基于GMS的水库坝基渗漏三维数值模拟分析

龙文华，邱慧玲

(广东省地质环境监测总站,广东 广州 510000)

0 引言

近年来,为了合理有效的利用水资源,水库大坝建设数量越来越多,水库渗漏是水库建成运行过程中不可避免的问题,渗漏形式为坝基渗漏、坝肩渗漏和绕坝渗漏[1],主要表现为库水沿着岩石的孔隙、裂隙、断层以及溶洞向沟谷低地和地下水含水层渗漏[2]。水库的渗漏不仅会影响水库的效益发挥,还容易诱发次生地质灾害和生态危害[3]。库区渗漏量的估计常采用渗流理论公式的解析计算[4-6]和以有限元法为代表的三维数值模型计算[7-8]。GMS作为一款地下水可视化水流模拟软件,具有界面友好、条理清晰、可视化程度高、菜单与程序模块化的特征,并提供了比较好的模型数据前处理和后处理的环境。本文在现有勘探和观测数据基础上,充分利用GMS的特点,建立水库坝区地下水流数值模型,模拟预测不同条件下的坝基渗漏量,分析水库渗漏原因和可能的渗漏部位,为水库防渗处理提供依据。

1 工程概况

该工程是以城市防洪和供水为主,兼顾生态农业灌溉和发电等综合利用的大(Ⅱ)型水利工程,由主坝、副坝、左右岸泄洪冲砂洞、溢洪道、发电引水洞及电站等主要建筑物组成。主坝坝型为沥青混凝土心墙堆石坝,坝顶设有钢筋混凝土防浪墙;上游坝坡采用堆石护坡,下游坝坡采用浆砌石网格内填碎石护坡;河床覆盖层至基岩采用混凝土防渗墙进行防渗。副坝位于左岸条型山脊上,为折线形布置,坝型为复核土工膜心墙砂砾石坝;副坝防浪墙底部与复核土工膜相连,土工膜底部与坝基灌浆盖板相接,两侧与溢洪道侧墙及混凝土连接墙衔接。水库下闸蓄水后,内部观测仪器数据显示水库有渗漏,进行防渗处理后,明流消失,但后期坝基渗漏问题仍然较严重[9]。

2 库区水文地质概况

2.1 库区地质概况

2.2 库区水文地质条件

库区地下水包括松散类孔隙含水介质、基岩裂隙含水介质及碎屑岩类孔隙裂隙含水介质3类。混合花岗片麻岩渗透系数较小,为相对隔水层。

1)松散类孔隙含水介质:分布于连续河谷区,靠近两岸部位尖灭。上部岩性为卵砾石,厚度为15 m～20 m,渗透系数大,含水层透水性强;下部为含少量细粒土卵砾石,厚度10 m～15 m,河谷中部分布连续,靠近两岸部位尖灭,渗透系数小于上部。2)基岩裂隙含水介质:分布于两岸及坝基第四系覆盖层以下,岩性为玄武岩,其赋水性不匀,透水性变化较大,水平径流强度大于垂直径流强度,两岸玄武岩渗透性大于河床部位玄武岩。该含水层与松散类孔隙含水层组成统一的潜水含水层。3)碎屑岩类孔隙裂隙含水介质:分布于坝基深层玄武岩下部,岩性为卵砾石,多为半成岩状,局部破碎松散,孔隙大,透水性强,具承压性,其补给来源主要是水库上游河水及两侧山体的裂隙水补给。

3 水文地质概念模型

3.1 模型范围和边界条件

3.1.1 模型范围

根据库区水文地质条件、防渗体结构、主副坝位置、数值模拟目的,同时考虑库水位变化对坝区地下水的影响等因素,模型范围以坝轴线为中心向上、下游延伸,上游边界距坝轴线400 m,下游边界距坝轴线460 m,左侧由右坝肩外延120 m为界,右侧以副坝外侧沟谷为界(见图1),面积为866 810 m2。

3.1.2 边界条件

因为本次模拟仅考虑库水位变化影响,且与地下水侧向径流相关的资料缺乏,所以模拟时忽略地下水侧向径流本身对地下水的影响,将上下游地下水边界概化为定水头边界(Specified Head),水库大坝两端延伸边界为通用水头边界(General Head),出水点附近为线性排水渠(drain),边界类型及分布如图2所示。

3.2 水文地质结构模型

3.2.1 三维地质模型

根据区内的钻孔、坝址、地形地貌等数据,将研究区从上至下分为第四系冲洪积物、第三系上新统玄武岩、第三系中新统砂砾岩、侏罗系凝灰质砾岩及前震旦系混合花岗片麻岩4层(见图3)。

3.2.2 垂向结构概化

根据坝址区的水文地质条件,垂向上将地下水系统概化为六层(见图4),结合GMS软件的特点,每层在整个模型范围内必须连续分布。

4 地下水流数值模型

4.1 数学模型

根据地下水动力学理论和已建立的水文地质概念模型,建立库区各向异性三维稳定地下水数学模型(见式(1)):

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z)

H(x,y,z,t)|B1=H1(x,y,z,t)

(1)

其中,Kx,Ky,Kz均为含水层水平渗透系数,m/d;H为含水层水位,m;x,y,z均为坐标位置;H0为初始水位;B1为边界条件。

4.2 数值模型结构

4.2.1 空间离散

按照矩形网格剖分,将研究区剖分为106行、161列,6层,每层17 066个网格,其中活动单元16 060个,非活动单元1 006个。坝体心墙及左右坝肩附近进行了适当加密(见图5)。

建模过程中,将全区统一概化为6个含水层。

4.2.2 定解条件的处理

1)初始水头:由各地下水位观测点观测水位插值确定。

2)定水头边界:坝轴线上游定水头边界取库水位标高为703.05 m,水库水面范围为定水头边界取库水位标高为703.05 m,下游定水头边界水位根据地形标高及地下水位标高关系由软件确定;侧向边界为通用水头边界。

3)出水点边界:出水点边界按照排水渠确定。

4.3 模型的识别

拟合首先采用Pest进行自动参数识别,然后再根据水文地质条件人工进行参数调整,最终识别出符合实际水文地质条件的参数。

4.3.1 模型的识别

利用现有钻孔水位进行参数识别及验证,重点通过各含水层参数的调整来达到单点观测水位与计算水位的拟合。拟合水位误差大部分小于0.5 m(如图6所示)。

4.3.2 现状渗漏量

模型识别的同时,计算出现状条件下(库水位为703.5 m)水库库区总渗漏量为15 141.89 m3/d,其中明渠排泄量为10 497.20 m3/d(2017年实测流量10 540.8 m3/d),地下径流量为4 644.70 m3/d。坝体部位第四系地层渗漏量最大(11 852.62 m3/d),坝体与玄武岩的接触部位渗漏量(2 080.92 m3/d)次之,第三系砂砾岩层渗漏量(971.00 m3/d)较小。现状条件情况下坝体、第四系地层及坝基深层玄武岩下部的第三系半胶结砂砾岩均存在渗漏,主要渗漏地段位于主坝两侧坝体和第四系地地层,其次为主坝和副坝坝基深层玄武岩下部的第三系半胶结砂砾岩,这与前期勘探成果相符。

4.4 渗漏量预测

按照仅改变库水位、防渗处理而不改变库水位2个场景进行预测。

4.4.1 改变渗漏量预测

场景1为边界条件不变(不做防渗处理)库水位由703.5 m蓄水至724 m的情况。根据识别后的模型,预测水库的总渗漏量为31 165.80 m3/d。其中明渠排泄量为25 308.98 m3/d,比2017年实测流量(10 540.8 m3/d)增加了140%;地下径流量为5 856.82 m3/d,比现状地下径流量(4 644.70 m3/d)增加了26%。主坝下游观测孔的水位变幅最大(10.88 m),地下水水位主要受明渠排泄的影响较大。

4.4.2 库坝防渗体修复后的渗漏量预测

场景2为库坝防渗体修复后其防渗体的渗透系数减小,库水位仍为703.05 m的情况。根据识别后的模型,对防渗体的渗透系数进行重新赋值后预测库坝渗漏量。预测水库的总渗漏量为3 923.05 m3/d。其中明渠排泄量为1 335.00 m3/d,比2017年实测流量减少了87.3%;地下径流量为2 588.05 m3/d,比现状地下径流量减少了44.3%。库坝防渗体修复后,主坝心墙下游水位明显降低(见图7)。

5 结论

通过本次模拟,发现现状条件下坝体、第四系地层及坝基深层玄武岩下部的第三系半胶结砂砾岩均存在渗漏,主坝两侧坝体和第四系地地层为主要渗漏地段,其次为主坝和副坝坝基深层玄武岩下部的第三系半胶结砂砾岩。后期水库管理单位根据本次预测结果,在相应位置进行防渗处理后,有效解决了库坝的渗漏问题。