碾盤山水庫浸沒問題研究

張著彬　向雄　范玉龍　熊友平　王濤

摘要：為了研究碾盤山水利水電樞紐工程水庫浸沒問題，為碾盤山水庫蓄水后治理浸沒災(zāi)害提供依據(jù)。采用解折法和數(shù)值模擬法，并參考碾盤山上游梯級丹江口水庫浸沒區(qū)判別方法及浸沒程度評價和下游梯級興隆水利樞紐庫區(qū)兩岸浸沒治理，對水庫產(chǎn)生浸沒范圍和影響程度進行綜合判定。結(jié)果表明：通過解析法得到浸沒區(qū)面積較數(shù)值模擬法大28.72 km2，驗證了數(shù)值模擬法對水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件、降雨入滲補給量、側(cè)向徑流量、邊界排泄量等參數(shù)敏感，尤其是地質(zhì)體水文地質(zhì)參數(shù)具有各向異性。

關(guān)鍵詞：水庫浸沒； 數(shù)值法； 解析法； 碾盤山水利水電樞紐工程

中圖法分類號：TV697.3 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.010

文章編號：1006-0081（2024）04-0059-06

0 引 言

1955年官廳水庫蓄水運行后出現(xiàn)嚴(yán)重的水庫浸沒問題［1］，2000年以后建成的水利樞紐，如潮州供水水利樞紐、湖南湘江長沙綜合樞紐及湖北漢江雅口、興隆水利樞紐等工程，在建成運行后亦出現(xiàn)水庫浸沒問題。因此，水庫浸沒問題成為水庫主要工程地質(zhì)問題之一。

傳統(tǒng)的水庫浸沒問題研究常用的方法為解析法，解析法結(jié)果比較準(zhǔn)確，但實用性較差。張長征等［2］對興隆水利樞紐庫區(qū)兩岸浸沒分析，鄭新等［3］對丹江口水庫浸沒區(qū)判別方法及浸沒程度評價均采用解析法。近幾十年來，隨著地下水模擬軟件快速發(fā)展，數(shù)值法越來越廣泛應(yīng)用于水庫浸沒問題研究，任云峰等［4］采用了三維滲流模型研究鄭州龍湖引黃調(diào)蓄水池浸沒問題。

碾盤山水利水電樞紐水庫地勢較平坦，水庫蓄水后地下水位壅高，地下水埋藏變淺，易形成浸沒問題。浸沒問題可導(dǎo)致土壤鹽堿化、沼澤化，甚至建筑物基礎(chǔ)破壞失穩(wěn)等，嚴(yán)重影響著人民的生命財產(chǎn)安全［5］。本文為確定合理的浸沒防治措施、較好地治理浸沒災(zāi)害，對碾盤山水庫浸沒問題開展重點研究。采取水文、工程地質(zhì)勘察及觀測等方法，獲得不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)下的水文地質(zhì)條件，分區(qū)建立地下水流的三維數(shù)值模型，預(yù)測水庫蓄水后的地下水流場特征，對水庫浸沒范圍、影響程度進行判定。

1 工程概況

湖北省碾盤山水利水電樞紐工程位于湖北省荊門市鐘祥市境內(nèi)，是國務(wù)院確定的172項節(jié)水供水重大水利工程之一。壩址位于沿山頭，上距在建的雅口航運樞紐58 km、丹江口水利樞紐壩址261 km，下距鐘祥市區(qū)10 km。碾盤山水庫正常蓄水位50.72 m，庫容8.77億m3，裝機容量180 MW，年平均發(fā)電量6.16億kW·h，為Ⅱ等大（2）型工程，工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電、航運為主，兼顧灌溉、供水，為南水北調(diào)中線一期工程的引江濟漢工程良性運行創(chuàng)造條件［6］。

2 工程地質(zhì)

2.1 基本地質(zhì)條件

碾盤山水庫屬平原寬淺河道型水庫，漢江流向大體上由北向南，地貌表現(xiàn)為漢江兩岸的Ⅰ、Ⅱ級階地及后緣的低丘、崗地，沿江漫灘、邊灘、心灘發(fā)育。水庫出露的地層主要有晉寧期花崗巖，白堊系（K）泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、粉砂巖、中粗砂巖等，新近紀(jì)（N）泥灰?guī)r及第四系沖積松散堆積層。

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1 地下水類型

水庫地下水主要為第四系松散堆積層孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水?？紫稘撍饕x存于河床、漫灘、Ⅰ級階地部位的沖洪積砂土、砂礫石層中，地下水位埋深3～6 m，受大氣降水補給，向漢江排泄?？紫冻袎核饕植加跐h江兩岸河流Ⅰ、Ⅱ級階地下部粉細砂、砂礫石層中，儲存、運移于粉細砂、砂礫石間孔隙中，地下水儲量豐富，運移活躍，大部分來自漢江河水補給，部分來自上部黏性土層孔隙潛水越流補給，地下水與漢江河水聯(lián)系緊密，具有一定承壓性，河水高水位時，河水補給地下水，河水低水位時，地下水補給河水?；鶐r裂隙水主要分布于低山丘陵區(qū)，于基巖裂隙中儲存、運移，一般在山腳、坡腳處溢出，部分直接補給第四系松散堆積層孔隙水，排泄于漢江。

2.2.2 水文地質(zhì)參數(shù)

為了獲得水庫區(qū)巖土體水文地質(zhì)參數(shù)，對于水庫可能產(chǎn)生浸沒區(qū)域進行了水文地質(zhì)勘察和試驗，并開展了為期1個水文年的地下水觀測。在水文地質(zhì)勘察過程中，選取主要浸沒區(qū)進行砂礫石抽水試驗10次、壤土和砂壤土下滲試驗20余次、試坑注水試驗50余次，土的毛細管上升高度試驗百余次、壓水試驗千余次，獲得了巖土體滲透系數(shù)、毛細管上升高度及巖石的透水率等參數(shù)。主要土體滲透系數(shù)見表1。

3 數(shù)值法

3.1 數(shù)值模型選擇及求解方法

3.1.1 數(shù)值模型選擇

通過對碾盤山工程區(qū)水文地質(zhì)條件的系統(tǒng)分析，依據(jù)地下水滲流連續(xù)性方程和達西定律，建立與區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)概念模型相對應(yīng)的三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型：

上式中：Hi，Mi分別為各層水頭和厚度；Ki為各層水平方向滲透系數(shù)；H1為第一類邊界水頭值；q1為第二類邊界流量值；Hi0為非穩(wěn)定流模擬時的流場初始條件；ui為各層給水度，當(dāng)?shù)叵滤疄闈撍畷r為重力給水度，當(dāng)?shù)叵滤疄槌袎核畷r為彈性給水度；ε為降雨入滲、蒸發(fā)、人工井采等源匯項；x，y，z，t為空間坐標(biāo)和時間變量；n為邊界外法線方向。

3.1.2 求解方法

（1） 數(shù)值模型邊界賦值。漢江由北東向南西流，為給定水頭的第一類邊界條件，周邊其他邊界設(shè)為第二類邊界條件。

（2） 水文地質(zhì)參數(shù)賦值。根據(jù)已建立的地下水滲流數(shù)值模擬模型，利用水頭函數(shù)求解地下水均衡方程，將計算結(jié)果和實測曲線進行擬合比較，調(diào)整參數(shù)初值，通過反復(fù)多次正演計算，使計算曲線與實測曲線符合擬合要求。

3.2 典型浸沒區(qū)

碾盤山水庫區(qū)沿江兩岸漢江堤防有大集堤、潞市堤、中直堤、關(guān)山堤、南泉堤和聯(lián)合堤。近壩區(qū)為聯(lián)合堤、中直堤。聯(lián)合、中直堤地面高程一般為45.0～48.0 m，較正常蓄水位（50.72 m）低2～5 m，是水庫產(chǎn)生浸沒的典型區(qū)域，數(shù)值模擬成果如下。

3.2.1 模型邊界賦值

擬給定水頭的第一類邊界條件：北部水頭42 m，南部水頭39 m，平均水力梯度約0.2‰。模型中四周側(cè)向邊界：東部第一類邊界為直河，為給定水頭邊界，上游為39.5 m，下游為39 m；北部、西部第二類邊界為給定流量邊界，側(cè)向流量根據(jù)區(qū)域模型計算得出，取單位面積流量為0.001 6 m/d。

3.2.2 單元剖分

根據(jù)數(shù)值模型分層情況，該區(qū)平面上共剖分為158 710個單元，如圖1所示。

3.2.3 水文地質(zhì)參數(shù)賦值

聯(lián)合-中直堤觀測孔實測水頭與模擬水頭對比見圖2。

據(jù)圖2可知，兩者誤差多數(shù)小于0.25 m，最大為1.553 44 m，平均誤差為2.069 18 m，均方差為2.010 88 m，表明擬合程度較好。經(jīng)過模型識別后得到的水文地質(zhì)參數(shù)優(yōu)化值及其初始值見表2。

3.2.4 模擬結(jié)果

為了宏觀判斷天然條件下區(qū)內(nèi)浸沒范圍，作出地下水位埋深等值線（圖3），模擬完成后正常蓄水位下浸沒范圍分布（圖4）。

數(shù)值模擬結(jié)果：① 天然條件下地下水埋深較深，該區(qū)埋深小于1.5 m的地區(qū)面積約為2.66 km2，占該區(qū)內(nèi)總面積的1.06%。② 水庫蓄水至正常蓄水位流場基本穩(wěn)定后，在沒有防治措施的情況下，嚴(yán)重浸沒面積為6.63 km2，輕微浸沒面積為5.14 km2。

3.3 數(shù)值模型對浸沒防治措施效果分析與評價

聯(lián)合-中直堤擬采用防滲墻、排滲溝和排水泵站等防治措施，在正常蓄水位條件下對工程防治措施效果進行了數(shù)值模擬。

（1） 排滲溝深1.5 m，頂寬4.5 m，底寬1.5 m，長度與堤防一致，距堤內(nèi)坡腳5 m，見圖5。

在聯(lián)合-中直堤數(shù)值模型中加入治理措施，模擬的嚴(yán)重浸沒區(qū)面積為1.10 km2，輕微浸沒區(qū)面積為1.95 km2，嚴(yán)重和輕微浸沒區(qū)分別減小5.53 km2和3.19 km2，降低比例分別為83.4%和62.1%，表明采用防滲墻、排滲溝和排水泵站等防治措施治理浸沒災(zāi)害有較好的效果。

4 解析法

4.1 水庫發(fā)生浸沒的主要參數(shù)

4.1.1 地下水抬升高度

地下水起始水力坡度是土體抵御承壓水抬升潛水地下水的程度指標(biāo)，其計算公式為［7］

T=H0／（I0+1）（6）

式中：T為初見水位距下伏含水層頂板距離（地下水抬升高度）；H0為由含水層頂板起算的下伏含水層測壓水位高度；I0為起始水力坡度。

4.1.2 毛管水上升高度

土層毛管水上升高度通過試驗確定，對土體連續(xù)取樣，進行土體飽和度測定［8］。土體飽和度大于80%以上即為飽和土，穩(wěn)定的地下水面至土體飽和度

80%上限，這個高差即為毛管水上升高度，計算公式為

H毛=H地-H飽和（7）

式中：H地為地下水穩(wěn)定水位高程，m；H飽和為土體飽和度在80%時對應(yīng)的高程，m。

通過現(xiàn)場土工試驗和鉆孔觀測水位數(shù)據(jù)，經(jīng)計算壤土毛管水上升高度H為0.85～0.90 m，黏土毛管水上升高度H為 0.97～1.20 m，類比上游丹江口水庫浸沒判別方法和下游漢江興隆水利樞紐兩岸浸沒治理，綜合確定壤土、黏土毛管水上升高度統(tǒng)一取值1.0 m。

4.2 水庫發(fā)生浸沒判別標(biāo)準(zhǔn)

水庫浸沒區(qū)的判別應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟]的臨界值與潛水回水埋深之間的關(guān)系確定，當(dāng)預(yù)測的潛水回水位埋深小于浸沒的臨界地下水埋深時，該區(qū)為浸沒區(qū)［9］。

4.2.1 臨界地下水位埋深的確定

根據(jù)水庫區(qū)水文地質(zhì)條件，按式（8）確定地表土體產(chǎn)生浸沒的臨界地下水埋深Hcr［10］。

Hcr=Hk+ΔH（8）

式中：Hk為土層毛管水上升高度，m；ΔH為安全超高值，主要指根系厚度或建筑物基礎(chǔ)埋深，m。

4.2.2 浸沒判別方法和原則

（1） 對于砂土地基（典型地質(zhì)剖面見圖7），產(chǎn)生浸沒臨界地面高程按下式確定：

嚴(yán)重浸沒臨界地面高程：H地=H0+0.5（9）

輕微浸沒臨界地面高程：H地=H0+1.0（10）

式中：H0為正常蓄水位，H地為地面高程。

（2） 對于二元地層結(jié)構(gòu)地層（典型地質(zhì)剖面見圖8），產(chǎn)生浸沒臨界地面高程按下式確定：

嚴(yán)重浸沒臨界地面高程：H′地=0.5+（H0-H頂）/（I0+1）+H頂 （11）

輕微浸沒臨界地面高程：H′地=1.5+（H0-H頂）/（I0+1）+H頂 （12）

式中：H′地為地面高程，H頂為承壓含水層頂板高程。

（3） 表層為砂壤土含水層，按潛水地下水位+臨界埋深與地面高程對比判別，計算公式為

嚴(yán)重浸沒臨界地面高程：H地=H0+0.5（13）

輕微浸沒臨界地面高程：H地=H0+1.5（14）

4.3 典型浸沒評價

根據(jù)水庫發(fā)生浸沒判別標(biāo)準(zhǔn)，將聯(lián)合堤作為典型區(qū)域進行浸沒評價。對于二元結(jié)構(gòu)地層計算成果見表3。

據(jù)表3可知：聯(lián)合堤產(chǎn)生輕微浸沒臨界地面高程為45.1～48.6 m，嚴(yán)重浸沒臨界地面高程為45.1～47.6 m，得出聯(lián)合浸沒區(qū)嚴(yán)重浸沒面積為7.90 km2，輕微浸沒面積為12.88 km2。

5 數(shù)值模擬法與解析法對比分析

5.1 浸沒區(qū)面積對比

采取數(shù)值模擬法和解析法獲得水庫浸沒范圍統(tǒng)計見表4。

對水庫浸沒區(qū)采取工程措施后，數(shù)值模擬法和解析法浸沒面積對比見表5。

據(jù)表5可知，① 無措施下：嚴(yán)重浸沒區(qū)解析法較數(shù)值模擬法大13.26 km2，增幅34.01%；輕微浸沒區(qū)解析法較數(shù)值模擬法大15.46 km2，增幅47.09%。② 有措施下：經(jīng)數(shù)值模擬后嚴(yán)重浸沒面積4.93 km2，輕微浸沒面積3.55 km2。

綜上所述，通過解析法和數(shù)值模擬法確定的水庫浸沒面積存在有一定差異，解析法浸沒區(qū)依據(jù)地面高程來劃分浸沒范圍，其主要沿漢江堤防堤內(nèi)地帶分布，在垂直水流向呈寬度上變化，不受微地貌單元、水文地質(zhì)參數(shù)等影響，因此，解析法判斷的浸沒區(qū)范圍基本全覆蓋，較數(shù)值模擬法確定的浸沒區(qū)面積大，基本符合實際情況。

5.2 數(shù)值法和解析法數(shù)據(jù)及作用原理分析

根據(jù)浸沒區(qū)面積對比來看，解析法較數(shù)值模擬法大。數(shù)值模擬對水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件較敏感，同時對降雨入滲補給量、側(cè)向徑流量、邊界排泄量、回歸流量等變量要求較高，因此水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件和相關(guān)變量對數(shù)值模型有較大的影響；且水文地質(zhì)參數(shù)具有各向異性，在現(xiàn)場試驗結(jié)合室內(nèi)試驗獲得水文地質(zhì)參數(shù)均為范圍值，數(shù)值模型中參數(shù)賦入一般為具體值，在降雨下滲補給、側(cè)向補給和邊界排泄量等參量取值方面亦有一定局限，因此數(shù)值模擬法結(jié)果偏小基本符合實際情況。

解析法計算公式中主要參數(shù)（毛細管上升高度、土體起始水力坡降）均可通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，受影響的參數(shù)較少［11］。依據(jù)公式計算產(chǎn)生輕微浸沒、嚴(yán)重浸沒臨界地面高程，根據(jù)計算結(jié)果，依據(jù)碾盤山水庫區(qū)地形圖確定浸沒區(qū)面積，計算結(jié)果精度較高。

碾盤山水庫區(qū)范圍大，漢江灘地、Ⅰ、Ⅱ級階地及微地貌（溝渠、低洼地、水塘等）較發(fā)育。碾盤山水庫浸沒區(qū)面積應(yīng)綜合數(shù)值模擬法和解析法確定，考慮到浸沒災(zāi)害產(chǎn)生不利影響巨大，因此擬采取治理措施以解析法浸沒區(qū)面積作為主要參考依據(jù)。

6 結(jié) 論

（1） 研究區(qū)屬高度河網(wǎng)化的平原農(nóng)耕地區(qū)，地勢平坦，微有起伏，地表水體縱橫密布，形態(tài)各異。天然狀態(tài)下，地表水、地下水轉(zhuǎn)換頻繁，水文地質(zhì)特征較為復(fù)雜。采取解析法與數(shù)值模擬法相結(jié)合的方法研究水庫浸沒問題，使該工程地質(zhì)問題的分析和評價更客觀、準(zhǔn)確。

（2） 數(shù)值模擬法可將擬采取的工程措施（防滲墻、排滲溝、排水泵站或壓滲抬高等）加入模型中，獲得浸沒區(qū)地下水高程和埋深變化等數(shù)據(jù)，評價浸沒災(zāi)害治理效果更有依據(jù)和說服力。

當(dāng)前碾盤山水庫已蓄水至一期（46 m）高程，在浸沒區(qū)布設(shè)地下水監(jiān)測孔，對浸沒區(qū)地下水位進行為期2 a的地下水監(jiān)測，以獲得蓄水后地下水變化數(shù)據(jù)，進一步完善水庫浸沒問題研究，為浸沒治理提供更加準(zhǔn)確、可靠的水文地質(zhì)依據(jù)。

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（編輯：李 晗）

Research on inundation problem of Nianpanshan Reservoir

ZHANG Zhubin1，XIANG Xiong1，F(xiàn)AN Yulong1，XIONG Youping1，WANG Tao2

（1.Hubei Provincial Water Conservancy and Hydropower Planning，Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430064，China；2.Environmental College，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract： In order to study the inundation problem of Nianpanshan Reservoir and provide a basis for the control of inundation disasters after the storage of Nianpanshan Reservoir，a combination of analytical method and numerical simulation method were adopted，and the immersion range and impact degree of the reservoir was determined comprehensively by referring to the research and treatment of inundation problem of Danjiankou Reservoir at upstream and Xinglong Water Conservancy Hub at downstream.The area of severe and slight immersion calculated by analytical method was 28.72 square kilometre larger than that by numerical simulation method.It was verified that numerical simulation was sensitive to hydrogeologic parameters，boundary condition，precipitation recharge，lateral runoff and boundary discharge，and all the parameters were anisotropic.

Key words： reservoir inundation； numerical method； analytic method； Nianpanshan Reservoir

收稿日期：2023-07-28

作者簡介：張著彬，男，高級工程師，主要從事水利水電勘察設(shè)計工作。E-mail：361640629@qq.com

通信作者：向 雄，男，高級工程師，主要從事水利水電勘察設(shè)計工作。E-mail：13904610@qq.com