潛水的非穩定運動理論在水庫滲漏量計算中的應用

2016-07-29 09:31:56郭印亮

海河水利 2016年1期

郭印亮

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津　300250）

郭印亮

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

摘要：新建一個水庫工程前，一般都要對水庫的壩址、庫容、滲漏、浸沒、庫岸穩定等問題進行研究、分析，并給出評價結論。其中，水庫滲漏、浸沒問題影響到水庫的效益、周圍的生態環境及建筑物安全。詳細介紹了地下水動力學原理在水庫浸沒范圍預測及滲漏量估算中的應用。

關鍵詞：地下水動力學；水庫；浸沒；滲漏量

1　水庫滲漏及浸沒的概念

水庫滲漏包括暫時性滲漏與永久性滲漏。暫時性滲漏是指水庫蓄水初期為了飽和庫水位以下巖土體的孔隙、裂隙和空洞而出現的庫水損失，這部分滲漏損失是所有水庫都有的暫時現象，不影響水庫永久性蓄水和正常運行，一般不作專門研究。永久性滲漏是指庫水沿著透水的巖土體或構造流向庫外的鄰谷、洼地或壩下游區域而形成的滲漏現象，這種滲漏是長期的，直接影響水庫的蓄水效益。一定時間段內的滲漏量與滲透途徑的巖土體的透水性、滲徑長短及水頭大小有關，永久性滲漏是水庫滲漏問題研究的重點。

水庫浸沒是指水庫蓄水后水庫周圍地下水位抬高，導致地面鹽漬化、沼澤化、建筑物地基條件惡化等現象。在丘陵地區、山前洪積扇及平原區修建水庫，由于水庫周圍地勢低緩，巖土體具有一定的透水性，很容易發生浸沒現象，且范圍很大。水庫浸沒問題有時會影響到蓄水位及壩址的選擇。

2　水庫滲漏量的計算

2.1假定條件

（1）含水層為均質各向同性且無限延伸，位于水平隔水層以上。

（2）水庫蓄水前的地下水潛水位近水平，水力坡度為零。

（3）水庫連續快速蓄水至正常蓄水位，上升幅度為Δh0,t，且上升后蓄水位保持不變，可按式（1）計算。

式中∶h0,t為自起始時刻水位抬升至t時刻到達的水位（m）；h0,0為起始時刻對應的水位（m）。

（4）計算壩基滲漏量時，庫水在壩基巖土體的滲漏看作一維流。

（5）蓄水位變幅不大于0.1～0.2倍的潛水流厚度。

（6）正常蓄水位與岸邊或壩體相交處對應的滲漏計算斷面為起始斷面0，沿滲流方向距起始斷面0的距離為x的斷面為滲漏計算斷面x，t時刻斷面x的水位為u（x,t）。

2.2計算公式

u（x,t）計算公式為：

式中：u（x,t）為距起始滲漏斷面0距離為x、時間為t時的斷面x水位（m）；F（λ）為與x、t及壓力傳導系數a有關的系數，查表確定；a為壓力傳導系數（m2/d），a=k×hm/μ；μ為潛水含水層的給水度；hm為潛水流平均厚度（m）；k為巖土體滲透系數（m/d）。

根據達西定律，滲透流速v=kI，經推導可得到：

式中：v為任意時刻t（d）、至起始斷面0距離為x（m）處的滲透流速（m/d）；k為滲透系數（m/d）；I為水力比降，即沿水流方向單位長度上的水頭差（m）；u（x,t）為距起始滲漏斷面0距離為x、時間為t時的斷面x水位（m）；Δh0,t為t=0時刻水庫水位連續快速上升至正常蓄水位時的上升幅度（m）；a為壓力傳導系數（m2/d），a=k×hm/μ；μ為潛水含水層的給水度；hm為潛水流平均厚度（m）。

根據式（3），可得單寬流量的計算公式：

式中：q1為單寬流量（m3/d）；hm為潛水流平均厚度（m）；v為任意時刻t（d）、至起始斷面0距離為x（m）處的滲透流速（m/d）；k為滲透系數（m/d）；Δh0,t為t=0時刻水庫水位連續快速上升至正常蓄水位時的上升幅度（m）；a為壓力傳導系數（m2/d），a=k×hm/μ；μ為潛水含水層的給水度。

由式（4）可知：

（2）同一斷面單寬流量隨時間的增大而逐漸減小。

（3）水庫蓄水后時間t內起始斷面0處的單寬滲漏量Vt可按式（5）計算。

式中：Vt為水庫蓄水后時間t（d）內起始斷面0處的單寬滲漏量（m3）；hm為潛水流平均厚度（m）；k為滲透系數（m/d）；Δh0,t為t=0時刻水庫水位連續快速上升至正常蓄水位時的上升幅度（m）；a為壓力傳導系數（m2/d），a=k×hm/μ；μ為潛水含水層的給水度。

3　水庫浸沒范圍的預測

水庫蓄水后將引起水庫周圍潛水位升高，當潛水位升高達到地下水埋深臨界值Hcr時將形成庫區周圍的浸沒現象。地下水埋深臨界值Hcr可按式（6）計算。

式中：Hk為土的毛細管上升高度（m）；ΔH為安全超高值（m）。

hx,t的計算公式為：

式中：hx,t為某一時刻t（d）不同斷面x（m）處的潛水位（m）；h0,0為潛水位（m）；Δh0,t為t=0時刻水庫水位連續快速上升至正常蓄水位時的上升幅度（m）；F（λ）為與x、t及壓力傳導系數a有關的系數，查表確定；a為壓力傳導系數（m2/d），a=k×hm/μ；μ為潛水含水層的給水度；hm為潛水流平均厚度（m）；k為巖土體滲透系數（m/d）。

式（7）中，潛水位h0,0、庫水位的上升幅度Δh0,t是確定的，根據式（6）可以確定斷面x處發生浸沒時地下水埋深臨界值對應的hx,t值，根據式（7）可求出F（λ）值，根據 F（λ）值查表取得 λ值。根據λ=及至初始斷面0的距離x，可以計算達到浸沒狀態的時間t。實例，見表1。