基于GMS的水庫(kù)壩基滲漏三維數(shù)值模擬分析

龍文華，邱慧玲

(廣東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,廣東 廣州 510000)

0 引言

近年來(lái),為了合理有效的利用水資源,水庫(kù)大壩建設(shè)數(shù)量越來(lái)越多,水庫(kù)滲漏是水庫(kù)建成運(yùn)行過(guò)程中不可避免的問(wèn)題,滲漏形式為壩基滲漏、壩肩滲漏和繞壩滲漏[1],主要表現(xiàn)為庫(kù)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(kù)的滲漏不僅會(huì)影響水庫(kù)的效益發(fā)揮,還容易誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)危害[3]。庫(kù)區(qū)滲漏量的估計(jì)常采用滲流理論公式的解析計(jì)算[4-6]和以有限元法為代表的三維數(shù)值模型計(jì)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(shù)據(jù)前處理和后處理的環(huán)境。本文在現(xiàn)有勘探和觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,充分利用GMS的特點(diǎn),建立水庫(kù)壩區(qū)地下水流數(shù)值模型,模擬預(yù)測(cè)不同條件下的壩基滲漏量,分析水庫(kù)滲漏原因和可能的滲漏部位,為水庫(kù)防滲處理提供依據(jù)。

1 工程概況

該工程是以城市防洪和供水為主,兼顧生態(tài)農(nóng)業(yè)灌溉和發(fā)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(fā)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(shè)有鋼筋混凝土防浪墻;上游壩坡采用堆石護(hù)坡,下游壩坡采用漿砌石網(wǎng)格內(nèi)填碎石護(hù)坡;河床覆蓋層至基巖采用混凝土防滲墻進(jìn)行防滲。副壩位于左岸條型山脊上,為折線形布置,壩型為復(fù)核土工膜心墻砂礫石壩;副壩防浪墻底部與復(fù)核土工膜相連,土工膜底部與壩基灌漿蓋板相接,兩側(cè)與溢洪道側(cè)墻及混凝土連接墻銜接。水庫(kù)下閘蓄水后,內(nèi)部觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)顯示水庫(kù)有滲漏,進(jìn)行防滲處理后,明流消失,但后期壩基滲漏問(wèn)題仍然較嚴(yán)重[9]。

2 庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)概況

2.1 庫(kù)區(qū)地質(zhì)概況

2.2 庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)條件

庫(kù)區(qū)地下水包括松散類孔隙含水介質(zhì)、基巖裂隙含水介質(zhì)及碎屑巖類孔隙裂隙含水介質(zhì)3類。混合花崗片麻巖滲透系數(shù)較小,為相對(duì)隔水層。

1)松散類孔隙含水介質(zhì):分布于連續(xù)河谷區(qū),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(shù)大,含水層透水性強(qiáng);下部為含少量細(xì)粒土卵礫石,厚度10 m～15 m,河谷中部分布連續(xù),靠近兩岸部位尖滅,滲透系數(shù)小于上部。2)基巖裂隙含水介質(zhì):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(qiáng)度大于垂直徑流強(qiáng)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(tǒng)一的潛水含水層。3)碎屑巖類孔隙裂隙含水介質(zhì):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(qiáng),具承壓性,其補(bǔ)給來(lái)源主要是水庫(kù)上游河水及兩側(cè)山體的裂隙水補(bǔ)給。

3 水文地質(zhì)概念模型

3.1 模型范圍和邊界條件

3.1.1 模型范圍

根據(jù)庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)條件、防滲體結(jié)構(gòu)、主副壩位置、數(shù)值模擬目的,同時(shí)考慮庫(kù)水位變化對(duì)壩區(qū)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(cè)由右壩肩外延120 m為界,右側(cè)以副壩外側(cè)溝谷為界(見(jiàn)圖1),面積為866 810 m2。

3.1.2 邊界條件

因?yàn)楸敬文M僅考慮庫(kù)水位變化影響,且與地下水側(cè)向徑流相關(guān)的資料缺乏,所以模擬時(shí)忽略地下水側(cè)向徑流本身對(duì)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(kù)大壩兩端延伸邊界為通用水頭邊界(General Head),出水點(diǎn)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(zhì)結(jié)構(gòu)模型

3.2.1 三維地質(zhì)模型

根據(jù)區(qū)內(nèi)的鉆孔、壩址、地形地貌等數(shù)據(jù),將研究區(qū)從上至下分為第四系沖洪積物、第三系上新統(tǒng)玄武巖、第三系中新統(tǒng)砂礫巖、侏羅系凝灰質(zhì)礫巖及前震旦系混合花崗片麻巖4層(見(jiàn)圖3)。

3.2.2 垂向結(jié)構(gòu)概化

根據(jù)壩址區(qū)的水文地質(zhì)條件,垂向上將地下水系統(tǒng)概化為六層(見(jiàn)圖4),結(jié)合GMS軟件的特點(diǎn),每層在整個(gè)模型范圍內(nèi)必須連續(xù)分布。

4 地下水流數(shù)值模型

4.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)理論和已建立的水文地質(zhì)概念模型,建立庫(kù)區(qū)各向異性三維穩(wěn)定地下水?dāng)?shù)學(xué)模型(見(jiàn)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(shù),m/d;H為含水層水位,m;x,y,z均為坐標(biāo)位置;H0為初始水位;B1為邊界條件。

4.2 數(shù)值模型結(jié)構(gòu)

4.2.1 空間離散

按照矩形網(wǎng)格剖分,將研究區(qū)剖分為106行、161列,6層,每層17 066個(gè)網(wǎng)格,其中活動(dòng)單元16 060個(gè),非活動(dòng)單元1 006個(gè)。壩體心墻及左右壩肩附近進(jìn)行了適當(dāng)加密(見(jiàn)圖5)。

建模過(guò)程中,將全區(qū)統(tǒng)一概化為6個(gè)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(cè)點(diǎn)觀測(cè)水位插值確定。

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

3)出水點(diǎn)邊界:出水點(diǎn)邊界按照排水渠確定。

4.3 模型的識(shí)別

擬合首先采用Pest進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)識(shí)別,然后再根據(jù)水文地質(zhì)條件人工進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,最終識(shí)別出符合實(shí)際水文地質(zhì)條件的參數(shù)。

4.3.1 模型的識(shí)別

利用現(xiàn)有鉆孔水位進(jìn)行參數(shù)識(shí)別及驗(yàn)證,重點(diǎn)通過(guò)各含水層參數(shù)的調(diào)整來(lái)達(dá)到單點(diǎn)觀測(cè)水位與計(jì)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(xiàn)狀滲漏量

模型識(shí)別的同時(shí),計(jì)算出現(xiàn)狀條件下(庫(kù)水位為703.5 m)水庫(kù)庫(kù)區(qū)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(shí)測(cè)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?，F(xiàn)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(jié)砂礫巖均存在滲漏,主要滲漏地段位于主壩兩側(cè)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(jié)砂礫巖,這與前期勘探成果相符。

4.4 滲漏量預(yù)測(cè)

按照僅改變庫(kù)水位、防滲處理而不改變庫(kù)水位2個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.4.1 改變滲漏量預(yù)測(cè)

場(chǎng)景1為邊界條件不變(不做防滲處理)庫(kù)水位由703.5 m蓄水至724 m的情況。根據(jù)識(shí)別后的模型,預(yù)測(cè)水庫(kù)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(shí)測(cè)流量(10 540.8 m3/d)增加了140%;地下徑流量為5 856.82 m3/d,比現(xiàn)狀地下徑流量(4 644.70 m3/d)增加了26%。主壩下游觀測(cè)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(kù)壩防滲體修復(fù)后的滲漏量預(yù)測(cè)

場(chǎng)景2為庫(kù)壩防滲體修復(fù)后其防滲體的滲透系數(shù)減小,庫(kù)水位仍為703.05 m的情況。根據(jù)識(shí)別后的模型,對(duì)防滲體的滲透系數(shù)進(jìn)行重新賦值后預(yù)測(cè)庫(kù)壩滲漏量。預(yù)測(cè)水庫(kù)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(shí)測(cè)流量減少了87.3%;地下徑流量為2 588.05 m3/d,比現(xiàn)狀地下徑流量減少了44.3%。庫(kù)壩防滲體修復(fù)后,主壩心墻下游水位明顯降低(見(jiàn)圖7)。

5 結(jié)論

通過(guò)本次模擬,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)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(jié)砂礫巖均存在滲漏,主壩兩側(cè)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(jié)砂礫巖。后期水庫(kù)管理單位根據(jù)本次預(yù)測(cè)結(jié)果,在相應(yīng)位置進(jìn)行防滲處理后,有效解決了庫(kù)壩的滲漏問(wèn)題。