濮陽市引黃灌溉調(diào)節(jié)水庫三維有限元滲流計(jì)算分析

□張桂花 □張一冰 □田永軍（河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司）

□胡士輝（黃河水利委員會(huì)水文局）

引言

濮陽市引黃灌溉調(diào)節(jié)水庫工程?hào)|西向長6.15km，南北向長1.10km。規(guī)劃水域面積為3.20km2，分東、西兩庫區(qū)，水庫為人工開挖的平原區(qū)水庫，該處地面高程為51.50～51.80m之間，規(guī)劃水庫水域面積為3.51km2，其中庫區(qū)面積3.25km2，引、退水河道水面面積0.26km2。水庫正常蓄水位為51.00m，水庫平均水深5.10m，最大水深6.00m。庫區(qū)地層結(jié)構(gòu)為粘砂多層結(jié)構(gòu)類型，水庫蓄水后存在庫岸水平向滲漏問題。文章針對(duì)該水庫的滲漏問題建立三維滲流有限元法數(shù)值模型來研究水庫工程滲流控制技術(shù)，通過計(jì)算，了解水庫不同運(yùn)行工況下庫周滲漏量、塑性混凝土防滲墻不同厚度、不同滲透系數(shù)對(duì)滲漏的影響等，根據(jù)滲流量控制標(biāo)準(zhǔn)和各處滲流穩(wěn)定性控制值進(jìn)行比較，提出工程防滲技術(shù)。

1.研究技術(shù)路線

建立工程區(qū)三維滲流控制數(shù)值模型，滲流計(jì)算采用南京水利科學(xué)研究院于1974年開發(fā)并不斷完善的三維滲流計(jì)算程序UNSS3，計(jì)算中土體透水性均概化為非均質(zhì)各向同性，滲流量計(jì)算采用中斷面法。

2.滲流分析

2.1 滲流模型的建立

依據(jù)工程區(qū)實(shí)測的1：1000地形資料和地質(zhì)剖面建立滲流控制模型，模擬的范圍以按岸邊范圍來推算地下水影響半徑大約為1500m，建模中考慮5倍長度來模擬庫周地下水滲流場。總體模擬面積為320km2。整個(gè)模型沿垂向方向劃分12個(gè)水平斷面，從上往下分別模擬了地表、湖面、開挖面、表層壤土、粉砂層、砂壤土夾層、細(xì)砂層、壤土隔水層等實(shí)際土層分布，其中主含水層和隔水層分為2～3層，每個(gè)近似水平面斷面上劃分了3771個(gè)結(jié)點(diǎn)、7488個(gè)三角形單元，每個(gè)斷面上按實(shí)際勘察土層高程進(jìn)行各土層的精確模擬，總計(jì)剖分結(jié)點(diǎn)45242個(gè)，計(jì)算單元采用空間四面體單元，可適應(yīng)復(fù)雜多變的地下結(jié)構(gòu)與土層分布。由計(jì)算機(jī)自動(dòng)將輸入的三棱柱元剖為3個(gè)四面體單元。四面體單元為179712個(gè)。單元布置原則是，滲流急變區(qū)（如水庫體型、防滲墻帷幕等）附近單元密些，其他區(qū)相對(duì)疏些。自由面求解方法為虛點(diǎn)法。

在地下水位變化較大的庫周，網(wǎng)格劃分較細(xì)，最小長度一般為5m，由庫岸逐漸向外擴(kuò)大，至邊界為500m。

2.2 計(jì)算分析的邊界條件和參數(shù)

2.2.1 計(jì)算模型邊界

根據(jù)工程分布情況，按防滲墻等倍墻高來考慮,設(shè)定計(jì)算模型底部高程為15m，上部為自然地面高程51.50～54.00m。南北向長為16km；東西向長20km，計(jì)算范圍達(dá)320km2（20km×16km），各邊界均采用自然地下水位定水頭邊界，其中周邊邊界水頭值取長期水文地質(zhì)觀測資料(2010年12月實(shí)測資料)。東西部暫取為隔水邊界。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)

為了確定水文地質(zhì)參數(shù),建立天然滲流場模型,模擬范圍與方法和上述模型相同。根據(jù)工程區(qū)布置的PYD19鉆孔工程地質(zhì)剖面的地下水位資料，繪制地下水位等值線圖,利用該等值線圖，切取區(qū)域邊界的地下水位，作為計(jì)算的初始水位；以工程地質(zhì)勘探提供的滲透系數(shù)為初始值，進(jìn)行反演計(jì)算，反演模擬過程中將根據(jù)計(jì)算模擬水位與勘探剖面鉆孔水位比較作小幅調(diào)整。為了進(jìn)行工程區(qū)天然滲流場反演擬合成果的評(píng)價(jià)分析，將不同時(shí)期地質(zhì)勘探鉆孔水位與相同部位反演擬合計(jì)算水位進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)，吻合程度達(dá)83%。根據(jù)對(duì)眾多水利水電工程區(qū)的天然滲流場反演擬合的經(jīng)驗(yàn)，吻合程度達(dá)70%以上即屬理想狀態(tài)。說明計(jì)算模型基本符合實(shí)際，反演的主要水文地質(zhì)參數(shù)見表1，以反演后的參數(shù)作為計(jì)算參數(shù)。

表1 初擬和反演各巖層滲透系數(shù)表

2.3 計(jì)算內(nèi)容和計(jì)算工況

具體內(nèi)容：一是，三維數(shù)值模型建立和模型參數(shù)率定；二是，運(yùn)行期不防滲的總滲流場計(jì)算分析；三是，運(yùn)行期防滲墻方案的總滲流場計(jì)算分析。通過不同滲控方案對(duì)工程滲流場的影響比較分析，確定最優(yōu)的滲控組合方案。具體計(jì)算工況如表2所示。

表2 滲流計(jì)算工況一覽表

模型計(jì)算水位組合為調(diào)節(jié)水庫設(shè)計(jì)運(yùn)行水位51.50m，10000m外地下水位為天然地下水位。

2.4 計(jì)算成果分析

2.4.1 地下水位反演計(jì)算

滲透分區(qū)依照地勘資料，利用反演理論的間接求解法，經(jīng)試算后擬定滲透分區(qū)的滲透系數(shù)。該區(qū)域地下水水位埋深一般22.0～23.0m，區(qū)域淺層水總趨勢是自北西向東南徑流。經(jīng)反演迭代計(jì)算，得到地下水浸潤面（實(shí)線）與地勘時(shí)實(shí)測得到的地下水浸潤面（虛線）。

2.4.2 庫岸不防滲時(shí)滲流場模擬計(jì)算分析

由于沉積環(huán)境的差異，庫區(qū)不同標(biāo)高層面的土層分布特征不同。總體上，水庫庫底隨著高程的降低，細(xì)砂層分布面積逐漸增大，砂壤土的分布面積逐漸減小。庫岸不防滲時(shí)考慮天然地下水位。水庫主庫區(qū)地下水基本在29.12～30.30m，呈現(xiàn)西南低，東北高，計(jì)算中在邊界采用天然地下水位，主庫區(qū)周邊平均地下水位29.4m。土層參數(shù)按反演得出的參數(shù)。在天然滲流場下，考慮最終挖深6.0m，模擬運(yùn)行期蓄水工況計(jì)算，分析滲流場變化。在地下水位情形下，如果不采用任何防滲措施，考慮水庫成湖湖面為51.50m，地下水滲流場影響區(qū)域約93.2km，影響半徑達(dá)到5603m。

2.4.3 庫岸防滲墻方案滲流場模擬計(jì)算分析

從滿足灌溉用水及防滲需要等幾個(gè)方面綜合分析，設(shè)計(jì)了在庫周岸線營造防滲墻的方案。防滲墻位置為庫岸線，累計(jì)長度約12.0km。

對(duì)防滲墻成墻后蓄水運(yùn)行期庫水下滲通過砂層和防滲墻向庫岸后區(qū)域的地下水水流場進(jìn)行了12種工況的數(shù)值模擬，分別模擬了防滲墻防的不同厚度對(duì)庫水下滲所形成的三維滲流場的影響，結(jié)果見表3、表4。經(jīng)計(jì)算得知，在各種工況下防滲墻方案主庫區(qū)地下水等值線分布具有相似性。

表3 防滲墻不同厚度和不同滲透系數(shù)工況下庫岸后200m最高地下水最大抬高值(m)表

從控制庫岸線后地下水位升高值在10m以下來比較分析各計(jì)算結(jié)果，則防滲墻選用厚度可為30cm，滲透系數(shù)宜≤1×10－6cm/s。

表4 防滲墻不同厚度和不同滲透系數(shù)工況下總滲漏量（×104m3/a）表

從表4結(jié)果可見，防滲墻對(duì)于庫水下滲量具有較好的阻滲截?cái)嘧饔谩Ｅc沒有防滲措施的庫水下滲量相比大大降低。防滲墻滲透性大小對(duì)庫水下滲的總滲漏量影響比較明顯，而厚度的變化對(duì)庫水下滲的總滲漏量具有一定的影響，但是影響滲漏量的程度不如滲透系數(shù)直接敏感。因此選用防滲墻的幾何參數(shù)和滲透參數(shù)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用滲透性能，再考慮幾何尺寸。而幾何尺寸的選擇還取決于成墻工藝。

3.結(jié)語

一是，所建立的模型能夠較好的反映研究區(qū)域的水文地質(zhì)條件和三維地下水特征。可以用來模擬和預(yù)測水庫工程的各方案防滲效果；二是，采用三維地下水滲流數(shù)值模型對(duì)蓄水運(yùn)行方案進(jìn)行了模擬計(jì)算，當(dāng)水位大于正常蓄水位51.5m時(shí)，無防滲措施條件下水庫向周邊滲漏總量達(dá)1071×104m3/a；三是，采用防滲墻方案后，防滲墻封住深層透水層方案下，整體滲漏量為151×104m3/a；四是，滲流數(shù)值分析結(jié)果表明，垂直防滲措施的設(shè)置能滿足滲漏量控制和滲流穩(wěn)定的要求，同時(shí)垂直防滲措施加大了地下水儲(chǔ)蓄空間，使得庫底形成天然的地下水庫；五是，多組防滲墻不同厚度和滲透性的比較計(jì)算結(jié)果表明，防滲墻滲透性大小對(duì)庫水下滲的總滲漏量影響比較明顯，而厚度的變化對(duì)庫水下滲的總滲漏量具有一定的影響，但是影響滲漏量的程度不如滲透系數(shù)直接敏感。

水庫滲流計(jì)算的邊界條件比較復(fù)雜，影響的因素也較多，作為世界最通用的有限元分析軟件建模方便、快速，能夠快速求解滲流問題，并能很好的對(duì)滲流場予以模擬仿真。希望通過本次實(shí)例計(jì)算對(duì)其它類似水庫有一定的借鑒意義。

[1]毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制（第2版）[M].中國水利水電出版社，2003,9.

[2]章國珍,等.峽江水利樞紐同江防護(hù)區(qū)浸沒范圍分析與預(yù)測[J].人民長江,2011,5.