基于FEFLOW的广东某地下实验厅涌水量预测

尚 柯，王园园，郭桂花

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

地下工程涌水量预测的公式非常多，通常可分为两种：第一种被称为确定性数学模型，另一种为非确定性模型，由于非确定性模型需要长时间的观察统计资料，且只适用于两个水文地质等条件较为类同的工程，所以不具有普及的能力。在实际工作中多是以确定性数学模型为主，确定性数学模型中较为典型的有水均衡法、公式解析法和数值模拟法。

本文拟采用确定性数学模型中的公式解析法和数值模拟法，以广东某地下实验厅施工为前提，在了解其工程地质条件和水文地质条件的基础上，分别使用适用的解析公式和基于FEFLOW软件建立模型来预测地下实验厅施工时的涌突水量并进行对比。

1 工程概况

工程为某研究所拟建设实验支撑平台建设项目，由地下部分和地上部分组成。地下建筑主要为斜井、竖井、实验厅等。实验厅最大埋深约700m，为深埋大型地下洞室。

工程区地貌上为中度剥蚀的低山-丘陵区，地面高程一般为20～500m，其中低山区高程一般200～400m。工程区地层出露奥陶系和寒武系地层及加里东期、印支期和燕山期侵入岩。工程区的主要地下水类型为基岩裂隙潜水，赋存于工程区花岗岩中。

地下实验厅位于工程区西侧小山包底下，地表高程约268m，地貌上为山脊，拱顶最大埋深约为700m，底板高程-504m，实验厅内水池内径42.5m，实验厅布置于花岗岩岩体内，岩性为灰白色中细粒二长花岗岩。实验大厅围岩类别为Ⅱ类，洞室围岩稳定性好。实验大厅可由斜井和竖井穿过，斜井斜长约1340.6m，桩号0+000—0+590段，岩性为石英砂岩及泥质页岩，桩号0+590—1+340段，岩性为中粒微风化-新鲜花岗岩。竖井深616.3m，岩性为花岗岩。

2 渗透系数的确定

本次工程斜井在开挖至桩号0+590之前，工作较为顺利，直到开挖至0+590，进入花岗岩段后，出现多次涌水现象，在0+710—0+756、0+810—0+824、0+851发生3次大的突水事件，掌子面数次被淹影响施工。在排水工程中，斜井排水到0+837桩号，由于工区突发停电12h，斜井水位从0+837桩号上升至0+689桩号，平均每小时上升12.3m，平均涌水流量为431.6m3/h。本次综合渗透系数计算采用斜井排水到桩号0+837后停泵水位恢复至桩号0+689时的平均涌水量，利用水平廊道法得出花岗岩的渗透系数为0.41～0.54m/d。

3 公式解析法预测地下实验厅涌水量

公式解析法是以地下水动力学理论为基础，结合工程经验给出的涌水量预测的经验公式。可分为以裘布依公式为基础的稳定流公式、和以泰斯公式为基础的非稳定流公式[1-2]，在这两类公式的基础上又衍生出了大量的半经验半理论公式，又可分为预测最大涌水量公式和稳定涌水量公式，稳定涌水量公式有裘布依公式法、落合敏郎公式法、科斯加科夫公式法、吉林斯基公式法、铁路勘测规范公式预测稳定涌水量，最大涌水量公式有古德曼公式法、大岛洋志公式法、佐藤邦明非稳定流公式法以及铁路勘测规范公式预测最大涌水量[3-6]。本次计算对工程进行了简化：①渗流稳定；②把实验大厅近似为圆形洞室，且洞室顶部水头保持不变；③当洞室埋深较大时，没有穿越较大的断层。采用可满足上述条件的裘布依公式法预测地下实验厅稳定涌水量，大岛洋志公式法预测地下实验厅最大涌水量。根据裘布依公式法计算得出地下实验厅稳定涌水量为9792～12828m3/h，按大岛洋志法估算未开挖斜井段估算最大涌水量38173.2～50277.6m3/h。

4 数值模拟法预测地下实验厅涌水量

数值模拟法预测地下实验厅涌水量是采用三维地下水模拟软件FEFLOW，由已知的水文地质条件建立概化水文地质模型以计算地下洞室的涌水量。

4.1 计算范围及边界条件的确定

为便于数值模型建立，根据现有地形资料(地形图范围较小)，假设地下水分水岭与地表分水岭重合，即以地表分水岭的范围确定计算范围。同时，由于工区西南侧河流为该地区的地下水排泄点，因此西南侧以河流作为计算边界(如图1所示)。基岩地区的地下水流向较为复杂，为便于计算，仅从各钻孔水位的等水位线图和地表形态推定地下水流向。根据等水位线图大体判断，工区的浅层地下水的流向大致由北东流向西南，向河流排泄。因此可以将西南侧地表河流作为第二类边界(地下水排泄点)，而其下部深层地下水的流向比较难确定，故西南侧下部深层设为第二类边界。工程区东侧为地表分水岭，考虑作为第二类边界，但边界通量为0。由等水位线图判断，北部为地下水来源方向，受地形范围限制和北部的山塘影响，将其作为第一类边界。模型西侧为人工确定的边界，该处位于地表山脊位置，可认为是地表分水岭，故作为通量为零的二类边界。

图1 预测地下实验厅涌水量计算范围

4.2 概念模型及数学模型

工程区位于基岩地区，含水介质具有非均质各向异性介质特点，因此，计算过程中将含水层进行概化，在断层、裂隙及褶皱发育部位，采用各向异性的渗透性参数体现介质的非均质各项异性。

根据对水文地质概念模型的剖析，依照渗流连续性公式和达西定律，设立计算区地下水系统水文地质概念模型相对应的三维数学模型。

(1)天然流场

天然流场分析采用稳定流模型，即：

(1)

(2)施工开挖过程中，涌水量的分析采用非稳定流计算，其数学模型为：

(2)

式中，Ω—地下水计算区域；H0—初始水位，m；H1—指定水位，m；S1—第一类边界；S2—第二类边界；t0—初始时间，d；Kxx，Kyy，Kzz—x、y、z主方向的渗透系数，m/d；w(x，y，z，t)—源汇项，包括蒸发、降雨入渗补给、井的抽水量，m3/d；μs—贮水系数；q(x，y，z)—表示在边界不同位置上单位宽度的流量，m2/d。

4.3 数值模型的建立

根据设计实验厅高程，模型底界选择在距离实验厅底板高程以下约50m处，为简化计算，模型底界设置为高程-600m。

根据水文条件的分析，将计算区域在垂直方向上按发育裂隙分布分为4个参数层，由于建筑物的存在，在建筑物高程处增加1层，即模型总结分为5层。最终每层剖分单元2531个，节点1331个，三维模型总计剖分单元12655个，节点7986个。如图2—3所示。

图2 计算区域平面剖分图

图3 剖分结果三维视图

4.4 地下实验厅涌水分析

通过前文水文地质模型的建立，利用该模型对实验厅开挖涌水量实行预测，设定模拟期为8周，分析涌水量的变化。实验厅周围地下水压力变化情况如图4—5所示，其中涌水量在模拟期内的结果见表1。

表1 模拟期内实验厅涌水量变化

图4 模拟实验厅第8周涌水压力变化图

图5 涌水量随时间变化趋势

从图中可知涌水量随时间减小，而且初期涌水量大，达到43300m3/d，可认为是最大涌水量；随着时间延长，涌水量逐步缩减，到模拟期结束时，涌水量衰减至13213.9m3/d，可认为是稳定涌水量。

5 结语

根据传统公式解析法的得到该地下实验厅的最大涌水量为38173.2～50277.6m3/h，稳定涌水量为9792～12828m3/h；基于三维地质模型得到的最大涌水量为43300m3/d，稳定涌水量为13213.9m3/d。两种方法计算所得涌水量相近，表明基于数值模拟法计算涌水量是可靠的和有效的，可用于实际工作中。

由于地质构造的复杂性，或者局部未知导水断层的存在，在实验厅附近地下水可能具有更好的渗透性，因此实际涌水量可能将比模拟值大。为保障实验厅的正常施工和安全运营，建议在实验厅附近监测地下水位的变化，制订详尽的应急排水措施。