李建明

(中國水電顧問集團 成都勘測設計研究院,四川 成都610072)

0 引 言

壩肩邊坡地下水滲流場的模擬,概括起來要解決一個問題:即水庫蓄水后,壩肩邊坡在繞壩滲流、暴雨和霧化雨霧條件下,地下水水位抬升的規(guī)律。這是一個復雜的問題,主要原因在于,人們對強雨霧條件下邊坡地下水滲流的規(guī)律,還缺乏直觀的認識。目前,即使一些已發(fā)生失穩(wěn)的工程,也鮮有邊坡失穩(wěn)時的地下水位資料。

顯然,解決這一問題的一個前提,除對泄洪雨霧雨強有一個合理的預測外,就是建立能反映泄洪雨霧入滲、及相應的地下水滲流規(guī)律的模型和計算參數(shù)。如前所述,這些目前從技術上是比較困難的。為此,本次研究中,主要采取了以下途徑:一是,對邊坡地質體的滲流介質進行合理概化,建立一個盡可能反映實際含水地質體與邊界條件的滲流模型;其次,選取與模型盡可能適應的滲流參數(shù);三是,通過天然地下水位動態(tài)資料,來校核模型。最后再開展相關的滲流計算。

1 地下水滲流模擬基本原理

當不考慮水密度的變化條件下,在孔隙介質中地下水在三維空間的流動可以用下面的偏微分方程來表示:

其中:

K xx,K yy和K zz——分別為滲透系數(shù)在 x,y和z方向的分量。單位為(LT-1),其中L代表長度,T代表時間。這里假定滲透系數(shù)主軸與坐標軸方向一致。

h——水頭(L);

W——單位體積流量(T-1),代表流進或流出的水量;

Ss——孔隙介質的貯水率(L-1)或給水率(L-1);

t——時間(T)。

公式(2-1)加上相應的初始條件和邊界條件,便構成了一個描述地下水流動體系的數(shù)學模型。從解析解的角度上說,該數(shù)學模型的解就是一個描述水頭值分布的代數(shù)表達式。在所定義的空間和時間范圍內,所求得的水頭h應滿足邊界條件和初始條件。但除了某些簡單的情況,公式(2-1)的解析解一般很難求得。因此各種各樣的數(shù)值法被用來求得公式(2-1)的近似解。其中一種就是有限差分法。

地下水流動的連續(xù)性方程表示流入與流出某個計算單元的水流之差應等于該單元貯水量的變化。即

其中:Qi——單位時間內流進或流出該計算單元的水量(L3T-1);

SS——含水層的貯水率(L-1)。表示水頭變化一個單位時,含水層單位體積中所吸收或釋放的水量;

Δv——計算單元的體積(L3);

Δh——單位時間內水頭的變化(L)。

本文擬采用是由美國地質調查局開發(fā)出的一套采用有限差分原理用于孔隙介質中地下水流動數(shù)值模擬的軟件Modflow(ModularThree-dimensionalFinite-differenceGround-waterflowmodel)來模擬計算某壩肩高邊坡滲流場特征。

2 滲流模型的建立

2.1 模擬范圍

壩肩高邊坡滲流模型考慮地形地貌、地下水類型分布、地層巖性及構造影響及開挖范圍影響。本次邊坡地下水滲流模型寬度840m,長度630m;模型選取的高程下至河流,模擬海拔高度900～1600m。

2.2 滲流介質概化和滲透參數(shù)確定

(1)滲流介質概化

裂隙巖體中完整巖體的滲透性極為為弱(滲透系數(shù)K＜10-8m/s),滲透水流主要在巖體裂隙中運動。而裂隙在巖體中的分布具有顯著的非均一性和方向性,導致裂隙巖體中地下水滲流的數(shù)學描述與研究較為成熟的土體有較大的差異。

任何物體都是非連續(xù)的,連續(xù)介質是數(shù)學的抽象。對滲流而言,巖體是裂隙介質,分割巖石的裂隙是水流的通道,顯然裂隙巖體絕非連續(xù)介質,然而要將裂隙巖體滲流概化為連續(xù)介質模型,必須滿足以下條件: (1)每一水文地質分區(qū)的巖體滲透系數(shù)應滿足張量關系;(2)存在一個樣本單元體積REV(Representative ElementVolume),且REV與所研究的滲流區(qū)域相對甚小。

對擬建水電站巖體300余個測點的滲透張量計算結果表明,樞紐區(qū)南北向結構面為張性,具有較好的張開度,而近東西向結構面多呈閉合狀態(tài)。這一滲透特征。說明了近南北向和近東西向滲透系數(shù)在量級上相差不大,而垂直方向滲透系數(shù)量級小得多,從而證明水平方向巖體可以簡化為似均質介質,垂直方向只要在一個小區(qū)域內假設均勻介質。

據(jù)前所述,模型空間范圍為SN向630m,EW向840m,垂向劃分為七層,依次為:地表坡堆積體、強風化巖層、弱風化巖層、微新巖體上段、微新巖體下段(考慮壩體高度,分為三個層位)七個層位,設計高度為900～1600m。剖分后7層共37044個單元。

(2)滲透參數(shù)確定

表1 滲透系數(shù)K綜合取值

滲流系數(shù),裂隙巖體滲透系數(shù)的獲得主要有:實驗室法、現(xiàn)場測試法、裂隙樣本法,以及通過滲流模型模擬反分析求得,對于實驗室法,由于人造裂隙與天然裂隙的差異,使得室內試驗結果往往很難滿足工程應用的要求。本次模擬參數(shù)取值于由設計院完成的現(xiàn)場測試法和裂隙統(tǒng)計來獲得其滲透張量(現(xiàn)場實測)。

將上述兩種方法綜合考慮,則既可較真實的反映裂隙巖體的滲透特性,同時又具有一定的可操作性。計算模型參數(shù)包括七個層位三個方向分量(表1)。

2.3 滲流模擬的邊界條件

壩肩邊坡模型范圍三側為山體,東側邊界為江水。其中,山體為模型的通用流入流出邊界;庫水位和江水作為模型定水頭邊界;壩體為不透水混凝土拱壩作為不透水層。

2.4 天然雨強及泄洪霧化雨強

(1)天然雨強

模擬采用天然雨強系根據(jù)研究區(qū)逐月降雨量統(tǒng)計,并匯總一個水文年4季降雨的強度。

(2)暴雨強度

模擬采用研究區(qū)內有記錄的單次最大降雨量(143.7 mm/d),作為單次極端暴雨時段內邊坡滲流場模擬。

(3)霧化雨強

本次模擬根據(jù)前人對電站泄洪霧化研究成果,并參照其它水電站研究成果。綜合了氣象降雨等級和壩肩邊坡泄洪霧化最大雨強(717mm/h),由于缺乏詳盡霧化雨的資料,假設霧化雨為等強型。

2.5 模擬方案

本次模擬根據(jù)水庫運行期間正常蓄水位與天然、暴雨和泄洪條件雨霧相結合工況組合方案。

2.6 天然邊坡地下水滲流模擬檢驗

確定地下水位分布一般有三個途徑:一是根據(jù)地表監(jiān)測點、鉆孔中地下水位的埋深資料,利用插值方法或趨勢面分析得到;二是先利用類比方法確定該地區(qū)的水力坡度,利用該水力坡度推算出各單元的地下水位埋深;三是對模型進行穩(wěn)定流模擬,利用模擬的結果作為模型的初始水位。

圖1 鉆孔地下水位擬合曲線

本次模擬時所需初始水頭,通過了下面的方式獲得:首先,根據(jù)壩肩開挖邊坡的地表監(jiān)測點、鉆孔中地下水位的埋深資料,得到各個監(jiān)測點的地下水位。其次,利用插值方法或趨勢面分析利用水力坡度推算出各單元的地下水位埋深,利用該埋深作為初始水頭賦給計算模型的各個單元,進行穩(wěn)定流模擬。

在上述基礎上,根據(jù)逐月降雨量,開展了一個水文年天然邊坡地下水動態(tài)的模擬,并與水位觀測孔的觀測資料進行了對比(圖2)。

圖2 擬合后的流場平面分布圖(單位:m)

圖2表明,鉆孔的擬合曲線非常接近實際觀測曲線,水位升降趨勢一致,兩者之間誤差很小;擬合水位升降和實際水位升降基本一致,擬合曲線是非常接近實際水位變化,同時也說明模型能夠概化邊坡實際情況。

模擬結果顯示出的擬合后平面初始滲流場分布圖(圖3)。由圖可知,地下水水頭面明顯受到地形控制, 1895 m高程以上等水頭線表現(xiàn)出與地形等高線相似的彎曲,只是幅度稍緩一些,下游邊坡等水位線密度稍稀,水力坡度相對較緩,上游邊坡則等水位線密集,水力坡度較大,這是因為巖體滲透參數(shù)非均質性造成的,可認為處于邊坡高處地下水埋深較大而邊坡低處地下水埋深相對較小,因而可認為處于邊坡高處的地下水主要在微風化～新鮮巖體中運動,而邊坡低處的地下水流則主要在地表坡堆積體和強風化巖層中運動,兩者滲流參數(shù)有差異,根據(jù)達西定律,滲透性能強的部位水力坡度低于滲透性弱的部位,因而有上述等水頭線分布上的疏密差異。蓄水位以下拱壩附近,等水位線與其走向垂直,表明受到壩體的隔水作用,這種作用越接近壩體越明顯。從滲流場分布圖上看模擬計算區(qū)部分鉆孔地下水位吻合較好。說明擬合結果是正確而又切合實際的。通過上述模型校驗,可以認為此模型的建立比較符合實際,可用于后續(xù)的邊坡非穩(wěn)定滲流場模擬計算。

3 泄洪雨霧下邊坡滲流模擬

3.1 泄洪雨霧下邊坡滲流場的基本特征

本次模擬水庫運行期間在暴雨和泄洪霧化條件下,邊坡滲流場的變化。具體考慮了正常蓄水位結合天然、暴雨和暴雨+霧化三種條件組合計算工況?？傻萌缦鲁晒?

庫水位正常運行狀況時,邊坡地下水位相對于初始天然水位上升0.3～1.1 m,平均為0.85 m,從上游邊坡到下游邊坡變化幅度減小。

庫水位+暴雨狀況下,地下水位比庫水位平均上升1 m,相對于初始水位1～2.1 m,平均為1.5 m。

庫水位+霧化,地下水位變化幅度隨水庫泄洪霧化程度強弱有關系,距壩體越近的部位,受泄洪霧化雨霧越強,地下水位上升幅度越大,此時的地下水位比蓄水+暴雨狀況下的地下水位抬升0.5～1m。

3.2 泄洪雨霧下邊坡地下水位動態(tài)變化

邊坡地下水位在泄洪霧化條件下或暴雨條件下抬升速度是邊坡穩(wěn)定性的又一個重要因素,因此,我們對庫水位正常運行的模型,實行48小時降雨模擬(分24個時間段),采集高程1800m的3個點,對比暴雨和霧化雨條件下,邊坡地下水位的升幅規(guī)律(圖3),分析可知:

(1)在暴雨條件下,邊坡地下水水位升幅與邊坡的形態(tài)有關,山脊部位小于山谷部位,例如,A山脊水位線升幅低于旁邊的沖溝0.1～0.2 m左右。

(2)在泄洪霧化條件下,邊坡地下水水位升幅與泄洪霧化雨霧強度有關,上游靠近壩體的邊坡,泄洪霧化雨霧強,地下水水位抬升大;下游地邊坡下水位抬升小,例如,A山脊水位線高于B山脊水位線接近0.8 m。

(3)邊坡地下水位抬升速率隨降雨時間減弱,在降雨持續(xù)30～40小時左右,邊坡地下水水位抬升速度明顯減小。

圖3 壩肩邊坡水位升幅圖

4 結 論

通過邊坡滲流場模擬,發(fā)現(xiàn)影響地下水位升幅的主要因素,水庫運行期間三個因素(壩體繞壩滲流、暴雨和泄洪霧化)對地下水位升幅有著直接關系,其中,泄洪霧化影響程度最大;控制地下水位升幅途徑是有效的減少泄洪霧化的入滲作用,例如,在坡面噴加一層細石混凝土防滲層。

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