昭平臺水庫擴容工程傍河地塊浸沒數(shù)值模擬研究

左 霖，楊亞茹，曹泰瑞

(1.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省特殊巖土環(huán)境控制工程技術研究中心，河南 鄭州 450008)

水庫浸沒是指水庫蓄水使水庫周邊區(qū)域地下水位升高而造成土壤沼澤化、鹽漬化、建筑設施地基條件惡化、礦井涌水量增加等災害現(xiàn)象的統(tǒng)稱[1]。隨著蓄水位的升高，改變了區(qū)域地下水流場，使靠近庫邊線的河流階地地下水抬升，在毛細上升作用下，表層土壤毛細水浸潤建筑物地基或植物根系，且持續(xù)時間較長時，使建筑物地基承載力下降或影響農(nóng)作物生長，進而產(chǎn)生浸沒問題[2]。

浸沒問題是水庫，尤其是平原及低山丘陵區(qū)水庫的主要工程地質問題[3]，其對水庫上游沿岸居民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生不利影響，因此科學合理的預測浸沒程度，準確圈定浸沒范圍，不僅保護了人民群眾的利益，同時使工程前期投資估算更加精準[4]。

1 工程概況

昭平臺水庫坐落在淮河支流沙潁河水系沙河干流上，壩址位于河南省平頂山市魯山縣城以西約12km。水庫控制流域面積1430km2，總庫容6.85億m3，防洪庫容2.32億m3，興利庫容1.96億m3，是一座以防洪、灌溉為主，結合供水，兼顧其他效益綜合運用的大(2)型水庫。

昭平臺水庫擴容工程建設內容主要包括攔河壩、白土溝副壩加高，新建1#、2#、3#副壩，楊家?guī)X泄洪閘改造為混凝土壩，堯溝溢洪道拆除重建，輸水洞進水塔及出口控制閘拆除重建、洞身加固及新建電站等。擴容后昭平臺水庫屬大(1)型水庫，50年一遇設計洪水位189.91m，最大可能校核洪水位192.26m，正常蓄水位174.6m，總庫容13.56億m3。

由于庫尾與蕩澤河等支流兩岸分布的Ⅰ、Ⅱ級階地坡度較緩，且地層具有二元結構，上部土層具有弱透水性，賦存有潛水，下部砂、卵礫石層具有強透水性，水庫擴容后將造成區(qū)域地下水位的抬高，可能產(chǎn)生浸沒地塊，為預測水庫擴容后的浸沒程度及影響范圍，選取蕩澤河曹樓-韓店段為典型地塊進行浸沒數(shù)值模擬研究。

2 水文地質概念模型

2.1 模型范圍

蕩澤河庫尾曹樓-韓店段地塊地貌屬山間河谷地貌，河谷呈寬淺“U”形，本地塊地勢總體西高東低，蕩澤河發(fā)育有兩級階地，Ⅰ級階地高程多在172～178m之間，蓄水后Ⅰ級階地一部分成為淹沒區(qū)。Ⅱ級階地階面高程173～181m，階面較平整，微向河流傾斜，坡度較緩，地層具有二元結構，上部土層屬弱透水性，下部卵石層屬強透水性。水庫擴容后將造成地下水位的雍高，局部可能產(chǎn)生浸沒，因此，模型范圍為水庫擴容后的庫邊線與庫岸變質巖山體之間的地塊。

2.2 邊界條件

2.2.1側向邊界條件

地塊位于蕩澤河左岸，庫岸階地上部為變質巖低山丘陵，基巖與第四系松散孔隙地層交界為模型的北東側邊界，地塊通過該邊界接受來自基巖裂隙水的側向補給，因此邊界條件北東側為流量邊界，水庫擴容后南側西側臨水，南側西側為定水頭邊界。

2.2.2垂向邊界條件

本模型的上邊界為地表面，主要接受大氣降水入滲補給，存在蒸發(fā)排泄及河流湖泊等地表水體的補排，下邊界基巖為隔水底板。

2.3 含水層結構概化

本地塊地下水廣布于以第四系地層為主的河流階地和崗壟地帶，屬孔隙潛水，主要賦存于砂卵石層中，上部粘性土含有少量潛水，部分地段具承壓性。含水層的厚度變化較大，一般3.0～5.0m，富水性及透水性均較好，屬強透水層。地下水埋藏深度隨地形高低有變化，一般2.0～8.0m，各地塊均具有典型的二元結構特征。

3 數(shù)學模型及求解

根據(jù)地下水動力學理論，當滲透系數(shù)主方向與坐標軸一致時，對于非均質各向異性介質，其地下水三維滲流模型采用下述數(shù)學模型進行描述[5]：

(1)

式中，Kxx、Kyy、Kzz—x、y、z三個方向的滲透系數(shù)，m/d；H—水位值，m；Ss—給水度或儲水系數(shù)；t—時間，d；w—源匯項，包括降雨入滲、蒸發(fā)、地表水補給量或排泄量、地下水開采量等，m3；H0—含水層初始水位，m；H1—第一類邊界水位值，m；q—第二類邊界上的單寬流量，m2/d；B1—第一類邊界；B2—第二類邊界。

針對上述數(shù)學模型，采用三維有限差分數(shù)值方法求解。計算機軟件采用Brigham Young University研發(fā)的可視化三維地下水模擬軟件GMS中的MODFLOW模塊[6]。

4 地下水流數(shù)值模型

在查明本地塊水文地質條件的基礎上，建立研究區(qū)地下水流數(shù)值模型，對水庫建成擴容后區(qū)域地下水變化趨勢和水庫的浸沒情況進行模擬預測。

4.1 網(wǎng)格剖分

根據(jù)本地塊地層巖性特征資料、水文地質剖面圖和勘探鉆孔資料等，利用GMS中的3D Grid模塊對模擬區(qū)整體進行矩形網(wǎng)格剖分。根據(jù)研究區(qū)面積及考慮到網(wǎng)格密集程度對運算速度和質量的影響，在水平方向上將研究區(qū)剖分為150×120的網(wǎng)格，區(qū)域的三維尺度在x方向上長度為1771m，y方向上長度為1510m，網(wǎng)格步長分別為Δx=11.81m，Δy=12.58m有效網(wǎng)格12750個，每個單元格面積為148m2，網(wǎng)格剖分如圖1—2所示。

圖1 網(wǎng)格剖分圖

圖2 網(wǎng)格剖分疊加地形示意圖

4.2 邊界條件及初始條件

據(jù)庫區(qū)地下水位調查，各地塊均屬山間河谷地貌，位于水庫擴容后的庫邊線與庫岸上部山體之間，水庫擴容蓄水范圍設為定水頭邊界，位于本地塊東南側(B1)，蓄水位設為174.6m，地塊西北側為流量邊界(B2)，通過斷面法求出的初始流量輸入模型，再經(jīng)過模型擬合調參，其他邊界為隔水邊界，如圖3所示。垂向上，研究區(qū)主要接受降雨入滲補給，垂向上為敞開的補給邊界。

圖3 邊界條件示意圖

本次模擬將本地塊2021年7月實測的地下水位插值得到全區(qū)的地下水位定為模擬的初始水頭，如圖4所示。

圖4 初始地下水位等值線圖

4.3 參數(shù)設置與源匯項

表1 含水層參數(shù)取值表

區(qū)域主要的補給來自大氣降水，降雨量根據(jù)當?shù)貧庀笳镜挠^測數(shù)據(jù)獲得，與相應的降雨入滲系數(shù)進行屬性疊加計算，得到降雨入滲量，根據(jù)地表第四系地層巖性分布，基巖出露情況以及研究區(qū)地形地貌等地質特征對模型降雨入滲進行分區(qū)，降雨入滲分區(qū)與參數(shù)分區(qū)圖基本一致。排泄方式主要為蒸發(fā)和人工開采，蒸發(fā)量根據(jù)氣象站的觀測數(shù)據(jù)與相應的蒸發(fā)折算系數(shù)進行計算獲得。

5 模型運行結果

5.1 臨界埋深的確定

依據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規(guī)范》附錄D[7]，浸沒評價的臨界地下水埋深按下式求得：

Hcr=Hk+ΔH

(2)

式中，Hcr—浸沒地下水埋深臨界值，m；Hk—地下水位以上，土壤毛管水上升高度，m；ΔH—安全超高值，m，主要包括植物根系層的厚度建筑物的基礎埋深，可據(jù)原位試驗和調查經(jīng)驗確定。

野外對第四系全新統(tǒng)Q4和第四系上更新統(tǒng)Q3地層進行試驗坑試驗和實際測量，統(tǒng)計資料見表2，其中Q4土壤毛管水上升高度試坑觀測范圍值為58～66cm，平均值為62.5cm，大均值64.2cm，按65cm取值。對Q3地層進行試驗坑試驗和實際測量，其土壤毛管水上升高度試坑觀測范圍值為64～81cm，平均值為73.8cm，大均值76.7cm，按77cm取值。

表2 土壤毛細水上升高度野外試驗統(tǒng)計表

水庫擴容后浸沒影響的主要區(qū)域分為農(nóng)業(yè)區(qū)和居民建筑區(qū)。農(nóng)業(yè)區(qū)主要種植有小麥、玉米等農(nóng)作物，其最大根系發(fā)育長度約0.6m；居民建筑區(qū)一般為2層民房，其基礎埋深一般為0.8m。因此，對于農(nóng)業(yè)區(qū)地下水臨界埋深第四系上更新統(tǒng)Q3地層取1.37m、第四系全新統(tǒng)Q4地層取1.25m作為浸沒判別的標準，對于居民建筑區(qū)，地下水臨界埋深第四系上更新統(tǒng)Q3地層取1.57m、第四系全新統(tǒng)Q4地層取1.45m作為浸沒判別的標準。

5.2 運行結果

將水文地質參數(shù)和源匯項輸入模型，通過模擬運行計算，程序可自動求出研究區(qū)地下水位的時空分布情況，再通過實測數(shù)據(jù)對模型進行校正，最后將每個單元格的地表高程值與模擬求出的地下水位相減得到的差值即為該單元格的地下水埋深，進而得出水庫擴容一年后地塊的地下水位等值線圖(圖5)和地下水埋深等值線圖(圖6)。

圖5 預測地下水位等值線圖

圖6 預測地下水埋深等值線圖

在擴容后模擬區(qū)的地下水流場特征比擴容前(圖4)發(fā)生了明顯變化。首先，隨著水庫蓄水位上升，區(qū)域地下水流向由擴容前的從北往南流變?yōu)閿U容后沿庫邊線由西往東流；其次，區(qū)域地下水位發(fā)生不同程度的升高，上升幅度一般在0.0～4.0m，其中以臨水的庫周邊線附近上升最為明顯，向后緣升幅逐漸減小。本地塊沿庫周邊線主要為種植農(nóng)作物的Ⅰ級階地，上部覆蓋土層主要為第四系全新統(tǒng)Q4地層，農(nóng)業(yè)區(qū)地下水臨界埋深為1.25m，Ⅱ級階地及以上主要為村莊、工廠等建筑物區(qū)，地下水臨界埋深為1.37～1.57m，通過對比臨界埋深，可以確定浸沒范圍和程度，由圖6可知，紅色區(qū)域的地下水埋深小于1.25m，為浸沒的主要發(fā)生區(qū)域，且距離庫邊線越近，埋深越小，浸沒破壞越嚴重，該區(qū)域寬度大致為15～180m；Ⅱ級階地及以上的建筑物區(qū)位于綠色及藍色區(qū)域，地下水埋深一般高于2.5m，不會發(fā)生浸沒破壞。

6 結語

本文通過對庫周典型地塊水文地質勘察成果進行歸納與總結，查明了本地塊地形地貌、地層巖性組合、地下水動態(tài)特征等地質條件，獲取的大量試驗參數(shù)可為當?shù)靥峁┫鄳慕?jīng)驗參考。在建立概念模型和數(shù)學模型的基礎上，進行地下水三維數(shù)值模擬，給出水庫蓄水后地塊預測的地下水流場，結合地下水臨界埋深，判定評價浸沒程度，圈定浸沒范圍，為此后涉及的征地、移民搬遷和滲控處理方案提供依據(jù)。

水庫浸沒問題較為復雜，數(shù)值模型不可避免會存在一定的誤差，待水庫擴建蓄水后，可結合實際監(jiān)測，對本次浸沒預測結果進行驗證，優(yōu)化校正模型的各項參數(shù)和邊界條件，使數(shù)值模型的參數(shù)選取更加精準。