平原水庫蓄水侵沒范圍計算

2011-02-11 23:59:00段凱敏

長江工程職業技術學院學報 2011年1期

段凱敏

(長江工程職業技術學院,武漢 430212)

1 引言

平原水庫蓄水后庫水位均高于原地下水位,將引起水庫周邊地下水位的升高,土層中毛細管水的上升將會造成農田沼澤化、鹽漬化,建筑物地基強度降低甚至破壞,道路翻漿、泥濘、中斷交通等不良后果,引起環境的惡化。因此水庫蓄水侵沒是平原水庫建設重要的環境工程問題,評價水庫蓄水侵沒范圍是其重要的工作內容。

一般將產生侵沒的地下水埋深稱為地下水臨界深度。地下水臨界深度對于建筑物、道路和各種農作物等即是地下水的安全埋藏深度,也稱為侵沒標準。建筑物的侵沒標準一般為基礎埋深下的毛細管上升高度,農作物的侵沒標準是農作物根系深度加根系下的毛細管上升高度。水庫蓄水后地下水位超過地下水埋深臨界深度,則該區域即為侵沒區。

確定水庫蓄水后壩后地下水位的升高值至今沒有滿意的方法,筆者通過工程實踐認為,可以使用地下水動力學的河渠水位上升、河渠附近潛水的非穩定運動公式計算水庫蓄水引起的地下水位雍高值,進而可以判定侵沒范圍。

2 工程數學模型

河渠水位上升(下降)為定值、河渠附近潛水的非穩定運動公式是由潛水含水層中地下水非穩定運動Boussinesq方程推導出的,有如下假設:

(1)含水層均質,各向同性,側向無限延伸。位于水平隔水層上,不計上部入滲;

(2)原始潛水面水平,水力坡度為零;

(3)河渠水位瞬時上升,上升幅度為 Δh0,t=h0,t-h0,0,上升后保持不變;

(4)河渠滲流為一維流。

設u(x,t)為距河渠 x處斷面在t時刻的地下水位變幅。即:

則半無限含水層中河渠附近地下水非穩定運動的數學模型為:

3 參數分析

此數學模型中主要有三個參數,含水層厚度hm、給水度μ、滲透系數K。含水層厚度由地質勘察可以確定;給水度值一般0.05～0.25之間,變化不大;地層常為層狀,透水性各不相同,平行層面滲透用等效滲透系數代替。等效滲透系數計算公式是:

若一平原水庫壩基的地下含水層厚度hm為12m,給水度μ取0.1,含水層的滲透系數K分別取5×10-3cm/s、1×10-3cm/s、1 ×10-4cm/s、1 ×10-5cm/s時,不同時間 t,距離 x與余誤差函數erfc(λ)關系曲線如圖1-4。

圖 1 時間 t、距離x-ercf(λ)關系曲線(k=5×10-3 cm/s)

圖 3 時間 t、距離x-ercf(λ)關系曲線(k=1×10-4 cm/s)

圖 4 時間 t、距離x-ercf(λ)關系曲線(k=1×10-5 cm/s)

圖中可以看出在透水層厚度不變,蓄水時間為365天,滲透系數 K分別取 5×10-3cm/s、1×10-3cm/s、1 ×10-4cm/s、1 ×10-5cm/s時 ,地下水位變幅達到20%的影響距離分別為780m、350m、120m、36m。同樣的透水層厚度,滲透系數K別取5×10-3m/s、1×10-3m/s、1 ×10-4、1 ×10-5時 ,在距離50m處地下水位變幅達到20%時的蓄水時間分別為1天、5天、50天、36天。因此,可以看出用地下水動力學方法計算地下水位雍高值和侵沒范圍關鍵因素是透水層的滲透系數大小。