水井．工况2:共布置降水井44 口．工况3:共布置降水井38 口． 渠道为长条形，采用双排布井方式，位置在渠道边缘向外1 m，1 000 m长的渠道4 个角点各1 口，中间等距布置．

依照前述大井法降水设计方案，3 种工况的设计结果见表2．

表2 3 种工况设计结果

4 Visual Modflow 数值模拟

Visual Modflow 是目前最新流行且被各国同行一直认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统［7］，在地下水模拟领域中具有很强的实用性．对于降水设计和降水效果分析，该软件已经成功应用于众多工程实例中［4，8－9］．

4．1 条件概化

由于施工段HZ17—HZ18 段水文地质条件较为简单，承压水头与上部潜水头一致，承压不明显或具有弱承压性，故将其概化为两层，上层为潜水含水层，下层重粉质壤土为隔水层． 实施降水过程中，影响含水层水位变化的主要为降水井抽水，其他汇源项对含水层短时间内的影响可以忽略［10］．

4．2 模型建立

模型范围以渠线为中心，向四边扩展，长1 200 m，宽1 000 m．差分网格为20 m×20 m，在渠道区域将网格加密．地层分为两层，上层为含水层，渗透系数根据抽水试验所得为2．19 m3/d，下层为隔水层．初始水头为104．5 m，在模型的四周定义为定水头边界，水头值为初始水头． 降水井定义在设计位置，流量均为146．79 m3/d．

4．3 模拟结果分析

对上述模型进行三维非稳定流计算，工况1—3的计算结果如图2—7 所示．

图2 与图3 为工况1 的降深等值线及渠道中轴线剖面降深图．由图2 可知:沿渠道短轴方向，距离渠道越远，降深值越小;在渠道两侧80 m 范围内，地下水水位有变化，80 m 以外地下水水位无变化;渠道内沿长轴方向，中间降深值较大，越向两端降深值越小，但均满足5．5 m 降深要求;在降水井附近，局部降深较大，达10．0 m 以上，远远超过降深需求．由图3 可知，渠道中轴线剖面降深值均大于6．0 m，中间降深值最大为11．0 m，符合降水设计要求．因此，该工况下降水方案可以满足降水要求，降水效果较好．

图2 工况1 降深等值线图(单位:m)

图3 工况1 渠道中轴线剖面降深图

图4 和图5 为工况2 的降深等值线及渠道中轴线剖面降深图．由图4 可知:计算区域沿着渠道长轴和短轴方向降深值变化规律与工况1 类似;水位无变化的范围小于80 m，局部降深最大值为8．0 m，较工况1 小，且部分区域不满足5．5 m 降深要求．由图5 可知:剖面中间降深最大值为7．0 m，但两端部分区域不满足5．5 m 降深要求．因此，该工况下降水效果较工况1 差，且无法满足降水设计要求．

图4 工况2 降深等值线图(单位:m)

图5 工况2 渠道中轴线剖面降深图

图6 和图7 为工况3 的降深等值线及渠道中轴线剖面降深图．由图6 可知:沿渠道长轴和短轴方向降深值变化规律与工况1 类似;水位无变化的范围小于80 m，局部降深最大值为6．0 m，较工况1 和工况2 小，且部分区域不满足5．5 m 降深要求．由图7可知:剖面中间降深最大值为6．0 m，但部分区域不满足5．5 m 降深要求．因此，该工况下降水效果较工况1 和工况2 差，无法满足降水设计要求．

图6 工况3 降深等值线图(单位:m)

图7 工况3 渠段中轴线剖面降深图

通过对比3 种工况下的降深等值线和渠道中轴线剖面降深可知:渠道内沿长轴方向中部降深值大，两端小;随着分段长度的增大，引起地下水位变化的范围减小，降深最大值减小，降水效果变差．

分析3 种工况下的降水设计可知，随着分段长度增大，渠道引用半径增大，渠道总涌水量减小，设计的井数减少，降水效果变差．

综上所述，在应用大井法进行渠道降水设计时，分段长度的大小直接影响降水效果． 将降水井影响半径的2 倍作为分段长度，降水设计合理可行．

5 结 语

1)大井法对于常规长宽比不大的渠道降水设计，概化效果好．但对于长宽比较大的渠道，其概化的误差较大，生搬硬套大井法进行降水设计，降水效果差，不能满足工程需要．

2)对于细长条型渠道，沿长轴方向，中部的降水效果要好于两端，在进行降水施工时应注意两端的实际降水情况．

3)应用大井法对渠道进行分段降水设计时，采用降水井影响半径的2 倍长度作为分段依据，合理可行，且分段长度越大，其降水效果越差．

4)研究区位于冲积平原，地势平坦，水文地质条件较简单，在此仅以降水井的影响半径作为分段标准．若工程区的工程地质条件和水文地质条件复杂，在应用大井法进行分段降水设计时，分段的依据应考虑更多因素．

［1］陈幼雄．井点降水设计与施工［M］． 上海:上海科学普及出版社，2004．

［2］胡焕荣，邓林，姚建兵，等．大面积环状基坑降水设计与施工技术［J］．建筑技术，2013，44(1):14 －16．

［3］耿会勇．长江漫滩地区长大隧道分区降水设计与应用研究［J］．石家庄铁道大学学报:自然科学版，2013，26(S2):212 －214．

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［10］吴彬，刘磊，党建新． Modflow 在石河子某工程基坑降水设计中的应用［J］． 新疆农业大学学报，2010，33(4):369 －372．