烏溪水庫工程地下水滲流場數值模擬研究

黃向陽

(福建省水利水電勘測設計研究院，福建 福州 350001)

1 工程概況

烏溪水庫工程項目位于福建省莆田市涵江區北部新縣鎮、大洋鄉境內的萩蘆溪流域上游二級支流烏溪上，壩址位于新縣鎮正斜村上游400m處，控制流域面積48.4km2，正常蓄水位240.0m，總庫容2102萬m3，多年平均流量為1.44m3/s。水庫以供水為主，兼具防洪、灌溉、發電等綜合利用功能。水庫工程建筑物由攔河壩、引水系統、發電廠房和供水系統組成。壩型為砌石拱壩，為拋物線雙曲變厚拱壩，最大壩高85m。引水隧洞總長約11406m，供水隧洞長度約為6758m，隧洞開挖洞徑為2.8m。

水工長隧洞在施工和運營過程中，由于改變了隧洞區周邊的地下水狀態，造成隧洞中涌水以及高壓輸水過程中的泄露等問題，對周邊環境造成影響。水庫蓄水后庫區地下水位變化可能會引起滑坡、土壤鹽漬化和沼澤化等問題，大壩下游或因地下水位變化影響地下水開采等。因此需要對水工隧洞施工和運營過程中周邊地下水滲流場、水庫蓄水后庫區和下游地區的地下水滲流場進行詳細分析與預測，為工程的順利施工及地下水環境保護提供科學依據[1]。數值模擬法能夠處理復雜水文地質條件，特別是襯砌等防滲措施條件下的地下水滲漏和壓力分布問題，并能夠進行多種條件的分析預測，已得到了廣泛應用并取得良好的效果。

2 水文地質條件

工程分布區地下水以風化裂隙水和基巖裂隙水為主。風化帶孔隙裂隙水由火山巖、侵入巖的全風化帶和強風化帶組成，上部全風化帶形成殘坡積層，主要為殘積(砂質)黏性土，滲透性差；下部強風化帶中裂隙發育，構成網絡，含孔隙裂隙水，富水性弱，地下水位埋藏于弱風化帶中上部，一般埋深10～45m。基巖裂隙水含水層由中性火成巖組成，分布于引水系統的中南部、供水系統的全部，風化較強，水埋深一般為20～40m。

隧洞區位于山體中，地下水補給主要為大氣降水入滲補給，主要以泉的形式排泄，由于埋深較大，蒸發排泄較少。根據內壓水試驗，巖體滲透性隨深度迅速降低，在30m以下，巖石風化微弱，滲透性低且穩定，一般小于1Lu。

3 地下水滲流場數值模擬

3.1 隧洞區

依據洞室所處深度、所處地形特征選取一個典型剖面，利用HYDRUS2D軟件進行模擬。HYDRUS2D軟件能夠模擬飽和-非飽和條件下的剖面二維水壓力分布特征，軟件采用伽遼金有限元法求解滲流方程，采用三角形離散化研究區域，可以刻畫洞室及襯砌區，并能進行洞周地下水壓力分布分析。

該剖面位于供水系統前段隧洞通過的第一個小山包處，該處隧洞位于弱風化層以下，但緊靠弱風化層，因此將模型頂界取為地表，邊界條件取為大氣降水邊界，接受降水入滲和蒸發，由于該模型可以模擬降水入滲過程，根據計算出的土壤含水率和水勢來計算降水入滲補給量和潛水蒸發量，降水和蒸發量可取多年平均降水量和平均水面蒸發量，分別為0.0044m/d和0.0023m/d。巖性參數根據弱風化層中的壓水試驗和經驗值確定，其中上部弱風化層飽和滲透系數取0.1m/d；下部微風化—新鮮巖石的飽和滲透系數取0.005m/d。模型左側邊界靠近河流，為排泄邊界，取滲流面；右側邊界距離河流較遠，為補給邊界，由于此處地形較為平坦，側向補給量小，假定為隔水邊界；下邊界深度在隧洞以下22.5m，視為垂向隔水邊界。隧洞開挖過程中，隧洞可視為滲出面，而運營后，隧洞內存在一定壓力，壓力值約為23m水柱，可視為定壓力邊界。

采用三角形網格剖分，在隧洞附近采用加密剖分，見圖1。圖1～圖3分別顯示了開挖前、開挖中和開挖后地下水壓力場剖面、洞室處垂向和水平向的分布特征。

圖1 典型剖面加密剖分圖

圖2 典型剖面地下水場壓力模擬預測圖

從預測結果可以看出，在上述邊界條件下，開挖前剖面地下水等壓力線與上表面近似平行，這與靜水壓力分布特征相符。開挖過程中，隧洞成為地下水的排泄面，在模型中采用滲出面進行模擬。模擬結果顯示，隧洞周邊的地下水壓力場發生明顯改變，下部滲透性小，壓力變化幅度大，而上部水壓力較小，垂向的影響達到整個模擬深度，見圖3(b)；但水平向地下水壓力變化較小，并呈現距離隧洞越遠，下降幅度越小，影響范圍約120m，見圖4(b)；隧洞涌水量的模擬值為0.473m3/(d·m)[2-3]。隧洞襯砌等處理以后，在外周形成滲透性更低的一層，取其滲透系數為0.0001m/d。模擬結果顯示，隧洞運營過程中，洞室內水壓比外側水壓稍小，流入洞室內的水量約為0.014m3/(d·m)，地下水壓變化不大。

圖3 沿隧洞垂向剖面水壓力變化

圖4 沿隧洞水平向剖面水壓力變化

3.2 水庫區

水庫蓄水位為240m，淹沒范圍為240m等高線圈定的范圍。而且地下水分水嶺與地表水分水嶺基本一致，因而其對地下水的影響不超過淹沒段河流的分水嶺。模擬區的邊界取為地表分水嶺，由于區內含水層厚度較薄，可認為地下分水嶺與地表分水嶺一致，因而側邊界可視為隔水邊界。模型的底邊界取弱風化層底面，弱風化層以下滲透性低，富水性差，因而亦可視為隔水邊界。河流是庫區排泄區，盡管河流水位存在變化，但蓄水后，淹沒區的河流水位變化不大，因此在本次模擬中取為已知水頭邊界。降水入滲系數取0.17，多年平均降水量1610.1mm，計算得出區內的降水入滲補給強度為0.00075m/d。區內山坡上有泉水出露，但是泉點不明顯，多以塊狀滲出的方式排泄，其余排泄則以蒸發排泄為主，年內平均水面蒸發0.834m，強度為0.0023m/d，由于區內大多地區水位埋深較大，在此取0.0018m/d，當地下水位埋深超過4m，則可認為地下水不受蒸發影響。

通過數值模擬后的蓄水后水庫區地下水位變化幅度見圖5，由圖5可以看出，蓄水后，在河流兩岸，地下水位普遍抬升，地下水分布面積增大，越靠近河流，地下水位抬升得越大。地下水位抬升后，山脊仍為兩側河溪分水嶺。統計結果顯示，不包括淹沒區約1.1km2的區域地下水位抬升，平均升高7.9m；約0.4km2的區域地下水位下降，平均下降約0.76m。水位呈現下降的地區主要是靠近支流的上部，特別是兩條支流相近的地區，主要是由于這些地勢較緩，蓄水后由于河流水位的抬升，使得排泄基準面抬升，局部地下水排泄路徑變短，水力梯度變緩，地下水位表現為下降。

圖5 蓄水后水庫區地下水位變化幅度 (單位：m)

由于區內河谷兩岸地勢較陡，很多地方基巖出露，第四系松散堆積物薄且分布范圍有限，沒有古滑坡，因而水位升高既不會激活古滑坡，亦不會導致新滑坡。此外，淹沒區以上，基本上沒有大面積的農田和地勢低平地區，區內年降水量大，地下水徑流速度快，因而不會產生由地下水位升高而引起的土壤鹽漬化和沼澤化問題。地下水位下降幅度較小，且該地區無開采地下水，可忽略其對環境的影響。

3.3 大壩下游區

水庫蓄水以后，壩下游河流徑流量會減少，河流水位相應降低，地下水排泄基準面下降，河流兩岸的地下水位相應下降。評價區的邊界取為地表分水嶺，由于區內含水層厚度較薄，可認為地下分水嶺與地表分水嶺一致，因而側邊界可視為隔水邊界。模型底邊界取弱風化層底面，弱風化層底板以下巖層滲透性低，富水性差，因而亦可視為隔水邊界。河流是區內的排泄區，盡管河流水位存在變化，但在本次模擬中取為已知水頭邊界。河流水位根據實測相鄰地下水位數據及河流處地面高程確定。降水入滲補給強度和蒸發排泄相關參數同水庫區。

水庫運營后，壩下游河流流量降低，河流水位相應降低，會產生4.66km的少水段，受影響區域的地下水水位也會相應下降，因此可能會影響周邊的乾頂村和廣宮村。從現場調查來看，這兩個村莊均無地下水開采井，生活用水主要是利用山泉或山澗沖溝水，因此烏溪水庫建設對其影響較小。據壩下游河流流量水位曲線計算出河流水位平均下降約0.022m。數值模擬結果見圖6。河流水位下降后，地下水位隨之降低，影響范圍內地下水位平均下降0.013m，地下水下降幅度很小，對原始地下水環境的影響相當小，因而基本不會誘發新的環境水文地質問題。

圖6 蓄水后大壩下游區地下水位變化幅度 (單位：m)

4 結 語

a.通過剖面二維水壓力數值模擬，在烏溪水庫引水隧洞開挖過程中，地下洞室的排泄作用導致洞周地下水位下降，橫向水平影響范圍超過100m；盡管洞室處于弱風化層以下，但地下水的排泄量仍比較大，排泄強度可達到為0.473m3/(d·m)，且排泄強度隨洞頂含水層厚度、滲透性的增大而增大。

b.烏溪水庫蓄水后，在河流兩岸地下水位普遍抬升，地下水分布面積增大，越靠近河流，地下水位抬升的越大，平均升高7.9m。靠近支流的上部，特別是兩條支流相近的地區，由于地勢較緩，蓄水后由于河流水位的抬升，使得排泄基準面抬升，局部地下水排泄路徑變短，水力梯度變緩，地下水位表現為下降，平均下降約0.76m。蓄水后水庫區地下水位變化不會誘發滑坡、土壤鹽漬化等環境問題。

c.烏溪水庫蓄水后壩下游河流流量降低，會產生4.66km的少水段，其地下水水位也會相應下降，平均下降0.013m。地下水下降幅度很小，不會誘發新的環境水文地質問題。

d.烏溪水庫工程通過地下水數值模擬法對隧洞區地下水壓力、滲流量和蓄水后水庫區、大壩下游區地下水位變化進行定量預測，為項目建設提供重要技術支持。