乌溪水库工程地下水渗流场数值模拟研究

黄向阳

(福建省水利水电勘测设计研究院，福建 福州 350001)

1 工程概况

乌溪水库工程项目位于福建省莆田市涵江区北部新县镇、大洋乡境内的萩芦溪流域上游二级支流乌溪上，坝址位于新县镇正斜村上游400m处，控制流域面积48.4km2，正常蓄水位240.0m，总库容2102万m3，多年平均流量为1.44m3/s。水库以供水为主，兼具防洪、灌溉、发电等综合利用功能。水库工程建筑物由拦河坝、引水系统、发电厂房和供水系统组成。坝型为砌石拱坝，为抛物线双曲变厚拱坝，最大坝高85m。引水隧洞总长约11406m，供水隧洞长度约为6758m，隧洞开挖洞径为2.8m。

水工长隧洞在施工和运营过程中，由于改变了隧洞区周边的地下水状态，造成隧洞中涌水以及高压输水过程中的泄露等问题，对周边环境造成影响。水库蓄水后库区地下水位变化可能会引起滑坡、土壤盐渍化和沼泽化等问题，大坝下游或因地下水位变化影响地下水开采等。因此需要对水工隧洞施工和运营过程中周边地下水渗流场、水库蓄水后库区和下游地区的地下水渗流场进行详细分析与预测，为工程的顺利施工及地下水环境保护提供科学依据[1]。数值模拟法能够处理复杂水文地质条件，特别是衬砌等防渗措施条件下的地下水渗漏和压力分布问题，并能够进行多种条件的分析预测，已得到了广泛应用并取得良好的效果。

2 水文地质条件

工程分布区地下水以风化裂隙水和基岩裂隙水为主。风化带孔隙裂隙水由火山岩、侵入岩的全风化带和强风化带组成，上部全风化带形成残坡积层，主要为残积(砂质)黏性土，渗透性差；下部强风化带中裂隙发育，构成网络，含孔隙裂隙水，富水性弱，地下水位埋藏于弱风化带中上部，一般埋深10～45m。基岩裂隙水含水层由中性火成岩组成，分布于引水系统的中南部、供水系统的全部，风化较强，水埋深一般为20～40m。

隧洞区位于山体中，地下水补给主要为大气降水入渗补给，主要以泉的形式排泄，由于埋深较大，蒸发排泄较少。根据内压水试验，岩体渗透性随深度迅速降低，在30m以下，岩石风化微弱，渗透性低且稳定，一般小于1Lu。

3 地下水渗流场数值模拟

3.1 隧洞区

依据洞室所处深度、所处地形特征选取一个典型剖面，利用HYDRUS2D软件进行模拟。HYDRUS2D软件能够模拟饱和-非饱和条件下的剖面二维水压力分布特征，软件采用伽辽金有限元法求解渗流方程，采用三角形离散化研究区域，可以刻画洞室及衬砌区，并能进行洞周地下水压力分布分析。

该剖面位于供水系统前段隧洞通过的第一个小山包处，该处隧洞位于弱风化层以下，但紧靠弱风化层，因此将模型顶界取为地表，边界条件取为大气降水边界，接受降水入渗和蒸发，由于该模型可以模拟降水入渗过程，根据计算出的土壤含水率和水势来计算降水入渗补给量和潜水蒸发量，降水和蒸发量可取多年平均降水量和平均水面蒸发量，分别为0.0044m/d和0.0023m/d。岩性参数根据弱风化层中的压水试验和经验值确定，其中上部弱风化层饱和渗透系数取0.1m/d；下部微风化—新鲜岩石的饱和渗透系数取0.005m/d。模型左侧边界靠近河流，为排泄边界，取渗流面；右侧边界距离河流较远，为补给边界，由于此处地形较为平坦，侧向补给量小，假定为隔水边界；下边界深度在隧洞以下22.5m，视为垂向隔水边界。隧洞开挖过程中，隧洞可视为渗出面，而运营后，隧洞内存在一定压力，压力值约为23m水柱，可视为定压力边界。

采用三角形网格剖分，在隧洞附近采用加密剖分，见图1。图1～图3分别显示了开挖前、开挖中和开挖后地下水压力场剖面、洞室处垂向和水平向的分布特征。

图1 典型剖面加密剖分图

图2 典型剖面地下水场压力模拟预测图

从预测结果可以看出，在上述边界条件下，开挖前剖面地下水等压力线与上表面近似平行，这与静水压力分布特征相符。开挖过程中，隧洞成为地下水的排泄面，在模型中采用渗出面进行模拟。模拟结果显示，隧洞周边的地下水压力场发生明显改变，下部渗透性小，压力变化幅度大，而上部水压力较小，垂向的影响达到整个模拟深度，见图3(b)；但水平向地下水压力变化较小，并呈现距离隧洞越远，下降幅度越小，影响范围约120m，见图4(b)；隧洞涌水量的模拟值为0.473m3/(d·m)[2-3]。隧洞衬砌等处理以后，在外周形成渗透性更低的一层，取其渗透系数为0.0001m/d。模拟结果显示，隧洞运营过程中，洞室内水压比外侧水压稍小，流入洞室内的水量约为0.014m3/(d·m)，地下水压变化不大。

图3 沿隧洞垂向剖面水压力变化

图4 沿隧洞水平向剖面水压力变化

3.2 水库区

水库蓄水位为240m，淹没范围为240m等高线圈定的范围。而且地下水分水岭与地表水分水岭基本一致，因而其对地下水的影响不超过淹没段河流的分水岭。模拟区的边界取为地表分水岭，由于区内含水层厚度较薄，可认为地下分水岭与地表分水岭一致，因而侧边界可视为隔水边界。模型的底边界取弱风化层底面，弱风化层以下渗透性低，富水性差，因而亦可视为隔水边界。河流是库区排泄区，尽管河流水位存在变化，但蓄水后，淹没区的河流水位变化不大，因此在本次模拟中取为已知水头边界。降水入渗系数取0.17，多年平均降水量1610.1mm，计算得出区内的降水入渗补给强度为0.00075m/d。区内山坡上有泉水出露，但是泉点不明显，多以块状渗出的方式排泄，其余排泄则以蒸发排泄为主，年内平均水面蒸发0.834m，强度为0.0023m/d，由于区内大多地区水位埋深较大，在此取0.0018m/d，当地下水位埋深超过4m，则可认为地下水不受蒸发影响。

通过数值模拟后的蓄水后水库区地下水位变化幅度见图5，由图5可以看出，蓄水后，在河流两岸，地下水位普遍抬升，地下水分布面积增大，越靠近河流，地下水位抬升得越大。地下水位抬升后，山脊仍为两侧河溪分水岭。统计结果显示，不包括淹没区约1.1km2的区域地下水位抬升，平均升高7.9m；约0.4km2的区域地下水位下降，平均下降约0.76m。水位呈现下降的地区主要是靠近支流的上部，特别是两条支流相近的地区，主要是由于这些地势较缓，蓄水后由于河流水位的抬升，使得排泄基准面抬升，局部地下水排泄路径变短，水力梯度变缓，地下水位表现为下降。

图5 蓄水后水库区地下水位变化幅度 (单位：m)

由于区内河谷两岸地势较陡，很多地方基岩出露，第四系松散堆积物薄且分布范围有限，没有古滑坡，因而水位升高既不会激活古滑坡，亦不会导致新滑坡。此外，淹没区以上，基本上没有大面积的农田和地势低平地区，区内年降水量大，地下水径流速度快，因而不会产生由地下水位升高而引起的土壤盐渍化和沼泽化问题。地下水位下降幅度较小，且该地区无开采地下水，可忽略其对环境的影响。

3.3 大坝下游区

水库蓄水以后，坝下游河流径流量会减少，河流水位相应降低，地下水排泄基准面下降，河流两岸的地下水位相应下降。评价区的边界取为地表分水岭，由于区内含水层厚度较薄，可认为地下分水岭与地表分水岭一致，因而侧边界可视为隔水边界。模型底边界取弱风化层底面，弱风化层底板以下岩层渗透性低，富水性差，因而亦可视为隔水边界。河流是区内的排泄区，尽管河流水位存在变化，但在本次模拟中取为已知水头边界。河流水位根据实测相邻地下水位数据及河流处地面高程确定。降水入渗补给强度和蒸发排泄相关参数同水库区。

水库运营后，坝下游河流流量降低，河流水位相应降低，会产生4.66km的少水段，受影响区域的地下水水位也会相应下降，因此可能会影响周边的乾顶村和广宫村。从现场调查来看，这两个村庄均无地下水开采井，生活用水主要是利用山泉或山涧冲沟水，因此乌溪水库建设对其影响较小。据坝下游河流流量水位曲线计算出河流水位平均下降约0.022m。数值模拟结果见图6。河流水位下降后，地下水位随之降低，影响范围内地下水位平均下降0.013m，地下水下降幅度很小，对原始地下水环境的影响相当小，因而基本不会诱发新的环境水文地质问题。

图6 蓄水后大坝下游区地下水位变化幅度 (单位：m)

4 结 语

a.通过剖面二维水压力数值模拟，在乌溪水库引水隧洞开挖过程中，地下洞室的排泄作用导致洞周地下水位下降，横向水平影响范围超过100m；尽管洞室处于弱风化层以下，但地下水的排泄量仍比较大，排泄强度可达到为0.473m3/(d·m)，且排泄强度随洞顶含水层厚度、渗透性的增大而增大。

b.乌溪水库蓄水后，在河流两岸地下水位普遍抬升，地下水分布面积增大，越靠近河流，地下水位抬升的越大，平均升高7.9m。靠近支流的上部，特别是两条支流相近的地区，由于地势较缓，蓄水后由于河流水位的抬升，使得排泄基准面抬升，局部地下水排泄路径变短，水力梯度变缓，地下水位表现为下降，平均下降约0.76m。蓄水后水库区地下水位变化不会诱发滑坡、土壤盐渍化等环境问题。

c.乌溪水库蓄水后坝下游河流流量降低，会产生4.66km的少水段，其地下水水位也会相应下降，平均下降0.013m。地下水下降幅度很小，不会诱发新的环境水文地质问题。

d.乌溪水库工程通过地下水数值模拟法对隧洞区地下水压力、渗流量和蓄水后水库区、大坝下游区地下水位变化进行定量预测，为项目建设提供重要技术支持。