某水電站壩肩高邊坡滲流場(chǎng)分析

李建明

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都610072)

0 引 言

壩肩邊坡地下水滲流場(chǎng)的模擬,概括起來(lái)要解決一個(gè)問(wèn)題:即水庫(kù)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(gè)復(fù)雜的問(wèn)題,主要原因在于,人們對(duì)強(qiáng)雨霧條件下邊坡地下水滲流的規(guī)律,還缺乏直觀的認(rèn)識(shí)。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(shí)的地下水位資料。

顯然,解決這一問(wèn)題的一個(gè)前提,除對(duì)泄洪雨霧雨強(qiáng)有一個(gè)合理的預(yù)測(cè)外,就是建立能反映泄洪雨霧入滲、及相應(yīng)的地下水滲流規(guī)律的模型和計(jì)算參數(shù)。如前所述,這些目前從技術(shù)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(duì)邊坡地質(zhì)體的滲流介質(zhì)進(jìn)行合理概化,建立一個(gè)盡可能反映實(shí)際含水地質(zhì)體與邊界條件的滲流模型;其次,選取與模型盡可能適應(yīng)的滲流參數(shù);三是,通過(guò)天然地下水位動(dòng)態(tài)資料,來(lái)校核模型。最后再開展相關(guān)的滲流計(jì)算。

1 地下水滲流模擬基本原理

當(dāng)不考慮水密度的變化條件下,在孔隙介質(zhì)中地下水在三維空間的流動(dòng)可以用下面的偏微分方程來(lái)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(zhǎng)度,T代表時(shí)間。這里假定滲透系數(shù)主軸與坐標(biāo)軸方向一致。

h——水頭(L);

W——單位體積流量(T-1),代表流進(jìn)或流出的水量;

Ss——孔隙介質(zhì)的貯水率(L-1)或給水率(L-1);

t——時(shí)間(T)。

公式(2-1)加上相應(yīng)的初始條件和邊界條件,便構(gòu)成了一個(gè)描述地下水流動(dòng)體系的數(shù)學(xué)模型。從解析解的角度上說(shuō),該數(shù)學(xué)模型的解就是一個(gè)描述水頭值分布的代數(shù)表達(dá)式。在所定義的空間和時(shí)間范圍內(nèi),所求得的水頭h應(yīng)滿足邊界條件和初始條件。但除了某些簡(jiǎn)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(lái)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(dòng)的連續(xù)性方程表示流入與流出某個(gè)計(jì)算單元的水流之差應(yīng)等于該單元貯水量的變化。即

其中:Qi——單位時(shí)間內(nèi)流進(jìn)或流出該計(jì)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(gè)單位時(shí),含水層單位體積中所吸收或釋放的水量;

Δv——計(jì)算單元的體積(L3);

Δh——單位時(shí)間內(nèi)水頭的變化(L)。

本文擬采用是由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)出的一套采用有限差分原理用于孔隙介質(zhì)中地下水流動(dòng)數(shù)值模擬的軟件Modflow(ModularThree-dimensionalFinite-differenceGround-waterflowmodel)來(lái)模擬計(jì)算某壩肩高邊坡滲流場(chǎng)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(gòu)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(zhǎng)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(zhì)概化和滲透參數(shù)確定

(1)滲流介質(zhì)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(yùn)動(dòng)。而裂隙在巖體中的分布具有顯著的非均一性和方向性,導(dǎo)致裂隙巖體中地下水滲流的數(shù)學(xué)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(zhì)是數(shù)學(xué)的抽象。對(duì)滲流而言,巖體是裂隙介質(zhì),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(zhì),然而要將裂隙巖體滲流概化為連續(xù)介質(zhì)模型,必須滿足以下條件: (1)每一水文地質(zhì)分區(qū)的巖體滲透系數(shù)應(yīng)滿足張量關(guān)系;(2)存在一個(gè)樣本單元體積REV(Representative ElementVolume),且REV與所研究的滲流區(qū)域相對(duì)甚小。

對(duì)擬建水電站巖體300余個(gè)測(cè)點(diǎn)的滲透張量計(jì)算結(jié)果表明,樞紐區(qū)南北向結(jié)構(gòu)面為張性,具有較好的張開度,而近東西向結(jié)構(gòu)面多呈閉合狀態(tài)。這一滲透特征。說(shuō)明了近南北向和近東西向滲透系數(shù)在量級(jí)上相差不大,而垂直方向滲透系數(shù)量級(jí)小得多,從而證明水平方向巖體可以簡(jiǎn)化為似均質(zhì)介質(zhì),垂直方向只要在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)假設(shè)均勻介質(zhì)。

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(qiáng)風(fēng)化巖層、弱風(fēng)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(gè)層位)七個(gè)層位,設(shè)計(jì)高度為900～1600m。剖分后7層共37044個(gè)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(shí)驗(yàn)室法、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法、裂隙樣本法,以及通過(guò)滲流模型模擬反分析求得,對(duì)于實(shí)驗(yàn)室法,由于人造裂隙與天然裂隙的差異,使得室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果往往很難滿足工程應(yīng)用的要求。本次模擬參數(shù)取值于由設(shè)計(jì)院完成的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法和裂隙統(tǒng)計(jì)來(lái)獲得其滲透張量(現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè))。

將上述兩種方法綜合考慮,則既可較真實(shí)的反映裂隙巖體的滲透特性,同時(shí)又具有一定的可操作性。計(jì)算模型參數(shù)包括七個(gè)層位三個(gè)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(cè)為山體,東側(cè)邊界為江水。其中,山體為模型的通用流入流出邊界;庫(kù)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(qiáng)及泄洪霧化雨強(qiáng)

(1)天然雨強(qiáng)

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

(2)暴雨強(qiáng)度

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

(3)霧化雨強(qiáng)

本次模擬根據(jù)前人對(duì)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(jí)和壩肩邊坡泄洪霧化最大雨強(qiáng)(717mm/h),由于缺乏詳盡霧化雨的資料,假設(shè)霧化雨為等強(qiáng)型。

2.5 模擬方案

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

2.6 天然邊坡地下水滲流模擬檢驗(yàn)

確定地下水位分布一般有三個(gè)途徑:一是根據(jù)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)、鉆孔中地下水位的埋深資料,利用插值方法或趨勢(shì)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(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)定流模擬,利用模擬的結(jié)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(shí)所需初始水頭,通過(guò)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(cè)點(diǎn)、鉆孔中地下水位的埋深資料,得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水位。其次,利用插值方法或趨勢(shì)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(jì)算模型的各個(gè)單元,進(jìn)行穩(wěn)定流模擬。

在上述基礎(chǔ)上,根據(jù)逐月降雨量,開展了一個(gè)水文年天然邊坡地下水動(dòng)態(tài)的模擬,并與水位觀測(cè)孔的觀測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比(圖2)。

圖2 擬合后的流場(chǎng)平面分布圖(單位:m)

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

模擬結(jié)果顯示出的擬合后平面初始滲流場(chǎng)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(duì)較緩,上游邊坡則等水位線密集,水力坡度較大,這是因?yàn)閹r體滲透參數(shù)非均質(zhì)性造成的,可認(rèn)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(duì)較小,因而可認(rèn)為處于邊坡高處的地下水主要在微風(fēng)化～新鮮巖體中運(yùn)動(dòng),而邊坡低處的地下水流則主要在地表坡堆積體和強(qiáng)風(fēng)化巖層中運(yùn)動(dòng),兩者滲流參數(shù)有差異,根據(jù)達(dá)西定律,滲透性能強(qiáng)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(chǎng)分布圖上看模擬計(jì)算區(qū)部分鉆孔地下水位吻合較好。說(shuō)明擬合結(jié)果是正確而又切合實(shí)際的。通過(guò)上述模型校驗(yàn),可以認(rèn)為此模型的建立比較符合實(shí)際,可用于后續(xù)的邊坡非穩(wěn)定滲流場(chǎng)模擬計(jì)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(chǎng)的基本特征

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

庫(kù)水位正常運(yùn)行狀況時(shí),邊坡地下水位相對(duì)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(kù)水位+暴雨?duì)顩r下,地下水位比庫(kù)水位平均上升1 m,相對(duì)于初始水位1～2.1 m,平均為1.5 m。

庫(kù)水位+霧化,地下水位變化幅度隨水庫(kù)泄洪霧化程度強(qiáng)弱有關(guān)系,距壩體越近的部位,受泄洪霧化雨霧越強(qiáng),地下水位上升幅度越大,此時(shí)的地下水位比蓄水+暴雨?duì)顩r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(dòng)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(gè)重要因素,因此,我們對(duì)庫(kù)水位正常運(yùn)行的模型,實(shí)行48小時(shí)降雨模擬(分24個(gè)時(shí)間段),采集高程1800m的3個(gè)點(diǎn),對(duì)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(guān),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(qiáng)度有關(guān),上游靠近壩體的邊坡,泄洪霧化雨霧強(qiáng),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(shí)間減弱,在降雨持續(xù)30～40小時(shí)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(jié) 論

通過(guò)邊坡滲流場(chǎng)模擬,發(fā)現(xiàn)影響地下水位升幅的主要因素,水庫(kù)運(yùn)行期間三個(gè)因素(壩體繞壩滲流、暴雨和泄洪霧化)對(duì)地下水位升幅有著直接關(guān)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(xì)石混凝土防滲層。

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