基于GMS的水庫壩基滲漏三維數值模擬分析

龍文華，邱慧玲

(廣東省地質環境監測總站,廣東 廣州 510000)

0 引言

近年來,為了合理有效的利用水資源,水庫大壩建設數量越來越多,水庫滲漏是水庫建成運行過程中不可避免的問題,滲漏形式為壩基滲漏、壩肩滲漏和繞壩滲漏[1],主要表現為庫水沿著巖石的孔隙、裂隙、斷層以及溶洞向溝谷低地和地下水含水層滲漏[2]。水庫的滲漏不僅會影響水庫的效益發揮,還容易誘發次生地質災害和生態危害[3]。庫區滲漏量的估計常采用滲流理論公式的解析計算[4-6]和以有限元法為代表的三維數值模型計算[7-8]。GMS作為一款地下水可視化水流模擬軟件,具有界面友好、條理清晰、可視化程度高、菜單與程序模塊化的特征,并提供了比較好的模型數據前處理和后處理的環境。本文在現有勘探和觀測數據基礎上,充分利用GMS的特點,建立水庫壩區地下水流數值模型,模擬預測不同條件下的壩基滲漏量,分析水庫滲漏原因和可能的滲漏部位,為水庫防滲處理提供依據。

1 工程概況

該工程是以城市防洪和供水為主,兼顧生態農業灌溉和發電等綜合利用的大(Ⅱ)型水利工程,由主壩、副壩、左右岸泄洪沖砂洞、溢洪道、發電引水洞及電站等主要建筑物組成。主壩壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩,壩頂設有鋼筋混凝土防浪墻;上游壩坡采用堆石護坡,下游壩坡采用漿砌石網格內填碎石護坡;河床覆蓋層至基巖采用混凝土防滲墻進行防滲。副壩位于左岸條型山脊上,為折線形布置,壩型為復核土工膜心墻砂礫石壩;副壩防浪墻底部與復核土工膜相連,土工膜底部與壩基灌漿蓋板相接,兩側與溢洪道側墻及混凝土連接墻銜接。水庫下閘蓄水后,內部觀測儀器數據顯示水庫有滲漏,進行防滲處理后,明流消失,但后期壩基滲漏問題仍然較嚴重[9]。

2 庫區水文地質概況

2.1 庫區地質概況

2.2 庫區水文地質條件

庫區地下水包括松散類孔隙含水介質、基巖裂隙含水介質及碎屑巖類孔隙裂隙含水介質3類。混合花崗片麻巖滲透系數較小,為相對隔水層。

1)松散類孔隙含水介質:分布于連續河谷區,靠近兩岸部位尖滅。上部巖性為卵礫石,厚度為15 m～20 m,滲透系數大,含水層透水性強;下部為含少量細粒土卵礫石,厚度10 m～15 m,河谷中部分布連續,靠近兩岸部位尖滅,滲透系數小于上部。2)基巖裂隙含水介質:分布于兩岸及壩基第四系覆蓋層以下,巖性為玄武巖,其賦水性不勻,透水性變化較大,水平徑流強度大于垂直徑流強度,兩岸玄武巖滲透性大于河床部位玄武巖。該含水層與松散類孔隙含水層組成統一的潛水含水層。3)碎屑巖類孔隙裂隙含水介質:分布于壩基深層玄武巖下部,巖性為卵礫石,多為半成巖狀,局部破碎松散,孔隙大,透水性強,具承壓性,其補給來源主要是水庫上游河水及兩側山體的裂隙水補給。

3 水文地質概念模型

3.1 模型范圍和邊界條件

3.1.1 模型范圍

根據庫區水文地質條件、防滲體結構、主副壩位置、數值模擬目的,同時考慮庫水位變化對壩區地下水的影響等因素,模型范圍以壩軸線為中心向上、下游延伸,上游邊界距壩軸線400 m,下游邊界距壩軸線460 m,左側由右壩肩外延120 m為界,右側以副壩外側溝谷為界(見圖1),面積為866 810 m2。

3.1.2 邊界條件

因為本次模擬僅考慮庫水位變化影響,且與地下水側向徑流相關的資料缺乏,所以模擬時忽略地下水側向徑流本身對地下水的影響,將上下游地下水邊界概化為定水頭邊界(Specified Head),水庫大壩兩端延伸邊界為通用水頭邊界(General Head),出水點附近為線性排水渠(drain),邊界類型及分布如圖2所示。

3.2 水文地質結構模型

3.2.1 三維地質模型

根據區內的鉆孔、壩址、地形地貌等數據,將研究區從上至下分為第四系沖洪積物、第三系上新統玄武巖、第三系中新統砂礫巖、侏羅系凝灰質礫巖及前震旦系混合花崗片麻巖4層(見圖3)。

3.2.2 垂向結構概化

根據壩址區的水文地質條件,垂向上將地下水系統概化為六層(見圖4),結合GMS軟件的特點,每層在整個模型范圍內必須連續分布。

4 地下水流數值模型

4.1 數學模型

根據地下水動力學理論和已建立的水文地質概念模型,建立庫區各向異性三維穩定地下水數學模型(見式(1)):

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z)

H(x,y,z,t)|B1=H1(x,y,z,t)

(1)

其中,Kx,Ky,Kz均為含水層水平滲透系數,m/d;H為含水層水位,m;x,y,z均為坐標位置;H0為初始水位;B1為邊界條件。

4.2 數值模型結構

4.2.1 空間離散

按照矩形網格剖分,將研究區剖分為106行、161列,6層,每層17 066個網格,其中活動單元16 060個,非活動單元1 006個。壩體心墻及左右壩肩附近進行了適當加密(見圖5)。

建模過程中,將全區統一概化為6個含水層。

4.2.2 定解條件的處理

1)初始水頭:由各地下水位觀測點觀測水位插值確定。

2)定水頭邊界:壩軸線上游定水頭邊界取庫水位標高為703.05 m,水庫水面范圍為定水頭邊界取庫水位標高為703.05 m,下游定水頭邊界水位根據地形標高及地下水位標高關系由軟件確定;側向邊界為通用水頭邊界。

3)出水點邊界:出水點邊界按照排水渠確定。

4.3 模型的識別

擬合首先采用Pest進行自動參數識別,然后再根據水文地質條件人工進行參數調整,最終識別出符合實際水文地質條件的參數。

4.3.1 模型的識別

利用現有鉆孔水位進行參數識別及驗證,重點通過各含水層參數的調整來達到單點觀測水位與計算水位的擬合。擬合水位誤差大部分小于0.5 m(如圖6所示)。

4.3.2 現狀滲漏量

模型識別的同時,計算出現狀條件下(庫水位為703.5 m)水庫庫區總滲漏量為15 141.89 m3/d,其中明渠排泄量為10 497.20 m3/d(2017年實測流量10 540.8 m3/d),地下徑流量為4 644.70 m3/d。壩體部位第四系地層滲漏量最大(11 852.62 m3/d),壩體與玄武巖的接觸部位滲漏量(2 080.92 m3/d)次之,第三系砂礫巖層滲漏量(971.00 m3/d)較小。現狀條件情況下壩體、第四系地層及壩基深層玄武巖下部的第三系半膠結砂礫巖均存在滲漏,主要滲漏地段位于主壩兩側壩體和第四系地地層,其次為主壩和副壩壩基深層玄武巖下部的第三系半膠結砂礫巖,這與前期勘探成果相符。

4.4 滲漏量預測

按照僅改變庫水位、防滲處理而不改變庫水位2個場景進行預測。

4.4.1 改變滲漏量預測

場景1為邊界條件不變(不做防滲處理)庫水位由703.5 m蓄水至724 m的情況。根據識別后的模型,預測水庫的總滲漏量為31 165.80 m3/d。其中明渠排泄量為25 308.98 m3/d,比2017年實測流量(10 540.8 m3/d)增加了140%;地下徑流量為5 856.82 m3/d,比現狀地下徑流量(4 644.70 m3/d)增加了26%。主壩下游觀測孔的水位變幅最大(10.88 m),地下水水位主要受明渠排泄的影響較大。

4.4.2 庫壩防滲體修復后的滲漏量預測

場景2為庫壩防滲體修復后其防滲體的滲透系數減小,庫水位仍為703.05 m的情況。根據識別后的模型,對防滲體的滲透系數進行重新賦值后預測庫壩滲漏量。預測水庫的總滲漏量為3 923.05 m3/d。其中明渠排泄量為1 335.00 m3/d,比2017年實測流量減少了87.3%;地下徑流量為2 588.05 m3/d,比現狀地下徑流量減少了44.3%。庫壩防滲體修復后,主壩心墻下游水位明顯降低(見圖7)。

5 結論

通過本次模擬,發現現狀條件下壩體、第四系地層及壩基深層玄武巖下部的第三系半膠結砂礫巖均存在滲漏,主壩兩側壩體和第四系地地層為主要滲漏地段,其次為主壩和副壩壩基深層玄武巖下部的第三系半膠結砂礫巖。后期水庫管理單位根據本次預測結果,在相應位置進行防滲處理后,有效解決了庫壩的滲漏問題。