基于Visual_Modf...ow的焦岩水利枢纽渗漏分析_李威龙.pdf

DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.10.005收稿日期：2022-09-07基金项目：国家自然科学基金面上项目(41472275)；国家自然科学基金面上项目(42072283)作者简介：李威龙（1997-），男，四川遂宁人，硕士研究生，研究方向：水文地质，E-mail：。通信作者：张强（1971-），男，辽宁营口人，副教授，博士，研究方向：水文地质，E-mail：zhagnqiang-。基于Visual Modflow的焦岩水利枢纽渗漏分析李威龙，张强，冯杰，何浩（成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059）摘要：大坝渗漏及渗透破坏是较难避免的工程问题，需要对其进行专题研究，提出合理的防渗处理措施意见。在野外地质调查基础上，采用Visual Modflow软件预测焦岩水利枢纽区在未来蓄水后地下水的变化趋势，找出水库工程渗漏的可能原因，结果表明：在80 m深的防渗帷幕下，坝右防渗帷幕宽度延伸至1 343 m，防渗效果显著提高，满足电站正常发电需求。分析研究为规划部门优化水库选址、项目损失评估和制定相应的防治预案提供了基础地质资料及依据。关键词：渗漏分析；Visual Modflow；数值模拟；焦岩水利枢纽中图分类号：TV223.4文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）10-0020-03第 58 卷 第 10 期2022 年 10 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.10Oct.，2022水库渗漏作为库址区主要工程问题，其研究引起了许多学者的关注，在数十年摸索中，主要通过定性评价与定量评价两类研究方法对水库渗漏进行预测与评价。姚纪华等1利用流场法、自然电场法和高密度电阻率法准确探明了岩溶水库的渗漏原因。樊炳森等2通过高密度电法分析了水库渗漏部位，并结合钻探结果，验证了漏水部位。对水库渗漏进行定量评价是在定性评价的基础上进行的，在了解库址区主要渗径后，通过不同计算公式求解析解，综合计算区域渗漏量，或通过数值模型对区域地下水流场变化进行综合分析。覃绍媛3利用Visual Modflow软件概化黑滩河水库多层复杂岩溶水系统，并对防渗方案进行可行性评价。赵敏4将解析解与数值模型结合，分析了不同蓄水位下复杂岩溶水库的渗漏。以汉中市焦岩水利枢纽为研究对象，基于Visual Modflw软件研究库址区的渗流特性，预测库坝区蓄水未防渗及蓄水防渗后的地下水流场变化，为未来水库工程修建提供参考。1研究区概况焦岩水利枢纽坝址布置在桔园镇湑水河太极湾上，坝址区石炭系略阳组地层出露高程低，河流切割较深，岩性主要为黑云母石英片岩，顺层延伸，在两岸高程较高部位尖灭。左岸岸坡高陡，右岸受河流回环转弯切割，在深北沟上游为一狭窄的低矮山梁，即观音梁。山梁底宽200500 m，向上略窄，至正常蓄水位高程585 m处约75 m。下游右岸分布一条较大冲沟（深北沟），为常年流水冲沟，与湑水河近直相交（图1）。未来大坝修建后，右坝肩单薄山脊是水库渗漏的危险通道，拟通过在可疑渗漏地段（剖面A-A 与D-D 控制区域）采取垂直和水平防渗处理，使其正常蓄水位达到585 m，则库容可达2.1108m3，以满足防洪、发电、灌溉和城镇供水等任务要求。2库区地下水渗流场数值模拟2.1模型建立2.1.1 空间离散由于模型模拟范围内的地层主要为第四系松散堆积层以及石炭系下统略阳组黑云母石英片岩，其中片岩的渗透性较小，因此模型范围内的地层只进行分层，不再做含（隔）水层的划分。模型范围x方向为4 600 m，y方向为3 600 m，将模型区域剖分为25 m25 m的单元格，平面共剖成了184列和140行，单元格面积为625 m2，共25 760个单元格（图2）。202.1.2 参数选取计算充分应用了大量前期压水试验结果，经过统计分析、筛选和整理，并计算参数。在此范围内经反复试算，确定渗透系数K，其中由于坝址区构造的特殊性，地层具有明显的各向异性特征。模型各个岩层渗透系数具体取值如表1所列。2.2模型方案与校验2.2.1 模型方案模型计算主要考虑三种方案。（1）针对天然条件，按照稳定流模拟焦岩水利枢纽区域地下水渗流场（工况I）。图1研究区地理位置图设计蓄水位（585.0 m）-中坝址坝轴线剖面-坝前-坝后纵剖面-单薄山脊计算剖面A-A 库盆-深北沟剖面B-B 库盆-深北沟剖面C-C 库盆-深北沟剖面D-D 库盆-深北沟剖面E-E 库盆-深北沟剖面F-F 库盆-韭菜坡沟剖面地表水体中坝址断层钻孔图例韭菜坡沟河湑水沟深北位设计蓄水585.0 m619.0 m736.0 m780.5 m682.0 m554.0 m545.0 m524.0 m538.0 m535.0 mAABCDEFBCDEFZK111ZK203ZK204ZK202ZK205ZK201ZK29ZK03ZK11ZK28ZK02ZK22ZK27ZK05ZK31ZK12ZK08ZK33ZK19ZK25ZK10ZK110ZK101ZK304ZK303ZK01F15F16F9F14F12F17F7F11F2g4g1g5g670ENWS图2工程区模拟计算三维含水系统空间模型0 x/m4 0003 0002 0001 000y/m3 0002 0001 000z/m1 0005000分层第四系松散堆积层中等透水性片岩弱透水性片岩极弱透水性片岩断层大坝防渗帷幕分类1234567Kx/(m/d)2.360 000.510 000.077 000.017 000.720 000.001 000.025 92Ky/(m/d)2.360 000.510 000.077 000.017 000.720 000.001 000.025 92Kz/(m/d)5.360 002.510 000.770 000.170 001.720 000.000 100.025 92吕荣值/Lu/101003103/3表1模型水文地质参数第10期李威龙，等：基于Visual Modflow的焦岩水利枢纽渗漏分析第58卷21（2）针对焦岩水利枢纽区域位于蓄水位585 m时的情况，按照非稳定流模拟焦岩水利枢纽区域地下水渗流场并预测焦岩水利枢纽区域地下水渗漏量（工况）。（3）针对焦岩水利枢纽区域位于蓄水位585 m时的情况，对坝址区3 Lu深度（80 m）、坝右1 343 m范围进行防渗，按照非稳定流模拟焦岩水利枢纽区域地下水渗流场并预测焦岩水利枢纽区域地下水渗漏量（工况）。2.2.2 模型校验以工程区范围内的10个钻孔水位作为模型的实际观测井数据，实测水位与模拟水位误差均在1%以内，符合实际（表2）。3数值模拟结果天然情况下，区域内从湑水河到深北沟处地下水水位平缓，故此处存在明显的分水岭（图3）。而在库区蓄水至设计蓄水位585 m时，分水岭可能消失，故针对焦岩水利枢纽区域位于蓄水位585 m时的情况，按照非稳定流模拟焦岩水利枢纽区域地下水渗流场与渗漏量（工况）。在水库达到设计蓄水位后，可以明显看到坝址区两侧山体中地下水水位上升。其中坝前水位变化最大，经过坝轴线后，平行于湑水河河道向下游方向，水位呈下降趋势，两侧地下水再次往湑水河排泄，同时向河道下游流动（图4）。坝址右岸单薄山脊在工程达到设计蓄水位时，右坝肩单薄山脊地表高程呈两侧高、中间低趋势，而根据蓄水条件下的渗流场平面图（图4）可知，蓄水后右岸单薄山脊南侧深北沟与北侧库水之间的分水岭消失。在剖面A-A 与D-D 之间的控制区域为渗漏危险区。防渗至坝右1 343 m处时，模型及地下水渗流场如图5所示。由图5可知，地下水水位线在A-A 剖面处发生变化，规律同前所述，其阻水效果进一步提高。同时通过渗流场对比，可见绕流过水断面显著减小，绕流流量相应将显著降低。坝址下游两岸地下水水位相较于未防渗工况下有显著降低，在帷幕所在断面处，等水位线出现了转折，水位下降非常明显。表2模拟水位与实测水位拟合表观测井号ZK24ZK205ZK204ZK202ZK201ZK105ZK103ZK102ZK09ZK08观测水位/m530.17514.00514.10513.50560.40540.90514.30566.20548.40514.08模拟水位/m526.01518.21516.31515.66556.88545.03515.40560.94550.94515.40误差比例/%0.780.820.430.420.630.760.210.930.460.26井类型钻孔钻孔钻孔钻孔钻孔钻孔钻孔钻孔钻孔钻孔图3天然条件下渗流场平面示意图605600595590585580575570565560555550545540535530525520515510SNWE585585560560535535535535535535560560AABB560CCDDEEFF图4蓄水条件下渗流场平面示意图660610610560560610810790770750730710690670650630610590570550530510AABBCCDDEEFFSNWE图5防渗至坝右1 343 m处时渗流场平面示意图660610560610790770750730710690670650630610590570550530510SNWEAABBCCDDEEFF（下转第27页）2022年第10期甘肃水利水电技术第58卷22球学报，2017，38（4）：449-450.2郭清海.岩浆热源型地热系统及其水文地球化学判据J.地质学报，2020，94（12）：3544-3554.3王贵玲，刘彦广，朱喜，等.中国地热资源现状及发展趋势J.地学前缘，2020，27（1）：1-9.4李光伟，杜宇本，蒋良文，等.大瑞铁路高黎贡山越岭段主要工程地质问题与地质选线J.地质力学学报，2015，21（1）：73-86.5许模，蒋良文，李潇，等.川藏铁路雅安至林芝段重大工程水文地质问题J.水文地质工程地质，2021，48（5）：13-22.6沈玲玲.高黎贡山地区地热异常特征及对隧道建设影响的初步研究D.成都：成都理工大学，2007.7张永双，郭长宝，李向全，等.川藏铁路廊道关键水工环地质问题：现状与发展方向J.水文地质工程地质，2021，48（5）：1-12.8先明其.日本安房隧道正洞贯通通过高压含水火山喷出物层和高温带J.世界隧道，1997，34（1）：50-56.9杨翔，陈松，郦亚军.隧道高温地下水处理理念探讨J.现代隧道技术，2013，50（3）：8-16.10朱宇，周佳媚，赵大权，等.高地温隧道施工期降温隔热技术研究J.现代隧道技术，2019，56（增刊2）：563-571.11吴建，周志芳，李鸣威，等.隧洞涌水量预测计算方法研究进展J.工程地质学报，2019，27（4）：890-902.12漆继红，许模，蒋良文，等.川藏交通廊道雅林段水文地质结构控制的水热循环及隧道热害特征J.地球科学，2022，47（6）：2106-2119.13郭清海.岩浆热源型地热系统释义J.地质学报，2022，96（1）：208-214.14王贵玲，蔺文静.我国主要水热型地热系统形成机制与成因模式J.地质学报，2020，94（7）：1923-1937.15FOURNIER R O.Chemical geothermometers and mixingmodels for geothermal systemsJ.Geothermics，1977，5（1）：41-50.16FOURNIER R O.Geochemical and hydrologic considerations and the use of enthalpy-chloride diagrams in theprediction of underground conditions in hot-spring systemsJ.Journal of Volcanolog