濮陽市引黃灌溉調(diào)節(jié)水庫三維有限元滲流計算分析

□張桂花 □張一冰 □田永軍（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司）

□胡士輝（黃河水利委員會水文局）

引言

濮陽市引黃灌溉調(diào)節(jié)水庫工程東西向長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)，通過計算，了解水庫不同運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算程序UNSS3，計算中土體透水性均概化為非均質(zhì)各向同性，滲流量計算采用中斷面法。

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?？傮w模擬面積為320km2。整個模型沿垂向方向劃分12個水平斷面，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、壤土隔水層等實際土層分布，其中主含水層和隔水層分為2～3層，每個近似水平面斷面上劃分了3771個結(jié)點、7488個三角形單元，每個斷面上按實際勘察土層高程進行各土層的精確模擬，總計剖分結(jié)點45242個，計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。由計算機自動將輸入的三棱柱元剖為3個四面體單元。四面體單元為179712個。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)相對疏些。自由面求解方法為虛點法。

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，由庫岸逐漸向外擴大，至邊界為500m。

2.2 計算分析的邊界條件和參數(shù)

2.2.1 計算模型邊界

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，計算范圍達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月實測資料)。東西部暫取為隔水邊界。

2.2.2 計算參數(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，進行反演計算，反演模擬過程中將根據(jù)計算模擬水位與勘探剖面鉆孔水位比較作小幅調(diào)整。為了進行工程區(qū)天然滲流場反演擬合成果的評價分析，將不同時期地質(zhì)勘探鉆孔水位與相同部位反演擬合計算水位進行對比統(tǒng)計，吻合程度達83%。根據(jù)對眾多水利水電工程區(qū)的天然滲流場反演擬合的經(jīng)驗，吻合程度達70%以上即屬理想狀態(tài)。說明計算模型基本符合實際，反演的主要水文地質(zhì)參數(shù)見表1，以反演后的參數(shù)作為計算參數(shù)。

表1 初擬和反演各巖層滲透系數(shù)表

2.3 計算內(nèi)容和計算工況

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，運行期不防滲的總滲流場計算分析；三是，運行期防滲墻方案的總滲流場計算分析。通過不同滲控方案對工程滲流場的影響比較分析，確定最優(yōu)的滲控組合方案。具體計算工況如表2所示。

表2 滲流計算工況一覽表

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

2.4 計算成果分析

2.4.1 地下水位反演計算

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)反演迭代計算，得到地下水浸潤面（實線）與地勘時實測得到的地下水浸潤面（虛線）。

2.4.2 庫岸不防滲時滲流場模擬計算分析

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，模擬運行期蓄水工況計算，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，影響半徑達到5603m。

2.4.3 庫岸防滲墻方案滲流場模擬計算分析

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

對防滲墻成墻后蓄水運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，防滲墻對于庫水下滲量具有較好的阻滲截斷作用。與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庫水下滲的總滲漏量影響比較明顯，而厚度的變化對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?？梢杂脕砟M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)值模型對蓄水運行方案進行了模擬計算，當(dāng)水位大于正常蓄水位51.5m時，無防滲措施條件下水庫向周邊滲漏總量達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，同時垂直防滲措施加大了地下水儲蓄空間，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算結(jié)果表明，防滲墻滲透性大小對庫水下滲的總滲漏量影響比較明顯，而厚度的變化對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，并能很好的對滲流場予以模擬仿真。希望通過本次實例計算對其它類似水庫有一定的借鑒意義。

[1]毛昶熙.滲流計算分析與控制（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區(qū)浸沒范圍分析與預(yù)測[J].人民長江,2011,5.