濮阳市引黄灌溉调节水库三维有限元渗流计算分析

□张桂花 □张一冰 □田永军（河南省水利勘测设计研究有限公司）

□胡士辉（黄河水利委员会水文局）

引言

濮阳市引黄灌溉调节水库工程东西向长6.15km，南北向长1.10km。规划水域面积为3.20km2，分东、西两库区，水库为人工开挖的平原区水库，该处地面高程为51.50～51.80m之间，规划水库水域面积为3.51km2，其中库区面积3.25km2，引、退水河道水面面积0.26km2。水库正常蓄水位为51.00m，水库平均水深5.10m，最大水深6.00m。库区地层结构为粘砂多层结构类型，水库蓄水后存在库岸水平向渗漏问题。文章针对该水库的渗漏问题建立三维渗流有限元法数值模型来研究水库工程渗流控制技术，通过计算，了解水库不同运行工况下库周渗漏量、塑性混凝土防渗墙不同厚度、不同渗透系数对渗漏的影响等，根据渗流量控制标准和各处渗流稳定性控制值进行比较，提出工程防渗技术。

1.研究技术路线

建立工程区三维渗流控制数值模型，渗流计算采用南京水利科学研究院于1974年开发并不断完善的三维渗流计算程序UNSS3，计算中土体透水性均概化为非均质各向同性，渗流量计算采用中断面法。

2.渗流分析

2.1 渗流模型的建立

依据工程区实测的1：1000地形资料和地质剖面建立渗流控制模型，模拟的范围以按岸边范围来推算地下水影响半径大约为1500m，建模中考虑5倍长度来模拟库周地下水渗流场。总体模拟面积为320km2。整个模型沿垂向方向划分12个水平断面，从上往下分别模拟了地表、湖面、开挖面、表层壤土、粉砂层、砂壤土夹层、细砂层、壤土隔水层等实际土层分布，其中主含水层和隔水层分为2～3层，每个近似水平面断面上划分了3771个结点、7488个三角形单元，每个断面上按实际勘察土层高程进行各土层的精确模拟，总计剖分结点45242个，计算单元采用空间四面体单元，可适应复杂多变的地下结构与土层分布。由计算机自动将输入的三棱柱元剖为3个四面体单元。四面体单元为179712个。单元布置原则是，渗流急变区（如水库体型、防渗墙帷幕等）附近单元密些，其他区相对疏些。自由面求解方法为虚点法。

在地下水位变化较大的库周，网格划分较细，最小长度一般为5m，由库岸逐渐向外扩大，至边界为500m。

2.2 计算分析的边界条件和参数

2.2.1 计算模型边界

根据工程分布情况，按防渗墙等倍墙高来考虑,设定计算模型底部高程为15m，上部为自然地面高程51.50～54.00m。南北向长为16km；东西向长20km，计算范围达320km2（20km×16km），各边界均采用自然地下水位定水头边界，其中周边边界水头值取长期水文地质观测资料(2010年12月实测资料)。东西部暂取为隔水边界。

2.2.2 计算参数

为了确定水文地质参数,建立天然渗流场模型,模拟范围与方法和上述模型相同。根据工程区布置的PYD19钻孔工程地质剖面的地下水位资料，绘制地下水位等值线图,利用该等值线图，切取区域边界的地下水位，作为计算的初始水位；以工程地质勘探提供的渗透系数为初始值，进行反演计算，反演模拟过程中将根据计算模拟水位与勘探剖面钻孔水位比较作小幅调整。为了进行工程区天然渗流场反演拟合成果的评价分析，将不同时期地质勘探钻孔水位与相同部位反演拟合计算水位进行对比统计，吻合程度达83%。根据对众多水利水电工程区的天然渗流场反演拟合的经验，吻合程度达70%以上即属理想状态。说明计算模型基本符合实际，反演的主要水文地质参数见表1，以反演后的参数作为计算参数。

表1 初拟和反演各岩层渗透系数表

2.3 计算内容和计算工况

具体内容：一是，三维数值模型建立和模型参数率定；二是，运行期不防渗的总渗流场计算分析；三是，运行期防渗墙方案的总渗流场计算分析。通过不同渗控方案对工程渗流场的影响比较分析，确定最优的渗控组合方案。具体计算工况如表2所示。

表2 渗流计算工况一览表

模型计算水位组合为调节水库设计运行水位51.50m，10000m外地下水位为天然地下水位。

2.4 计算成果分析

2.4.1 地下水位反演计算

渗透分区依照地勘资料，利用反演理论的间接求解法，经试算后拟定渗透分区的渗透系数。该区域地下水水位埋深一般22.0～23.0m，区域浅层水总趋势是自北西向东南径流。经反演迭代计算，得到地下水浸润面（实线）与地勘时实测得到的地下水浸润面（虚线）。

2.4.2 库岸不防渗时渗流场模拟计算分析

由于沉积环境的差异，库区不同标高层面的土层分布特征不同。总体上，水库库底随着高程的降低，细砂层分布面积逐渐增大，砂壤土的分布面积逐渐减小。库岸不防渗时考虑天然地下水位。水库主库区地下水基本在29.12～30.30m，呈现西南低，东北高，计算中在边界采用天然地下水位，主库区周边平均地下水位29.4m。土层参数按反演得出的参数。在天然渗流场下，考虑最终挖深6.0m，模拟运行期蓄水工况计算，分析渗流场变化。在地下水位情形下，如果不采用任何防渗措施，考虑水库成湖湖面为51.50m，地下水渗流场影响区域约93.2km，影响半径达到5603m。

2.4.3 库岸防渗墙方案渗流场模拟计算分析

从满足灌溉用水及防渗需要等几个方面综合分析，设计了在库周岸线营造防渗墙的方案。防渗墙位置为库岸线，累计长度约12.0km。

对防渗墙成墙后蓄水运行期库水下渗通过砂层和防渗墙向库岸后区域的地下水水流场进行了12种工况的数值模拟，分别模拟了防渗墙防的不同厚度对库水下渗所形成的三维渗流场的影响，结果见表3、表4。经计算得知，在各种工况下防渗墙方案主库区地下水等值线分布具有相似性。

表3 防渗墙不同厚度和不同渗透系数工况下库岸后200m最高地下水最大抬高值(m)表

从控制库岸线后地下水位升高值在10m以下来比较分析各计算结果，则防渗墙选用厚度可为30cm，渗透系数宜≤1×10－6cm/s。

表4 防渗墙不同厚度和不同渗透系数工况下总渗漏量（×104m3/a）表

从表4结果可见，防渗墙对于库水下渗量具有较好的阻渗截断作用。与没有防渗措施的库水下渗量相比大大降低。防渗墙渗透性大小对库水下渗的总渗漏量影响比较明显，而厚度的变化对库水下渗的总渗漏量具有一定的影响，但是影响渗漏量的程度不如渗透系数直接敏感。因此选用防渗墙的几何参数和渗透参数时应优先选用渗透性能，再考虑几何尺寸。而几何尺寸的选择还取决于成墙工艺。

3.结语

一是，所建立的模型能够较好的反映研究区域的水文地质条件和三维地下水特征。可以用来模拟和预测水库工程的各方案防渗效果；二是，采用三维地下水渗流数值模型对蓄水运行方案进行了模拟计算，当水位大于正常蓄水位51.5m时，无防渗措施条件下水库向周边渗漏总量达1071×104m3/a；三是，采用防渗墙方案后，防渗墙封住深层透水层方案下，整体渗漏量为151×104m3/a；四是，渗流数值分析结果表明，垂直防渗措施的设置能满足渗漏量控制和渗流稳定的要求，同时垂直防渗措施加大了地下水储蓄空间，使得库底形成天然的地下水库；五是，多组防渗墙不同厚度和渗透性的比较计算结果表明，防渗墙渗透性大小对库水下渗的总渗漏量影响比较明显，而厚度的变化对库水下渗的总渗漏量具有一定的影响，但是影响渗漏量的程度不如渗透系数直接敏感。

水库渗流计算的边界条件比较复杂，影响的因素也较多，作为世界最通用的有限元分析软件建模方便、快速，能够快速求解渗流问题，并能很好的对渗流场予以模拟仿真。希望通过本次实例计算对其它类似水库有一定的借鉴意义。

[1]毛昶熙.渗流计算分析与控制（第2版）[M].中国水利水电出版社，2003,9.

[2]章国珍,等.峡江水利枢纽同江防护区浸没范围分析与预测[J].人民长江,2011,5.