淺淡水庫庫岸地下水位壅高值的非穩(wěn)定流計(jì)算方法

張啟兵（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院勘測(cè)分院，安徽　蚌埠　233000）

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淺淡水庫庫岸地下水位壅高值的非穩(wěn)定流計(jì)算方法

張啟兵（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院勘測(cè)分院，安徽蚌埠233000）

水庫浸沒評(píng)價(jià)是水庫設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。浸沒評(píng)價(jià)主要是通過比較水庫蓄水后的地下水回水深度與當(dāng)?shù)亟]地下水埋深臨界值的大小來確定是否存在浸沒問題。水庫庫岸地下水位壅高值是水庫浸沒評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，其計(jì)算方法有多種，其中解析法分為穩(wěn)定流計(jì)算方法和非穩(wěn)定流計(jì)算方法。本文主要結(jié)合某水庫的浸沒評(píng)價(jià)實(shí)例采用非穩(wěn)定流計(jì)算方法來計(jì)算庫岸地下水位的壅高值，從而得出地下水回水深度。

水庫；浸沒；地下水位壅高；解析法；非穩(wěn)定流

1　前言

某水庫工程位于江淮分水嶺北部，其建設(shè)的主要任務(wù)是供水和灌溉，兼顧防洪等綜合利用。水庫總庫容為1.30億m3，水庫正常蓄水位43.0m，常水位42.5m。工程規(guī)模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物等級(jí)為2級(jí)。洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計(jì)，2000年一遇校核，設(shè)計(jì)、校核洪水位分別為44.42m 和45.50m。該水庫為典型的平原水庫，庫區(qū)地層主要為粉質(zhì)黏土，庫周地地勢(shì)較為低緩，易產(chǎn)生浸沒問題，需進(jìn)行浸沒評(píng)價(jià)，判定水庫蓄水后是否會(huì)產(chǎn)生浸沒問題，并確定浸沒范圍和程度。

水庫浸沒評(píng)價(jià)主要是通過比較水庫蓄水后的地下水回水水位深度與當(dāng)?shù)亟]地下水埋深臨界值的大小來確定是否存在浸沒問題。如果水庫蓄水后的地下水回水深度小于當(dāng)?shù)亟]地下水埋深臨界值，就會(huì)發(fā)生浸沒，反之則不發(fā)生浸沒。可以通過地下水滲流計(jì)算出地下水位壅高值，目前地下水滲流計(jì)算的主要方法有解析法、數(shù)值法和電擬法等。本文主要通過解析法中的非穩(wěn)定流計(jì)算方法來計(jì)算庫岸地下水位壅高值，從而得出庫岸地下水回水水位深度。

2　地下水位壅高值的非穩(wěn)定流計(jì)算方法

2.1計(jì)算公式

當(dāng)水庫蓄水后，庫水位在較長一段時(shí)間可能保持某一定值不變，此時(shí)庫周的地下水位在不同時(shí)間和不同位置都會(huì)發(fā)生變化。水庫蓄水后，潛水位升高，并向外擴(kuò)展，經(jīng)一定時(shí)間，在低凹地區(qū)，潛水位可能接近，甚至高出地面，形成一定范圍的浸沒（圖1）。其地下水位的變化可以表示為：

式中：hx，t為任意時(shí)刻任意位置水位；hx，0為初始時(shí)刻任意位置水位，其中

F（λ）為河渠水位函數(shù)，其中

式中：hm為時(shí)段始末潛水流厚度的平均值；K為含水層滲透系數(shù)；μ為給水度。據(jù)式（1）可計(jì)算出任意時(shí)刻任意斷面的水位，將水位連接起來就是該時(shí)刻的浸潤曲線。

圖1　水庫回水引起的地下水變化示意圖

2.2河渠水位函數(shù)F（λ）與λ的關(guān)系確定

從式（1）中可以看出，地下水位壅高值的計(jì)算主要是計(jì)算F（λ），而河渠水位函數(shù) F（λ）與 λ的值參見《地下水動(dòng)力學(xué)》（表1）。

表1　λ與F（λ）的關(guān)系表

從表中可以看出，F(xiàn)（λ）值隨λ的增加而減小，F(xiàn)（λ）與λ的值是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的關(guān)系，在實(shí)際過程中所得到的λ值不一定在表中能查到，因此需要通過插值來確定F（λ）值。為了應(yīng)用方便，把F（λ）與λ擬合函數(shù)關(guān)系曲線（圖2），只要確定了λ值，就可以通過它們之間的函數(shù)關(guān)系計(jì)算F（λ）。圖2中擬合的函數(shù)關(guān)系式為：

擬合相關(guān)系數(shù)為1，表明可以用式（4）計(jì)算F（λ）的值。

圖2　λ與F（λ）的關(guān)系曲線

含水層水文地質(zhì)參數(shù)取值：

給水度取值參考表2，考慮到庫區(qū)地層主要為粉質(zhì)黏土，給水度取值為5%。

表2　常見松散巖土的給水度（Fetter，1980）

滲透系數(shù)取值參考浸沒勘察期間的注水和提水試驗(yàn)結(jié)果，含水層厚度參考地質(zhì)勘察剖面取值（表3）。

表3　水文地質(zhì)參數(shù)取值表

3　地下水位壅高值的計(jì)算過程

該水庫浸沒勘察在庫區(qū)布置了5個(gè)勘探剖面，每個(gè)剖面約4個(gè)鉆孔，1個(gè)探坑。據(jù)設(shè)計(jì)，該水庫運(yùn)行水位低于42.4m的概率為68%、低于42.5m的概率為77%，因此，可認(rèn)為該水庫常水位為42.5m左右，庫區(qū)水位大部分時(shí)間保持在42.5m左右，因此非穩(wěn)定流方法計(jì)算地下水位壅高值時(shí)，可按常水位為42.5m的情況計(jì)算。

計(jì)算的結(jié)果主要與目前勘探孔的地下水位進(jìn)行比較，勘探孔高程與常水位42.5m對(duì)比發(fā)現(xiàn)，每個(gè)剖面都有1個(gè)探坑和1個(gè)勘探孔高程低于42.5m屬于淹沒區(qū)域，可以不計(jì)算地下水位的壅高值；另外1個(gè)鉆孔高程遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常水位42.5m，浸沒影響較小，也可以不考慮。最終計(jì)算了庫水位為42.5m時(shí)可能有影響的勘探孔的地下水位壅高值，并分析庫周地下水位隨時(shí)間和距離的變化規(guī)律。

目前地下水位的監(jiān)測(cè)資料顯示，庫周一定范圍內(nèi)的地下水位低于42.5m，當(dāng)水庫水位上升到42.5m時(shí)，地下水位也會(huì)逐漸抬升。針對(duì)5個(gè)勘探剖面，計(jì)算了目前地下水位低于42.5m區(qū)域的地下水位抬升情況，共計(jì)算了50年，計(jì)算結(jié)果見圖3。

4　庫岸地下水位壅高值計(jì)算結(jié)果分析

從圖3中可以看出，當(dāng)庫水位上升到42.5m時(shí)，與庫水邊距離越近，地下水位上升越快，距離越遠(yuǎn)，影響越小。以1號(hào)剖面為例，在距離庫水邊10m處，30d后地下水位上升了0.32m，1年后地下水位上升了1.08m；但在距離庫水邊200m處位置，5年后地下水位也沒有發(fā)生明顯的變化（圖3a）。其它剖面也有類似情況，由于參數(shù)取值不同，影響范圍和水位上升高度也有差異，但地下水位上升趨勢(shì)總體一致。

由于粉質(zhì)黏土的滲透性較小、給水度也很小，因此地下水位上升極其緩慢，當(dāng)水庫運(yùn)行50年后，仍有部分剖面的地下水位低于水庫水位42.5m，即使是距離庫水邊很近的距離，這與實(shí)際情況也基本一致。根據(jù)附近水庫的觀測(cè)資料，也佐證了這一點(diǎn)。

根據(jù)庫周地下水位隨庫水位的變化規(guī)律，可以計(jì)算出水庫水位保持42.5m并運(yùn)行50年后庫周地下水位上升的高度，50年后庫周地下水位與初始地下水位和庫水位42.5m相比上升高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4　庫水位為常水位42.5m時(shí)地下水位上升高度（50年）

圖3　庫水位為42.5m時(shí)庫周地下水位的時(shí)空變化規(guī)律

計(jì)算結(jié)果顯示，水庫運(yùn)行多年后，從水庫向四周，地下水位逐漸升高（圖3），距離越遠(yuǎn)，地下水位上升越慢。與當(dāng)前初始地下水位相比，地下水位最大上升了1.5m（1號(hào)剖面）；與常水位42.5m相比，水位最大上升為0.43m。最終上升的地下水位線與初始地下水位線重合，因此地下水位上升（壅高）較高的位置一般在庫水邊，越遠(yuǎn)離庫水邊上升越少。假定水庫蓄水后庫水位為一定值（如42.5m），需較長時(shí)間（一般5～10年以后）庫岸地下水位才能基本穩(wěn)定，一般距離庫岸水邊越遠(yuǎn)，地下水位高程越高。

當(dāng)水庫水位為42.5m時(shí)，庫岸地下水位會(huì)相應(yīng)升高，地下水位最大上升高度在常水位以上為0.26～0.43m，平均值為0.31m。表4中“地下水位高出常水位”指的是“由于庫水位上升引起庫岸地下水位上升，整個(gè)地質(zhì)剖面上地下水位上升的這條線與常水位的比較”。一般情況庫岸地下水位隨庫水位上升需要很長時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。

張啟兵（1977-），男，高級(jí)工程師，本科，主要從事水利水電工程勘察工作。

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