某水庫庫區(qū)滲流場及其水文地質(zhì)參數(shù)敏感性分析

河南省周口市水文水資源勘測局 周口 466000

摘要：庫區(qū)滲流場的分布特征，很大程度上決定了其工程特性，尤其是巖溶區(qū)的發(fā)育特征，其是評(píng)價(jià)庫區(qū)水文地質(zhì)條件的一項(xiàng)重要指標(biāo)，同時(shí)定量化分析其水文地質(zhì)參數(shù)的敏感性也是難題之一。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用的需要，研究了庫區(qū)滲流場的地下水等水位，庫區(qū)地下水分水嶺與地表水分水嶺基本一致，地下水總體上由上庫向四周補(bǔ)給，由于南北兩側(cè)斷層的阻水作用，地下水在南側(cè)和北側(cè)以泉的形式排泄；同時(shí)，由水文地質(zhì)參數(shù)敏感性分析可知，第Ⅳ滲透性分區(qū)滲透參數(shù)的變化對(duì)地下水滲流場變化有較大的影響，其它區(qū)域滲透參數(shù)變化時(shí)，地下水滲流場變化不明顯，即地下水滲流場對(duì)其它區(qū)域滲透參數(shù)變化不敏感。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)；滲流場；數(shù)值計(jì)算；敏感性分析

1 引言

庫區(qū)地下水滲流分析多以線性的達(dá)西定律為基礎(chǔ)，這是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，地下水滲流是滿足或近似滿足達(dá)西定律的，而且達(dá)西定律所表達(dá)的線性關(guān)系也使理論分析與數(shù)值分析較為簡潔，然而修建在巖溶地區(qū)的大壩基礎(chǔ)中可能存在強(qiáng)透水地質(zhì)構(gòu)造，滲流的雷諾系數(shù)很大，滲流速度與水力坡度不再遵從達(dá)西定律，此時(shí)必須考慮慣性力的影響。柴軍瑞（2001年）[1]、代群力（2000年）[2]認(rèn)為有必要對(duì)巖溶區(qū)進(jìn)行壩基地下水非線性滲流分析。由于非線性滲流的復(fù)雜性，至今仍沒有一個(gè)統(tǒng)一的公式來更好地描述這種流動(dòng)，其中兩個(gè)常用的經(jīng)驗(yàn)公式模型為Forchheimer公式[3]。1965 年，津克維茨（Zienkiewiz）和張（Cheung）提出有限單元法適用于所有可按變分形式進(jìn)行計(jì)算的場問題，為該方法在滲流分析中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。Leiws R W等（1987年）[4]將這一方法用于模擬多孔介質(zhì)中的地下水。國內(nèi)不少研究[5-6]認(rèn)為有限單元法是一種先進(jìn)有效的數(shù)值模擬法，用于滲流分析計(jì)算時(shí)可部分替代模型試驗(yàn)，精度相對(duì)較高，可方便地模擬多種外部條件的特點(diǎn)。

2 工程地質(zhì)環(huán)境

東部某水庫總庫容1676萬m3，北鄰長江，南望太湖，屬寧鎮(zhèn)山脈的低山丘陵區(qū)，地勢總體是西高東低，地形切割不深，溝谷稍發(fā)育，以沖積堆積、剝蝕地貌為主，區(qū)內(nèi)普遍可見數(shù)級(jí)剝夷面和3～4級(jí)階地，以及相應(yīng)的成層巖溶、深切河谷。工程區(qū)從巖溶發(fā)育程度、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及巖溶水賦存運(yùn)移特征來劃為四類巖溶水文地質(zhì)單元（區(qū)），一類非可溶巖分布區(qū)；其中：A區(qū)—裸露型純碳酸鹽巖單斜巖溶發(fā)育強(qiáng)度弱～中等水文地質(zhì)單元（區(qū)），地表基巖大片裸露，巖性由白云巖類逐漸變?yōu)榛規(guī)r類；西側(cè)以F7斷層為界，北側(cè)以F4斷層為界，東側(cè)為侖山東面坡腳下水庫庫區(qū)F12-1斷層及其伴生的閃長玢巖脈和龍?zhí)督M（P2l），南側(cè)以侖山南面坡腳奧陶系上統(tǒng)（O3）為界，位于工程區(qū)上水庫、輸水發(fā)電系統(tǒng)樞紐工程部位，為本文滲流場分析區(qū)；B區(qū)-覆蓋型純碳酸鹽巖與非可溶巖互層（或夾層）巖溶發(fā)育強(qiáng)度中等水文地質(zhì)單元，分布在侖山坡腳，下水庫西側(cè)庫岸；C區(qū)-裸露型背斜巖溶發(fā)育強(qiáng)度弱～中等水文地質(zhì)單元，位于上水庫的西側(cè)；非可溶巖由粉砂巖、粗面巖、閃長玢巖等組成，主要分布在下水庫的北側(cè)及侖山的南側(cè)坡腳侖山水庫一帶。

3 滲流場模型及結(jié)果分析

3.1 數(shù)學(xué)模型的概化

由于枯水期地下水變化不大，因此可以將地下水運(yùn)動(dòng)概化為穩(wěn)定流。該計(jì)算區(qū)域內(nèi)的地下水運(yùn)動(dòng)可以概化為在一個(gè)非均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的二維流動(dòng)。

3.2 幾何模型的建立及參數(shù)的選取

根據(jù)地層巖性、巖溶水文地質(zhì)單元，結(jié)合地形地貌特征，將研究區(qū)分為五個(gè)區(qū)。北部邊界沿著F3斷層，南部邊界至F9斷層，東部以姊妹橋F12斷層附近鉆孔25所在一線為邊界，西部以F7為邊界。

I區(qū)：F4斷層與F3斷層之間的志留系墳頭組的砂巖、粉砂巖；Ⅱ區(qū)：F7斷層與F8斷層之間北至斷層F4，南至侖山山脊；Ⅲ區(qū)：由斷層F12與斷層F8與侖山山脊圍成的三角形區(qū)域；Ⅳ區(qū)：F7斷層與F8斷層之間，侖山山脊以南的部分；Ⅴ區(qū)：F8斷層以東，侖山山脊以南部分。

為了充分利用觀測資料，將上庫區(qū)的鉆孔地下水水位作為上庫第一類邊界條件；下庫區(qū)泉水出露的點(diǎn)作為流量邊界。

參數(shù)的選取采用鉆孔壓水試驗(yàn)換算值和經(jīng)驗(yàn)值相結(jié)合的方法。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)資料，滲透I區(qū)滲透系數(shù)值取0.0175m/d；滲透II區(qū)滲透系數(shù)取為0.00864m/d；滲透Ⅲ區(qū)滲透系數(shù)值取0.0195m/d；滲透Ⅳ區(qū)滲透系數(shù)值取0.021m/d；滲透Ⅴ區(qū)滲透系數(shù)值取0.0187m/d。考慮庫盆中降雨入滲補(bǔ)給，根據(jù)侖山水庫降雨量資料，一月份平均降雨量為46.1mm，即1.54mm/d。在庫盆中地表水絕大部分滲入地下，因此降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)取0.55。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，采用FORTRAN編寫的二維有限元程序進(jìn)行了模擬計(jì)算，庫區(qū)滲流場等水位線。在上庫的主體部分，其西北、西及西南三側(cè)分水嶺均位于本亞區(qū)。從地下水等水位線圖中可以看出，地下水分水嶺與地表水分水嶺基本一致。地下水總體上由上庫向四周補(bǔ)給，由于南北兩側(cè)的非可溶巖（微透水層）的阻水作用，地下水在南側(cè)和北側(cè)以泉的形式排泄。侖山山脊一帶存在一個(gè)分水嶺，地下水在總體上向東流的同時(shí)，還向分水嶺的南、北兩側(cè)流動(dòng)。在上庫南側(cè)，地下水向大哨泉以北的沖溝中排泄；東側(cè)地下水向正東排泄至姊妹橋方向；在北側(cè)，存在一近南北向的分水嶺，地下水向北流動(dòng)的同時(shí)分別向東、西兩側(cè)排；在西側(cè)，地下水向鑰匙灣流動(dòng)，這與地表水的流向基本一致。

為了更好的表明計(jì)算的精度，分別在五個(gè)區(qū)各設(shè)立了兩個(gè)地下水水位觀測點(diǎn)，共計(jì)十個(gè)地下水水位觀測點(diǎn)，現(xiàn)將計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值較為接近，其中最大誤差未超過5m，分別出現(xiàn)在I2和Ⅲ1處；而最小誤差為2m，出現(xiàn)在Ⅴ2監(jiān)測點(diǎn)，最大相對(duì)誤差為2.6%，可見模型具有一定的精度，同時(shí)證明該方法具有一定的正確性和實(shí)用性。

4 模型水文地質(zhì)參數(shù)敏感性分析

由于研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)研究處于進(jìn)一步研究階段，許多參數(shù)還不確定，因此可以通過參數(shù)敏感性分析來研究不同參數(shù)時(shí)的地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析參數(shù)對(duì)滲流場的敏感性。分別將5個(gè)分區(qū)中的某一區(qū)滲透系數(shù)加倍或者減小一倍，而進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示：第Ⅳ滲透性分區(qū)滲透參數(shù)的變化對(duì)地下水滲流場變化有較大的影響，其它區(qū)域滲透參數(shù)變化時(shí)，地下水滲流場變化不明顯，即地下水滲流場對(duì)其它區(qū)域滲透參數(shù)變化不敏感。

通過對(duì)研究區(qū)滲流場進(jìn)行計(jì)算分析可知，ZK1鉆孔以東侖山南北坡之間仍存在一分水嶺，地下水在向分水嶺南、北兩側(cè)流動(dòng)的同時(shí)，總體上還向東流動(dòng)。侖山南北坡由于非可溶巖的阻水作用，地下水在南側(cè)和北側(cè)以泉的形式排泄。本次計(jì)算中沒有單獨(dú)劃分這一高滲透性區(qū)域，因而計(jì)算結(jié)構(gòu)沒有反映低水位槽的情況，滲流計(jì)算僅給出了研究區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)的總體趨勢。

F8斷層以東的區(qū)域滲透性參數(shù)變化對(duì)地下水滲流場有較大的影響，其余區(qū)域滲透參數(shù)變化對(duì)地下水滲流場不敏感。

5結(jié)論

（1）從地下水等水位線圖中可以看出，地下水分水嶺與地表水分水嶺基本一致。地下水總體上由上庫向四周補(bǔ)給，由于南北兩側(cè)非可溶巖的阻水作用，地下水在南側(cè)和北側(cè)以泉的形式排泄；東側(cè)地下水向正東排泄至姊妹橋方向；在西側(cè)，地下水向鑰匙灣流動(dòng)。

（2）通過參數(shù)反演可知，第Ⅳ滲透性分區(qū)滲透參數(shù)的變化對(duì)地下水滲流場變化有較大的影響，其它區(qū)域滲透參數(shù)變化時(shí)對(duì)地下水滲流場影響不大。

參考文獻(xiàn)：

[1]柴軍瑞.壩基非達(dá)西滲流分析[J].水電能源科學(xué)，2001，19（4）：1-3

[2]代群力.地下水非線性流動(dòng)模擬[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2000（2）：50-51

[3] Bear J. Hydraulics of Ground water[M]. New York：McGraw-Hill，1979

[4]Leiws R W，Schrefler B A. The finite element method in the deformation and consolidation of porous media [M].New York：John Wiley，1987

[5]李康宏，柴軍瑞. 壩基滲流分析兩種數(shù)值方法的比較[J].紅水河，2003，22（4）：14-17

[6]閆澍旺，王瑞鋼，王學(xué)軍，李少明. 白石水庫滲流場有限元分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2003，2：53-61

作者簡介：

楊丹，女，1980年6月出生，河南周口人，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源與水文地質(zhì)研究。