基于鉆孔資料的三維地質(zhì)模型在土壩滲流分析中的應(yīng)用

汪 燕，陳漢寧

(深圳市水務(wù)科技信息中心，深圳 518036)

1 土壩滲流問(wèn)題與方法簡(jiǎn)述

深圳市共有大小161座水庫(kù)，這些水庫(kù)的擋水建筑物大多為土壩，這些水庫(kù)尤其是小型水庫(kù)大部分建于20世紀(jì)50、60年代，土壩的質(zhì)量良莠不齊，存在諸多安全隱患，雖然管理部門(mén)經(jīng)過(guò)了多次的除險(xiǎn)加固，但大部分土壩仍然存在不同程度的滲流問(wèn)題，如壩基承壓、壩坡散浸、滲漏量偏大、逸出點(diǎn)偏高等問(wèn)題，甚至?xí)r有管涌破壞現(xiàn)象。從深圳市的水庫(kù)監(jiān)測(cè)資料看，即使是后期新建的水庫(kù)，大壩在滲流控制方面仍然不夠理想，上述問(wèn)題依然是管理單位最為關(guān)注的安全問(wèn)題。

目前，在開(kāi)展水庫(kù)安全評(píng)價(jià)時(shí)均對(duì)水庫(kù)的滲流問(wèn)題進(jìn)行了專(zhuān)題分析，在滲流分析的成果中，多采用以典型斷面為計(jì)算斷面，并參照DL/T 5395—2018《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求開(kāi)展二維滲流模型，進(jìn)行壩坡的最大允許滲透坡降、浸潤(rùn)線及滲流量等方面的計(jì)算，這種二維計(jì)算模型存在以點(diǎn)代面的諸多缺點(diǎn)。由于土壩建設(shè)過(guò)程的很多不確定性，受填筑土料的不均勻性、工藝的控制尺度、填筑季節(jié)等因素的影響，土壩的不同斷面有不同的特征，與設(shè)計(jì)的理想?yún)?shù)之間存在不少差異，由此也影響了典型斷面計(jì)算帶來(lái)的準(zhǔn)確性。而三維模型尤其是利用足夠數(shù)量的地質(zhì)鉆孔資料的三維模型，能夠比較客觀和全面地反映水庫(kù)大壩壩體和壩基的真實(shí)參數(shù)，很好地彌補(bǔ)了二維計(jì)算模型的缺陷，由此得到的滲流計(jì)算成果更加可靠。本文結(jié)合深圳市清林徑水庫(kù)的實(shí)際計(jì)算案例，談?wù)劜捎脤?shí)際地質(zhì)鉆孔資料構(gòu)建的三維地質(zhì)模型應(yīng)用于滲流計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)和價(jià)值。

2 構(gòu)建基于地質(zhì)鉆孔的三維地質(zhì)模型

以深圳市清林徑水庫(kù)大壩存在承壓水問(wèn)題的解決方案研究為例，方案擬定之前，經(jīng)過(guò)地質(zhì)勘探、物探工作后，基本掌握了清林徑水庫(kù)大壩承壓水的分布特性，但是由于清林徑水庫(kù)庫(kù)區(qū)基巖為砂巖，風(fēng)化程度極不均勻，全、強(qiáng)、弱風(fēng)化巖均有出露，地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)承壓水滲流規(guī)律缺乏系統(tǒng)性認(rèn)知，因此，為弄清林徑水庫(kù)大壩壩附近的實(shí)際地層分布，同時(shí)探討該地區(qū)產(chǎn)生局部承壓現(xiàn)象的機(jī)理，在開(kāi)展清林徑水庫(kù)大壩承壓水處理方案之前，利用庫(kù)區(qū)已有的47個(gè)地質(zhì)鉆孔構(gòu)建了三維地質(zhì)模型。

2.1 三維地質(zhì)建模方法

三維地質(zhì)模型是地質(zhì)現(xiàn)象的仿真三維表達(dá)，通常可以將地質(zhì)要素概括為點(diǎn)、線、面、體4類(lèi)，其中點(diǎn)狀要素為地面采集點(diǎn)、地質(zhì)鉆孔點(diǎn)等；線狀要素為各地層界面線；面狀要素為各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、地層面、地下水位面等；體狀要素為地質(zhì)實(shí)體，地質(zhì)變量等。通過(guò)建立上述4類(lèi)要素之間的拓?fù)潢P(guān)系就可以構(gòu)成三維地質(zhì)模型。在綜合應(yīng)用概率、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等基礎(chǔ)上，基于鉆孔數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)模型智能建模方法包括：空間相關(guān)性原理，即鉆孔地層在空間上距離越近相關(guān)性越大；已知等同原理，即在已知的子空間分析出的解與原信息完全相等，或者是相似。這種等同、或者是相似不僅僅在N維的離散點(diǎn)上，而且也滿足任意N維連續(xù)空間；相關(guān)性模糊測(cè)度原理，即模糊集的核心就是描述不同對(duì)象在某一屬性上的對(duì)比性，相關(guān)性模糊測(cè)度原理，就是通過(guò)模糊測(cè)度來(lái)反映這種相關(guān)性；不同屬性概率測(cè)度原理，就是對(duì)待分析空間任意一點(diǎn)的多解屬性進(jìn)行概率或者是幾率分析；背景及約束耦合原理，就是說(shuō)在重構(gòu)分析過(guò)程中，可以完全將約束條件和整個(gè)待求分析區(qū)間的背景因素耦合起來(lái)，進(jìn)行綜合分析。

2.2 清林徑大壩三維地質(zhì)模型

該水庫(kù)擴(kuò)建工程可研階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段分別在承壓水區(qū)布置了共47個(gè)地質(zhì)鉆孔信息，基本滿足清林徑大壩附近的地質(zhì)情況進(jìn)行了三維地質(zhì)建模的鉆孔密度要求，因此，在進(jìn)行滲流安全分析時(shí)建立了三維地質(zhì)模型。圖1為地質(zhì)鉆孔的平面分布及空間分布圖，建成后的地質(zhì)模型如圖2所示，地質(zhì)模型中包括區(qū)域內(nèi)典型地層、巖層。

圖1 清林徑承壓區(qū)地質(zhì)鉆孔分布圖

圖2 清林徑承壓區(qū)三維地質(zhì)模型

3 三維地質(zhì)模型在滲流分析中的應(yīng)用

利用三維地質(zhì)模型，本案例對(duì)清林徑砂巖壩基承壓水區(qū)進(jìn)行了三維滲流有限元計(jì)算分析，包括對(duì)清林徑原大壩以及黃龍湖原大壩的主體結(jié)構(gòu)及滲控措施進(jìn)行了較精細(xì)的模擬，其中包括土石壩結(jié)構(gòu)(壩填土)、混凝土防滲墻、灌漿帷幕等；對(duì)壩基主要覆蓋層基礎(chǔ)、基巖進(jìn)行了模擬，包括殘坡積土、覆蓋層、全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、弱風(fēng)化砂巖以及微風(fēng)化砂巖等。模型中生成后主要由六面體8結(jié)點(diǎn)等參元和局部區(qū)五面體6結(jié)點(diǎn)過(guò)渡性等參元組成，以前者為主，共有85763個(gè)節(jié)點(diǎn)和80036個(gè)單元。圖3為生成后的三維有限元網(wǎng)格模型，圖4為網(wǎng)格中大壩的典型斷面圖。

圖3 清林徑水庫(kù)大尺度三維滲流有限元分析模型

圖4 清林徑水庫(kù)大壩典型剖面模型

3.1 計(jì)算條件及參數(shù)范圍

在有限元計(jì)算分析過(guò)程中，清林徑水庫(kù)上游水位與實(shí)測(cè)水位取為一致，大壩上游側(cè)地表邊界中低于庫(kù)水位的地方取為已知水頭邊界(一類(lèi)水頭邊界)，在水庫(kù)的下游側(cè)遠(yuǎn)端強(qiáng)透水層部位取為可能的逸出邊界。對(duì)于大壩的壩體模擬，根據(jù)資料顯示，1992年該壩曾在除險(xiǎn)加固過(guò)程中在壩軸線附近打了一道混凝土防滲墻，該墻的底部高程為36.00m，未在墻底續(xù)打防滲帷幕；在近兩年又曾在壩下游坡一級(jí)馬道附近打了一道防滲帷幕，根據(jù)設(shè)計(jì)方的意見(jiàn)，在數(shù)值仿真過(guò)程中考慮前者，不考慮后者防滲帷幕的影響。同時(shí)，還需要考慮了近期已經(jīng)在大壩下游增設(shè)的防滲墻和灌漿帷幕。計(jì)算工況上，主要模擬以下工況條件：不考慮近期增設(shè)的下游防滲墻和灌漿帷幕，只考慮壩體內(nèi)的一道防滲墻作用。

3.2 滲流場(chǎng)演變規(guī)律反演

通過(guò)對(duì)清林徑大壩及周邊黃龍湖水庫(kù)大壩區(qū)域的承壓水有限元滲流反演，獲得了該區(qū)域內(nèi)全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖(上部)、強(qiáng)風(fēng)化砂巖(中、下部)、弱風(fēng)化砂巖、微風(fēng)化砂巖、殘坡積土、壩填土以及混凝土防滲墻的滲透性參數(shù)，通過(guò)此次承壓水演變規(guī)律的反演數(shù)值分析，還獲得了該承壓水區(qū)域內(nèi)的整體滲流分布情況，如圖5所示。清林徑大壩、黃龍湖大壩以及兩壩之間的典型剖面水頭等值線分布如圖6—9所示。

圖5 清林徑水庫(kù)大壩承壓水附近地下水分布反演結(jié)果(單位：m)

圖6 大壩典型剖面1(穿過(guò)承壓水區(qū))水頭等值線分布(單位：m)

圖7 大壩典型剖面2(未穿過(guò)承壓水區(qū))水頭等值線分布(單位：m)

圖8 黃龍湖大壩典型剖面水頭等值線分布(單位：m)

圖9 壩間山體區(qū)域(穿過(guò)承壓水區(qū))水頭等值線分布(單位：m)

3.3 反演成果驗(yàn)證分析

3.3.1特征點(diǎn)的水位反演結(jié)果

通過(guò)對(duì)清林徑大壩附近承壓水區(qū)的地下水位反演，獲得了原預(yù)埋觀測(cè)孔的承壓水位情況：在上游庫(kù)水位為58.5m時(shí)，其中一個(gè)預(yù)埋觀測(cè)孔實(shí)測(cè)水頭高程52.86m，反演結(jié)果為53.40m；另一預(yù)埋觀測(cè)孔高程達(dá)到了52.0m，反演結(jié)果為52.43m。從典型點(diǎn)的承壓水頭反演結(jié)果來(lái)看，反演值與實(shí)測(cè)值吻合較好，兩者相差最大約0.5m，反演結(jié)果較好。

3.3.2滲流場(chǎng)等水頭線分布

從清林徑大壩承壓水區(qū)及黃龍湖水位大壩區(qū)域的地下水反演結(jié)果來(lái)看，整體趨勢(shì)上，整個(gè)滲流場(chǎng)中水頭等值線形態(tài)、走向和密集程度都較準(zhǔn)確地反映了相應(yīng)區(qū)域防滲或排水滲控措施的特點(diǎn)、滲流特性和邊界條件，計(jì)算域內(nèi)的主要防滲和排水區(qū)域都得到了細(xì)致的模擬，滲控效果也及時(shí)得到了正確反映。

由圖5及圖6—9的計(jì)算成果可知，計(jì)算區(qū)域在水庫(kù)蓄水條件下的滲流特性具有典型的三維滲流特征：①蓄水后，清林徑水庫(kù)庫(kù)水不僅通過(guò)壩基透水帶向壩后下游遠(yuǎn)端滲漏，更通過(guò)左岸透水帶繞過(guò)壩肩向下游遠(yuǎn)端滲漏；由于下游地表存在人工填土層、殘坡積土層等弱透水性介質(zhì)，因此壩下游地下水在地表出露較少，均沿地基強(qiáng)、弱風(fēng)化砂巖帶向遠(yuǎn)端滲漏；從圖4可以看出，壩區(qū)承壓水的最大水頭相比于上庫(kù)庫(kù)水低2.5～3.0m。②黃龍湖水庫(kù)大壩附近的地下水流動(dòng)也呈現(xiàn)出較為明顯的三維特征：庫(kù)水通過(guò)壩體向壩后遠(yuǎn)端滲漏的同時(shí)，也通過(guò)壩體右岸山體向下游滲漏，地表基本無(wú)地下水出露，均沿著地基強(qiáng)、若風(fēng)化砂巖向遠(yuǎn)端滲漏。③承壓水區(qū)域的補(bǔ)給條件：從三維滲流反演結(jié)果來(lái)看，清林徑大壩區(qū)的承壓水補(bǔ)給途徑主要包括大壩的庫(kù)水滲漏，此外，黃龍湖水庫(kù)的庫(kù)水通過(guò)兩座大壩之間的山體中強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體向承壓水區(qū)補(bǔ)給。④承壓水的排泄途徑：從圖5可以看出，承壓水區(qū)也有逐步向下游遠(yuǎn)端滲漏的趨勢(shì)，但滲漏速度緩慢。

從反演結(jié)果看，利用三維地質(zhì)模型開(kāi)展的滲流場(chǎng)模擬分析，比較客觀和全方位反演了清林徑水庫(kù)大壩承壓水區(qū)的滲流情況，結(jié)論與實(shí)際觀測(cè)參數(shù)的符合度很高，對(duì)該水庫(kù)的承壓水截?cái)酀B控措施的制定有非常積極的意義，對(duì)以后水庫(kù)建成以后的運(yùn)行管理提供了重要的仿真模擬模型，可以直觀、動(dòng)態(tài)地測(cè)算大壩的滲流特征，為實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩智慧運(yùn)行管理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 三維地質(zhì)模型應(yīng)用展望

大壩尤其是土壩，具有壩體結(jié)構(gòu)的不均勻性，壩基也存在巖性的多變性，因此，建立三維地質(zhì)模型的關(guān)鍵是地質(zhì)鉆孔資料要足夠豐富，鉆孔布局要合理，能夠全面準(zhǔn)確反映大壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)、壩基巖性、上下游、壩肩等部位的整體參數(shù)信息，鉆孔布置密度越大越好，模擬準(zhǔn)確度越高。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合水力學(xué)、土力學(xué)等學(xué)科理論，全面直觀地模擬計(jì)算包括滲流、應(yīng)力應(yīng)變、抗滑穩(wěn)定等安全問(wèn)題，計(jì)算完成后，可以在三維模型的任何斷面提取數(shù)據(jù)，特別是可以和由監(jiān)測(cè)設(shè)施的重合斷面讀取數(shù)據(jù)并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，用于驗(yàn)證滲流計(jì)算成果的合理性。

從清林徑水庫(kù)大壩承壓水三維地質(zhì)模型的模擬尺度和結(jié)果看，比較準(zhǔn)確地模擬了大壩的滲流機(jī)理和規(guī)律，經(jīng)過(guò)比對(duì)，與實(shí)際的監(jiān)測(cè)資料吻合度較高，同時(shí)這個(gè)成果也在該工程的防滲體系建設(shè)中提供了科學(xué)數(shù)據(jù)，借鑒清林徑水庫(kù)大壩承壓水滲流分析的成功經(jīng)驗(yàn)，深圳市另一座大型水庫(kù)公明水庫(kù)4號(hào)壩的應(yīng)力應(yīng)變分析也擬采用三維地質(zhì)模型進(jìn)行模擬分析，下一步可以在更多的水庫(kù)大壩安全分析中應(yīng)用。以此類(lèi)同，三維地質(zhì)模型的應(yīng)用不光在大壩的結(jié)構(gòu)計(jì)算中可以發(fā)揮作用，同時(shí)可在堤防、水閘、隧洞等建筑物中均可以采用。

5 結(jié)語(yǔ)

全面模擬建筑物的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)反映建筑物的運(yùn)行性能和健康狀況，是將來(lái)工程建設(shè)和運(yùn)行管理的一個(gè)必然趨勢(shì)，對(duì)于新建工程而言，構(gòu)建類(lèi)似BIM模型的參數(shù)可以從勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行中全過(guò)程收集和獲取。但對(duì)于已建工程而言，構(gòu)建模型需要補(bǔ)齊的歷史參數(shù)很多，獲取難度非常大，而本文采用三維地質(zhì)模型模擬分析方法是很好的過(guò)渡辦法，對(duì)已建工程健康評(píng)價(jià)和除險(xiǎn)加固措施的制定有積極指導(dǎo)意義。本文案例中的鉆孔密度有限，驗(yàn)證觀測(cè)資料系列較短，導(dǎo)致建模范圍、精度及可靠性驗(yàn)證等方面均存在不足之處，在類(lèi)似工程應(yīng)用時(shí)可加以改進(jìn)。