堤防建設(shè)中防滲墻對地下水環(huán)境影響分析

趙 峰，董丁碩，張志輝

（1.松遼水環(huán)境科學(xué)研究所，吉林長春130021；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230019；3.長春黃金設(shè)計院，吉林長春130012）

堤防建設(shè)中防滲墻對地下水環(huán)境影響分析

趙 峰1，董丁碩2，張志輝3

（1.松遼水環(huán)境科學(xué)研究所，吉林長春130021；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230019；3.長春黃金設(shè)計院，吉林長春130012）

本文以吉林省段松花江干流治理工程的九臺紅旗大堵截下段堤防段為垂直防滲的典型堤段剖面進行地下水流場二維數(shù)值模擬，對比有無截滲墻時地下水流場特征，討論截滲墻對地下水運動的影響。這樣可以直觀、準確地得到截滲墻對地下水環(huán)境的影響作用大小，可直觀分析堤防建設(shè)對地下水的影響程度，為工程決策提供依據(jù)。

地下水；環(huán)境影響；二維概念模型；防滲墻；數(shù)值模擬

截滲墻主要是用來處理堤防工程中存在的滲流問題，它的實施不僅能有效改善堤身和堤基的滲流狀態(tài)，對地下水流場影響明顯，通過選取實施垂直防滲的典型堤段剖面進行地下水流場二維數(shù)值模擬，對比有無截滲墻時地下水流場特征，討論截滲墻對地下水運動的影響，可以直觀、準確地得到截滲墻對地下水環(huán)境的影響程度。

1 工程概況

吉林省段松花江干流治理工程項目分布于松花江兩岸，設(shè)計堤防護坡工程65處，堤防護坡防滲工程42處，從上游到下游典型防滲段有紅旗大堵截段、張家坨子堤防段、平底泡堤段、泔水缸堤防段。數(shù)值模擬反映的趨勢基本一致，此次以九臺紅旗大堵截下段堤防段為例進行討論。

典型堤段水泥土垂直防滲墻示意圖見圖1。

圖1 水泥土垂直防滲墻示意圖

2 地下水數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

九臺紅旗大堵截下段堤防段地表包氣帶巖性主要為亞粘土，往下為粗砂含水層、礫石含水層，含水層較厚，再往下為亞粘土隔水層。此次剖面模擬通過滲透系數(shù)控制不同含水層在水平方向和垂直方向上的滲透性，將剖面概化為均質(zhì)各向異性含水層。工程區(qū)地下水流的天然水力梯度很小，在水平方向上流動相對比較緩慢，滲流基本符合達西定律，地下水流形式可以概化為剖面二維流。

2.2 數(shù)學(xué)模型及求解方法

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型及邊界條件，建立均質(zhì)各向異性二維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型來模擬剖面地下水流特征。

式中：Ω——剖面滲流區(qū)域；h——含水層水位標高，m；Kx，Kz分別為水平方向和垂向上的滲透系數(shù)，m/d；w——源匯項，m/d；h1——水頭邊界上水頭分布，m；T——含水層導(dǎo)水系數(shù)，m/d；B1——水頭邊界；B2——流量邊界；q(x ，z)——流量邊界單寬流量，m/d，流入為正，流出為負，隔水邊界為0（流線邊界視為零流量邊界）。

此次模擬采用GMS軟件對地下水流數(shù)值模型求解。GMS的MODFLOW模塊采用有限差分法對數(shù)學(xué)模型進行離散，對于數(shù)據(jù)的插值計算一般采用克里金法，模型求解一般采用PCG2法。

2.3 模型建立

2.3.1 模型離散

根據(jù)典型堤段剖面模擬范圍，及堤壩和防滲墻設(shè)計標準，此次建模網(wǎng)格大小剖分為2 m×1 m，共13 780個，其中參與模擬的網(wǎng)格共13 251個。

2.3.2 水文地質(zhì)參數(shù)初值

含水層及弱透水層的滲透性通過不同單元格的滲透系數(shù)來控制。剖面地層巖性主要是亞粘土，根據(jù)當?shù)爻樗囼灱敖?jīng)驗值進行賦值；堤防及水泥土垂直防滲墻滲透系數(shù)根據(jù)設(shè)計值進行賦值，見表1。

表1 紅旗大堵截堤段剖面滲透系數(shù)表

2.3.3 初始水頭設(shè)置

松花江為一類水頭邊界，由于江水主要在汛期補給地下水，采用設(shè)計洪水位作為計算邊界水位；枯水期采用計算水平年枯水期水位作為邊界水位。

2.3.4 源匯項設(shè)置

此次工作主要模擬汛期江水對地下水的補給，向兩側(cè)徑流途中降水補給和蒸發(fā)排泄基本可以忽略；在剖面邊緣為側(cè)向流出邊界，根據(jù)水力坡度計算側(cè)向流出量并賦值。

2.4 模擬結(jié)果及分析

豐水期、枯水期九臺紅旗大堵截下段堤防段防滲前后，有無垂直防滲墻模擬地下水位對比結(jié)果見表2。豐水期、枯水期紅旗大堵截堤段進行垂直防滲后地下水流場見圖1。

表2 紅旗大堵截堤段剖面防滲前后地下水位對比表m

圖1 紅旗大堵截段剖面防滲后地下水流場特征圖

3 結(jié)果分析

從圖1可以看出，修建垂直防滲墻后，在豐、枯水期均出現(xiàn)明顯的垂向繞滲現(xiàn)象，對地下水流場影響明顯，但對地下水位影響不大?？菟谧杷畟?cè)產(chǎn)生一定的水位雍高，但水位變化較小。根據(jù)模型計算結(jié)果，在同一位置，阻水側(cè)防滲后地下水位略高于沒有修建防滲墻時的地下水位，防滲后最大雍高值為19 cm；當距離為200 m時，防滲后水位雍高值為12 cm左右，隨著與防滲墻距離的增加，影響逐漸減小，當距離為600 m時，水位雍高值僅為6 cm左右，產(chǎn)生的影響很小。因此，防滲墻對地下水流場有一定的影響，枯水期垂直防滲墻有減緩地下水補給江水的作用，但對地下水位影響相對較小。

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2017-07-04