垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷檢測數(shù)值模擬方法研究

楊 鑄 楊 亮 萬 越

（光大綠保固廢處置（溫嶺）有限公司，浙江 溫嶺 317503）

1 項目概況

為評價危險廢物安全填埋項目垂直防滲工程的完整性，在前期探測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，在防滲結(jié)構(gòu)薄弱/缺陷處設(shè)置5 對試驗井（抽水井/觀測井）（平面布置見圖1）進(jìn)行地下水水文試驗，并應(yīng)用地下水領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的GMS軟件[1]，模擬分析垂直防滲墻缺陷處在不同平面位置、不同深度以及不同規(guī)模大小情形下，根據(jù)模擬計算值和實測數(shù)據(jù)的擬合情況，從而確定與實際缺陷特征相對比較接近的一種情形。

圖1 試驗井平面位置示意圖

2 GMS數(shù)值模擬反演推算技術(shù)路線

利用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件GMS 按照圖2 技術(shù)路線進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬分析。

圖2 GMS 數(shù)值模擬技術(shù)路線圖

3 水文地質(zhì)模型建立

3.1 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分

劃分網(wǎng)格的大小對模型的運(yùn)算精度有非常重要的影響。根據(jù)抽水試驗的影響范圍，在GMS 軟件中，采用規(guī)則的矩形網(wǎng)格，將以試驗井為中心的100m×100m 范圍確定為各組抽水試驗的模擬區(qū)，并劃分為100 行和100 列。在垂直方向上根據(jù)設(shè)置的垂直防滲墻缺陷處特征劃分為2～4層，劃分的網(wǎng)格數(shù)為20000～40000 個單元格。

3.2 含水層概化

根據(jù)場地勘探報告，在地表向下30m 勘探深度范圍內(nèi)均為第四系沉積物，場地表層為素填土，往下依次為新近沉積的粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂等。在勘探深度內(nèi)，有2 個承壓水含水層分布，分別賦存于④層、⑤層、⑥層和⑧層、⑨層、⑩層中，因其間存在⑦層弱透水層，其滲透性較低，⑦層上部和下部的2 個含水層水力聯(lián)系較差，可作為2 個獨立含水層。根據(jù)防滲墻插入情況，抽水井布設(shè)于第⑦層隔水層上部，因此可將模擬區(qū)垂向上概化為2 個含水層，即上部埋深約0～8m 的潛水含水層和8m～20m 下部微承壓含水層，而抽水井抽水主要是以8m～20m 微承壓含水層為主。

3.3 邊界條件概化

模擬區(qū)垂向邊界的概化：以場地內(nèi)潛水含水層自由水面為上邊界，⑦層隔水層作為底面邊界。

模擬區(qū)側(cè)向邊界概化：場地內(nèi)沒有天然水頭邊界和隔水邊界，根據(jù)地下水流向，將模擬區(qū)域側(cè)向邊界確定為零流量邊界和流量邊界[2]。

3.4 源匯項分析

場地淺層地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水和越流補(bǔ)給，排泄主要是以蒸發(fā)和人工抽水形式向外排水。抽水井的濾水管主要位于埋深8m 以下的承壓含水層內(nèi)，且抽水試驗時間較短，期間未有降水，故本次模擬可不用考慮大氣降水和蒸發(fā)帶來的影響。實驗期間抽排地下水即為主要的排泄方式。

3.5 時間離散

模擬區(qū)內(nèi)地下水水位呈現(xiàn)一定的變化趨勢和規(guī)律，為了研究其規(guī)律性，該抽水試驗的模擬識別期定為2019 年2 月25 日—2019 年3 月8 日，該階段包括區(qū)域外部源匯項的強(qiáng)度在一個抽水試驗期間保持不變。

3.6 水文地質(zhì)參數(shù)

建立地下水?dāng)?shù)值模型的關(guān)鍵因素還有水文地質(zhì)參數(shù)的賦值，滲透系數(shù)是本次地下水模擬主要考慮的水文地質(zhì)參數(shù)[3]。水文地質(zhì)參數(shù)主要是潛水含水層與承壓含水層滲透系數(shù)以及模擬區(qū)試驗井之間防滲墻的滲透系數(shù)，開始參數(shù)將預(yù)估值作為參考，模型參數(shù)識別后為確定值。

3.7 模型識別

根據(jù)構(gòu)建的模擬區(qū)水文地質(zhì)模型，模擬分析地層的水文地質(zhì)參數(shù)，是模型識別環(huán)節(jié)關(guān)鍵且很重要的一步[4]。建立模型時需要對邊界條件進(jìn)行概化，導(dǎo)致模型計算的水位值和實測值之間出現(xiàn)一定的偏差，須通過不斷地調(diào)整模型參數(shù)降低殘差，直至調(diào)參結(jié)果符合精度標(biāo)準(zhǔn)。

4 垂直防滲墻缺陷處情形特征設(shè)置

在前期5 組抽水試驗中選取2 組水位變化較大的試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用GMS 軟件，模擬分析垂直防滲墻缺陷處在不同平面位置、不同深度以及不同規(guī)模大小情形下，根據(jù)設(shè)置的5種不同缺陷處情形（圖3 缺陷處設(shè)置情形平面示意圖），模擬計算值和實測數(shù)據(jù)的擬合情況，從而確定與實際缺陷特征相對比較接近的一種情形。

圖3 缺陷處設(shè)置情形平面示意圖

具體設(shè)置的模擬情形如下：①垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處貫穿上部潛水含水層。②垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處貫穿下部承壓含水層。③垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處貫穿上部潛水含水層和下部承壓含水層。④垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處位于上部潛水含水層的局部。⑤垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處位于下部承壓含水層的局部。分別在上述5 種情況下，模擬結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處在不同平面位置、不同寬度特征條件時抽水井與觀測井的水位變化，調(diào)整參數(shù)使模擬值與實際觀測值的極差在設(shè)置范圍內(nèi)，進(jìn)而獲取垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處的具體位置、規(guī)模及其局部滲透系數(shù)。

5 垂直防滲墻缺陷處數(shù)值模擬結(jié)果分析

5.1 垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處貫穿上部潛水含水層

分別對2 對試驗井模擬設(shè)置含水層2 層，即潛水含水層與承壓含水層；缺陷貫穿潛水含水層，與試驗井的水平距離分別為0m、2m、5m 等，并在缺陷水平位置固定情況下調(diào)整缺陷寬度為0.5m 和1m 時，通過調(diào)整缺陷處滲透系數(shù)，觀測井水位基本無變化或者變化很小，未能模擬出與實際監(jiān)測井相一致的水位降深，因此認(rèn)為該情形假設(shè)與實際情況不符。

5.2 垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處貫穿下部承壓含水層

基于建立的水文地質(zhì)模型，設(shè)置缺陷位置與試驗井的水平距離分別為0m、2m 和5m 3 種情形（見表1），設(shè)置2 種缺陷寬度，即0.5m 和1m，然后通過調(diào)整缺陷處滲透系數(shù)和防滲墻（模擬區(qū)范圍內(nèi)除缺陷處以外的其他部分，下同）滲透系數(shù)的方法，識別各種情形與實測數(shù)據(jù)的符合性，經(jīng)過多次調(diào)參，計算值與實測值達(dá)到較好擬合的情形。

表1 情形②滲透系數(shù)識別結(jié)果

5.3 垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處貫穿上部潛水含水層和下部承壓含水層

基于建立的水文地質(zhì)模型，設(shè)置缺陷位置與試驗井的水平距離分別為0m、2m 和5m 3 種情形（見表2），設(shè)置2 種缺陷寬度，即0.5m 和1m，然后通過調(diào)整缺陷處滲透系數(shù)和防滲墻（模擬區(qū)范圍內(nèi)除缺陷處以外的其他部分）滲透系數(shù)的方法，識別各種情形與實測數(shù)據(jù)的符合性，經(jīng)過多次調(diào)參，計算值與實測值較好地吻合。其他模擬情形均未能使地下水位發(fā)生明顯變化。

表2 情形③滲透系數(shù)識別結(jié)果

5.4 垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處位于上部潛水含水層的局部

根據(jù)情形①中的模擬結(jié)果可知，防滲墻缺陷貫穿上部潛水含水層時，改變防滲墻滲透參數(shù)對模擬水位變化基本無影響，防滲墻缺陷處位于上部潛水含水層局部屬于貫穿含水層的情況類似，經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，設(shè)置缺陷位置與試驗井的水平距離分別為0m、2m 和5m，大小為3m×4m、4m×4m 等情形時，調(diào)整缺陷處滲透系數(shù)，水位基本無變化或者變化很小，未能模擬出與實際監(jiān)測井相一致的水位降深。

5.5 垂直防滲墻結(jié)構(gòu)缺陷/薄弱處位于下部承壓含水層的局部

為了便于進(jìn)行情形⑤的數(shù)值模擬，將承壓含水層劃分為兩層，假定缺陷處呈現(xiàn)水平條帶狀，將其分別設(shè)置于承壓含水層底部區(qū)域、含水層中部區(qū)域，設(shè)置缺陷處距離試驗井水平距離分別為0m、2m 和5m，缺陷處寬度設(shè)置為1m 和3m，缺陷處高度為0.5m 和1.0m。

當(dāng)缺陷處位于承壓含水層底部及中部區(qū)域時，通過同時調(diào)整缺陷處滲透系數(shù)和防滲墻滲透系數(shù)，在合理的滲透系數(shù)范圍內(nèi)，均未能使模擬計算值與實測值較好地吻合，即該情形與實際情況不相符。

6 結(jié)果評價

根據(jù)上述5 種情形模擬結(jié)果，情形①、情形④和情形⑤中模擬計算值與實測水位降深值相差甚遠(yuǎn)，在合理的水文地質(zhì)參數(shù)范圍內(nèi)，均未能較好地擬合，即與缺陷處的實際特征相差甚遠(yuǎn)，因此可以將這3 種情況排除。

情形②在合理范圍內(nèi)同時調(diào)整防滲墻滲透系數(shù)與缺陷處滲透系數(shù)時，水位均有明顯改變，并且在已確定的含水層滲透系數(shù)的基礎(chǔ)上，能夠通過合理調(diào)整防滲墻滲透系數(shù)與缺陷處滲透系數(shù)，使模擬值與實際觀測值達(dá)到相對一致的結(jié)果，而且改變?nèi)毕萏幍奈恢脮r，也能通過合理調(diào)整防滲墻滲透系數(shù)與缺陷處滲透系數(shù)的大小，得到與實際觀測值相一致的結(jié)果。因此認(rèn)為該情形下的防滲墻缺陷處特征與實際情況較為接近。

情形③與情形②數(shù)值模擬結(jié)果稍有差別，但基本一致，根據(jù)情形①的數(shù)值模擬情況可知，上部潛水含水層存在缺陷時，并不會對水位降深產(chǎn)生較大影響，因此在模擬情形③時，對水位降深產(chǎn)生影響的是位于承壓含水層的防滲墻缺陷處。因此可基本認(rèn)為情形③與情形②屬于同一種情形。

綜合以上分析，缺陷處可能位于承壓含水層并貫穿或接近貫穿承壓含水層，缺陷寬度約為1.0m 左右；缺陷處與試驗井的距離改變對缺陷處滲透系數(shù)雖有一定的影響，但是變化值基本處于同一個數(shù)量級。因此，可以認(rèn)定情形②的模擬結(jié)果與實際情況最為接近。

7 結(jié)論

該文以國內(nèi)安全填埋場垂直防滲帷幕工程為依托，利用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件GMS 開展了相關(guān)的地下水滲流模擬分析，得出如下結(jié)論：1）根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件等，建立了相應(yīng)的水文地質(zhì)模型，經(jīng)模型校核顯示，觀測井水位觀測值與計算值擬合度較好，表明建立的項目場地水文地質(zhì)模型與實際情況基本相符，得出的水文地質(zhì)參數(shù)相對可靠。2）利用場地水文地質(zhì)模型模擬計算出防滲墻整體的水平滲透系數(shù)介于1.33E-09 cm/s～ 1.47E-09 cm/s，垂向滲透系數(shù)約為1.08E-10 cm/s，均符合防滲墻滲透性能設(shè)計要求（滲透系數(shù)小于10-7cm/s）。