电模拟与实例简介

李茂秋

(水利部长江勘测技术研究所,湖北武汉 430010)

电模拟与实例简介

李茂秋

(水利部长江勘测技术研究所,湖北武汉 430010)

电阻网络模拟法具有直观、物理量明确、容易发现差错的特点,易为水文地质人员理解和掌握,它可以模拟各种复杂边界条件下的三维地下渗流场。通过诸多具有代表性的实例介绍,表明电阻网络模拟法在水文地质研究中是一种行之有效的方法。

电阻网络模拟法;三维地下渗流场;水文地质

0 引言

电阻网络模拟法具有直观、物理量明确、容易发现差错的特点,易为水文地质人员理解和掌握,它可以模拟各种复杂边界条件下的三维地下渗流场,对了解建库前后和矿井排水情况下渗流场的变化趋势、含水层中流势的分布、富水部位、地下水分水岭的位置、各含水层之间的越流补给以及补给区和排泄区的情况,是一种简便而又适用的方法。

多年来本所利用电阻模拟法研究高坝岩基渗流、水库渗漏和岩溶水的补给、迳流和排浅条件都获得显著成效,给防渗排水设计提供可信的依据。

本文通过诸多实例的介绍,表明电阻模拟法在水文地质研究中是一种值得推广的方法,它是对已有资料系统消化和提高的一种有力手段,并具有解各种水文地质难题的能力,是常规地质方法的一种必要的补充。

1 实例简介

地下水在含水地质体中的渗流和电流在导体中的流动所遵循的基本定律(即达西定律和欧姆定律)是相似的。因此就可以用电阻网络模型来比拟含水地质体,用电位、电流强度、电阻等电学量来比拟地下水的水位、流量、渗透性等物理量,从而实现对地下水渗流场的模拟。

1.1 向斜盆地区域动力水流模型

向斜盆地是常见的水文地质单元,了解其中水流的分布状况和运动性质对评估地下水的形成条件是非常重要的,模型有四个目的:①建立向斜盆地的水流型式;②提出越流补给是深部含水层的重要补给来源;③从水动力观点证实深部混合溶融的机理;④讨论补给区和排泄区占孔水位的性质及其意义。

该成果发表在《中国岩溶》1985年第3期上。

1.2 深部喀斯特形成条件的电模拟研究

此研究有几个目的:①介绍区域动力模型在研究喀斯特中的作用;②用电阻网络模型模拟交叉水流的偏流效应,从而给深部混合溶融作用的发生提供分析实例;③给深部喀斯特分类的原则提供依据,模型以清江隔河岸水利枢纽库区的河间地块为原型。

该成果发表在由科学出版社出版、中国地理学会编辑的《喀斯特地貌和洞穴》论文集上。

1.3 江垭向斜盆地渗流模型

江垭向斜盆地位于湘西慈利县,拟在向斜翼溇水上建一高坝。该项试验主要研究盆中流势的分布、坝下承压热水的形成条件以及建坝以后渗流场的变化趋势。

通过试验,模型再现了盆地中承压热水层中地下水的补给、运移和出溢情况,对盆地中三个主要含水层之间发生的的垂直越流补给(指通过相对隔水层的垂直水流)得到了定量的数据,预测了建库后承压热水的高程,给评价江垭水利枢纽三个主要工程地质问题提供了科学依据,该成果发表在《人民长江》杂志1986年第9期上。

水库建成后,现测的数据与试验预测的承压热水高程完全相似。

1.4 夙滩水电站坝基渗流模型

夙滩水电站位于沅水最大支流酉水的下游,是一座空腹重力拱坝,坝址岩石由前震旦纪板溪群砂岩夹少量板岩组成,岩层中含有众多的破碎泥化夹层和断层破碎带,建成以来,河床帷幕后排水孔涌水量较大,幕底水压力甚高,该项试验主要研究以下三个问题:①排水孔内水的来源;②坝基内扬压力分布情况;③评估透水夹层的渗透稳定。

1.5 太原东山水源地三维电阻网络模型

太原东山水源地位于黄河水系和海河水系的分水岭地区,含水层为中奥陶统灰岩岩组,裸露面积750 km2。模型模拟的范围达7 000 km2,涉及到西山向斜、太原盆地、东山单斜等构造单元和上下三个含水层,为三维立体模型。主要解决如下四个问题:①再现东山岩溶水的补给边界,运移途径和排泄走向;②阐明东山岩溶水与娘子关、兰村、黄场峪等岩溶泉的补给关系;③阐明东山岩溶水与盆地孔隙水的关系;④对东山岩溶水资源进行评价。

该成果对研究深埋的岩溶水被认为是一项成功的先例,曾获水利部三等奖,该文曾参加1988年10月桂林国际水文地质学家协会第21届大会交流。

1.6 清江高坝州水利枢纽区域渗流模型(水库渗漏问题新解法)

水库渗漏是高坝州水利枢纽的主要工程地质问题,本项试验发展和扩大了电模拟法的应用范围,模拟建库前的渗流场可求出两岸地下水分水岭的位置和高程;模拟建库后的渗流场可以预测分水岭的变化情况。试验成果对勘测两岸地下水分水岭提供了可靠的依据,对解决水库渗漏问题是一种新的方法。

该成果发表在《中国岩溶》1993年第2期上。

1.7 黄河万家寨水利枢纽库区岩溶渗漏模拟试验

黄河万家寨水利枢纽位于黄河干流,右岸岩溶渗漏问题是该工程的重要工程地质问题,该项试验的主要任务是研究建库前、后渗流场的变化情况,依据已有水文地质资料对尚未确认的界(如岸边岩体的透水性、大气降雨的入渗量等)进行反演,求解不同水位下的渗漏量和排泄去向,按此试验任务进行下列试验:①模拟万家寨库区右岸建库前的自然渗流场;②模拟建库后的渗流场。

该试验理清了多年的老大难库区岩溶渗漏问题。

1.8 三峡工程高边坡渗流场的电模拟研究

本项试验以大量工程地质勘测成果和现场专门水力试验为基础,利用三维电阻网络模型模拟各种条件下(自然、开挖后和运行期)陡高边坡的渗压分布情况,确定高边坡在不同条件下的渗透压力;为高边坡稳定计标提供依据;优化排水设计。

1.9 南桠河冶勒电站大型电模拟试验

冶勒水库为大渡河支流南桠河梯级开发的龙头水库,库首所在为新生代断陷盆地,第四纪堆积厚度巨大,结构复杂,从而导致水文地质疑难诸多,其复杂程度被号称为世界少有、国内第一,水库及坝址的渗漏问题是该工程的制约因素。

本次试验的主要任务是模拟库首及库区建库前后渗流场的变化情况,依据已有的水文地质资料利用三维电阻网络模型对尚未明确的内边界(如深部承压含水层上下游的连通情况、隔水层是否完整)进行反演和比较,求解不同边界条件下的渗流量和评价渗透稳定,以便确定最优的渗控措施,按照试验任务需要回答的问题,进行了四种情况下的16种方案试验。

本项试验大大减少了在高寒地区的勘探工作量,提前进入初步设计。该成果被收集到《1989～1991年中国水力发电年鉴》上。

1.10 岷江太平驿电站区域和闸基渗流模型

太平驿电站位于岷江上游峡谷区,谷底有厚达80余米的漂卵石块碎石夹砾石及砂层,该层底部为块石架空层,透水性极强,地下水低于河水位20～30 m,在漫滩开挖的基坑和豎井低于河水位3～16 m未见地下水,为典型山区上游河谷特征。

上述独特的水文地质条件对建库后可能出现的渗漏和渗透稳定以及防渗墙的深度问题一直存有争论。

本项试验通过区域渗透模型和闸基渗流模型的正演和反演,阐明了岷江独特水文地质条件的形成原因和建库后的演变趋势,修改了初步设计报告中采用全断面防渗墙的防渗方案。试验成果对简化防渗工程和大量降低防渗工程造价、缩短建设工期提供了科学依据,具有巨大的经济效益,受到评判专家的一致好评。

1.11 湖南涟源县大桥乡环境恶化原因的分析和论证

本项试验的主要任务是对湖南涟源肖家村一带出现的井水干涸、地面塌陷、房屋开裂等现象与桥二井疏干地下水有无关系进行模拟试验。

该成果证实了桥二井与肖家村一带之间的两个隔水层原本具有隔水的性能,但在桥二井长期疏干的作用下,相邻两个含水层之间的水头差达到300 m、水头梯度>7、隔水层中的小断层产生渗透破坏失去隔水作用,肖家村一带的地下水居高临下全部排向桥二井,地下水位大幅下降致使井泉干涸、房屋开裂、地面塌陷。

该成果证实产生环境地质灾害是由于桥二井疏干所致,而不是其它原因,给一起长期争论的工农纠纷提供了解决的依据,迫使桥二井不得不关闭。

1.12 红水河恶滩水电站岩溶渗漏及其渗控措施的研究

恶滩水电站位于红水河中游,坝址位于岩溶地区,坝基和绕坝渗漏是该坝址的主要工程地质问题。

本课题利用电阻网络模拟技术,通过对坝址区渗流模型的建立及一系列的正演和反演,主要研究如下问题:①模拟建库前的渗流场,提交建库前坝址区地下水等水位线平面图;②模拟建库后的渗流场,提交建库后坝址区地下水等水位线平面图和剖面图;③优化防渗方案,对各种防渗方案综合比较,提供合理帷幕深度。

1.13 乌江构皮滩水利枢纽坝基渗流模型及其渗控措施的研究

构皮滩水利枢纽是乌江干流的重要梯级,坝址位于岩溶区,坝基渗压力分状况及防渗方案的确定,是该坝址的主要工程地质问题。

本课题利用电阻网络模拟技术,通过坝基渗流模型的建立以及一系列的模拟和计标,主要研究下列问题:①模拟无渗控措施下的坝基渗流场;②不同帷幕深度下坝基渗压力的分布状况以及坝基渗漏量;③设置排水孔后不同帷幕深度下坝基渗压力的分布状况以及坝基渗漏量;④提出合理的和有效的防渗帷幕深度和排水方案。

1.14 百色水利枢纽渗流模型

百色水利枢纽位于右江上游,坝址地质条件比较复杂,本课题通过对坝基和左坝肩渗流模型的建立以及一系列的模拟和演算,主要研究如下问题:①模拟右岸洞室开挖后的渗流场,给出平面等水位置和剖面等势线图,求出地下洞室的渗流量;②不同渗控措施下坝基及地下洞室渗压的分布状况以及渗流量;③提出优化坝基和地洞室的防渗和排水方案;给出平面等水位线图和三个剖面的等势线图;求出坝基及地下洞室的渗流量。

本成果刊登在1996年《红水河》杂志上。

1.15 澜沧江小湾水电站渗流模型

小湾水电站位于澜沧江中游河段结晶岩区,区内地形强烈切割,山高谷深,地下水流非常丰富,右岸地下厂房深埋于地下400～500 m。

本课题第一次试验通过对坝址区渗流场的建立以及一系列的正演和反演,主要研究坝区岩体渗流特征。

第二次试验在上述试验成果的基础上主要研究右岸巨型地下洞室开挖前后渗流场的变化趋势和优化地下洞室的排水方案。

试验成果由排水廓道和排水幕组成的排水罩是疏干洞室周围的地下水和消除水压力的有效手段。

1.16 清江水布垭利枢纽版峡坝址河间地块渗流模型

坝址位于清江中游岩溶区,与相邻河谷的岩溶渗漏是该坝址的主要工程地质问题,本项试验主要研究如下问题:①模拟建库前河间地块的自然渗流场;②模拟建库后河间地块的渗流场;③对各种防渗方案进行比较,提供合理的防渗线路和深度。

1.17 安徽省琅琊山抽水蓄能电站渗流模型

抽水蓄能电站位于滁州琅琊山腹地,岩溶渗漏是该水库的主要工程地质问题,本课题利用三向电阻网络模型主要研究如下问题:①模拟上库建库前自然渗流场,建立与原型几何形态和边界条件相似的水文地质模型,反求岩体的渗透系数,提出建库前的自然渗流场;②模拟地下洞室开挖后渗流场的变化趋势,求解地下洞室的渗流量;③优化副坝坝基和库周的防渗方案与洞室的排水方案。

1.18 江垭水利枢纽坝基渗流模型

本试验是在1984年区域渗流模型试验成果的基础上,主要研究下述三方面的问题:

①无帷幕时坝基渗压力的分布情况;②不同的防渗方案下坝基渗压力的分布状况;③承压热水与上部岩层串通后对坝基渗压力的影响。

(责任编辑:胡立智)

A Brief Introduction to the Resistance Network Analogy

LIMaoqiu
(Changjiang Research Institute of Geotechnique&Survey,Wuhan,Hubei430010)

Resistance ne twork analogy possesses the features of intuition,clear physical quantity,and the mistake can be spotted easily,so it can be understood and mastered easily by the hydrogeological personnel.It can simulate 3D seepage field of underground with various boundary conditions.Based on the case demonstration,it is showed that resistance network analogy is highly effective for hydrogeology research.

resistance ne twork analogy;3D seepage field of underground;hydrogeology

TV222.2

A

1671-1211(2010)05-0559-03

2010-07-10;改回日期:2010-09-03

李茂秋(1932-),男,教授级高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水文地质、工程地质方面的工作。