引水隧洞三維滲流場分析研究

王連廣 劉 陽

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院 吉林長春 130021）

1 工程概況

某引水隧洞工程工作區(qū)位于松遼平原東南側(cè)，是平原和山區(qū)過渡地帶，中部為北東向分布的伊蘭－伊通盆地。區(qū)內(nèi)地勢總體上為兩側(cè)高，中間低，東北高，西南低。

地貌單元主要有河谷堆積地形(漫灘階地)、剝蝕堆積地形(波狀臺地)和構(gòu)造剝蝕地形(中低山丘陵)。區(qū)內(nèi)海拔高度一般為200～400m，最高峰海拔934.2m。河谷海拔一般200m左右，在山區(qū)和丘陵區(qū)，山脊以渾圓狀或?qū)捑彔顭o較大起伏為主要特征。區(qū)內(nèi)自然植被不發(fā)育，多為次生林及人工林。

2 地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

地貌為丘陵與溝谷相間，本段洞長 15km。區(qū)內(nèi)地勢總體上為南高北低，灰?guī)r段地勢東北高，西南低。本段線路走向南西。地貌單元屬低山丘陵和河谷漫灘。高低起伏，山頂見基巖裸露，溝谷中為耕地。最高峰海拔484m，河谷海拔200m，相對高差 270m。一般山峰海拔 200～410m。植被相對不發(fā)育。在山區(qū)和丘陵區(qū)，山脊以渾圓狀或?qū)捑彔顭o較大起伏為主要特征。區(qū)內(nèi)自然植被不發(fā)育，多為次生林及人工林。穿越溝谷處水量隨季節(jié)變化大。隧洞埋深44～186m。本段線路穿越的地層出露較齊全，上古生界、中生界、新生界均有出露。巖性主要為石炭系與泥盆系灰?guī)r、石炭系凝灰?guī)r、三疊系凝灰?guī)r、侏羅系凝灰?guī)r等。工程區(qū)地下水的類型為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水和基巖裂隙水。

2.2 地下水補(bǔ)、徑、排條件

工程區(qū)地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，枯水期地表徑流接受地下水補(bǔ)給，豐水期河水短時補(bǔ)給地下水，地下水以淺循環(huán)為主。受地形切割影響，地下水往往以短途徑流為主，且常以泉的形式排出地表，補(bǔ)給河水，抽水試驗成果見表1，巖體透水性成果見表2。

根據(jù)壓水試驗結(jié)果分析，一般巖體(非構(gòu)造破碎帶、節(jié)理密集帶、溶蝕帶)地表淺部巖體的透水性較強(qiáng)，基本為弱透水～中等透水，分析認(rèn)為這主要是表部巖體受風(fēng)化卸荷節(jié)理裂隙的影響；深部巖體透水性以弱透水為主，說明巖體透水性有隨深度增加而變?nèi)醯内厔荨６词也课粠r體透水性以弱透水為主。構(gòu)造破碎帶及節(jié)理密集帶壓水表明，其透水性也是中等透水為主，這也符合實(shí)際規(guī)律。

3 三維初始滲流場分析

由工程水文地質(zhì)條件及任務(wù)要求，建立各段的滲流有限元計算模型。根據(jù)各區(qū)域內(nèi)井、泉水位監(jiān)測數(shù)據(jù)作為反演目標(biāo)，將其與相應(yīng)的初始滲流場的計算水頭進(jìn)行對比分析，來反映初始滲流場的擬合程度。巖體滲透系數(shù)參數(shù)按表3中范圍初步取值。該段三維有限元計算模型一共剖分了446760單元，模型網(wǎng)格局部放大圖見圖1。

表1 抽水試驗成果表

表2 巖體透水性表

表3 巖層材料滲透系數(shù)表

圖1 三維有限元計算模型網(wǎng)格放大圖

圖2 初始滲流場壓力水頭等值線分布

4 計算邊界條件及計算參數(shù)

4.1 邊界條件

假定模型垂直于上下游面的兩側(cè)面、高程203.8m的水平底面均為不透水面；上游邊界位于某水庫附近，上游邊界地下水位以下按第一類邊界計算，取位置水頭為水庫附近實(shí)測水位303m；下游邊界位于河道附近，地下水位以下同樣按第一類邊界計算，取位置水頭為河道附近實(shí)測地下水位 227.2m。地表面按地下水和實(shí)測的井、泉水位監(jiān)測數(shù)據(jù)作為反演目標(biāo)；河流、水庫按第一類已知水頭邊界考慮；上游邊界的地下水位和下游邊界地下水位之間的地表面為滲流可能的溢出面，實(shí)際溢出點(diǎn)由迭代計算最終確定。

計算的主要工況包括：

（1）引水隧洞開挖前的初始滲流場；

（2）引水隧洞開挖后的滲流場分析。

4.2 初始滲流場計算結(jié)果分析

可以看出，壓力水頭等值線分布均勻，該區(qū)域地勢起伏變化較小，位置水頭范圍為 229.1m至355.9m，其水頭隨山體地勢起伏變化。

表4 滲流場反演井、泉監(jiān)測點(diǎn)擬合情況表

5 引水隧洞開挖后三維滲流場

引水隧洞開挖后，將隧洞內(nèi)邊界作為溢出邊界處理，重新計算開挖后區(qū)域內(nèi)的滲流場分布。隧洞開挖后的滲流場計算結(jié)果具體分析如下：

由圖2可以看出，隧洞開挖后隧洞附近區(qū)域壓力水頭和位置水頭等值線相比初始滲流場變化較大，隧洞頂部水面下降明顯，形成一定范圍的“漏斗區(qū)”。此斷面隧洞局部部位壓力水頭和位置水頭變化均較大，見圖 3、圖 4。由于隧洞開挖后的強(qiáng)排水作用，隧洞外圍位置水頭等勢線分布密集，水頭勢較大，隧洞周圍大約20～40m范圍，洞室上部一定范圍內(nèi)壓力水頭降低極為明顯，40m以外地下水面線逐漸變得平緩。

6 結(jié)語

（1）區(qū)域內(nèi)初始滲流場分布較好，地下水面隨山體起伏有變化明顯，位置水頭勢較大的地方主要分布在水面變化較大的范圍。

（2）從初始滲流場反演擬合的井、泉測點(diǎn)誤差來看，誤差總體較小，除少數(shù)測點(diǎn)的誤差較大，達(dá)到 8～12m外，其余測點(diǎn)誤差均很小。選用井、泉測點(diǎn)的最大誤差為 11.77m，最小誤差為 0.890m。由此可知，反演擬合程度接近，擬合較好，反演所得初始滲流場較好地反應(yīng)了初始地下水、井、泉測點(diǎn)的分布規(guī)律。

（3）隧洞開挖后，區(qū)域內(nèi)滲流場分布規(guī)律隨著隧道開挖分布規(guī)律有一定變化。受隧洞開挖的強(qiáng)排水影響，隧洞附近一定范圍內(nèi)地下水面有一定下降，壓力水頭和位置水頭等值線分布規(guī)律和初始滲流場相比均有較大變化。隧洞局部部位下降特別明顯，在隧洞上方一定范圍內(nèi)形成明顯的“漏斗區(qū)”。隧洞局部部位水頭勢也較大，排水效果明顯，影響較明顯的范圍主要分布在離隧洞 10～40m范圍內(nèi)，大約在 50～100m左右的范圍以外影響逐漸減小，在較遠(yuǎn)處基本不受引水隧洞開挖的影響。

圖3 隧洞附近區(qū)域壓力水頭等值線分布圖

圖4 隧洞附近區(qū)域位置水頭等值線分布圖

（4）根據(jù)引水隧洞開挖后的滲流場計算結(jié)果，分析預(yù)測了各井、泉測點(diǎn)在隧洞開挖前后的水位影響。除少數(shù)幾個測點(diǎn)的變化較小外，多數(shù)部位井、泉水位變化均分布在 10m左右。區(qū)域內(nèi)井、泉水位下降主要發(fā)生在離隧洞較近的泉眼處，而對于遠(yuǎn)離隧洞開挖區(qū)域的井泉測點(diǎn)，水位下降幅度較小。地下水位下降主要為隧洞沿線兩旁50m范圍內(nèi)區(qū)域，隧洞頂部水位影響較大。

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