橡胶坝工程建设对地下水渗流场影响研究

蒋晓光

(丹东市振安区水利局，辽宁 丹东 118006)

1 引 言

河水与地下水之间进行交互是一种常见的自然现象。水库的修建会对这种现象产生一定的影响，造成河水与地下水的交互发生较大的变化，对河道沿线生态环境造成很大的影响[1]。河水与地下水之间的交互作用研究主要集中于水、气候、人类活动影响方面[2]，目前针对这方面的研究方法主要有数学解析法[3]、地球物理分析法[4]、水文地球化学法[5]、统计分析[6]以及数值模拟法[7]。单一的方法往往难以获取准确的结果，在实际的工程使用中往往需要多种方法相结合，从多角度、多方面分析河水、地下水的交互作用。河水和地下水之间的交互作用涉及多个学科，本文从地下水渗流场方面研究丹东市武营村新建橡胶坝工程对地下水、河水交互产生的影响。

2 工程概况

大沙河为丹东市最长的一条内河，2010年，大沙河中游沿线(五龙背镇到金山镇)共有百余家工业企业(相当比例为化工类企业)、500家商户和上百家大小休闲洗浴场所向大沙河排污。五龙背镇内至少有五万余居民、金山镇内至少有四万余居民的生活污水直排进大沙河。再往下游，从九道沟到入江口段的多数沿河地区，共有11个大型排污口不间断向大沙河排放未经任何处理的工业、生活污水。2011年，大沙河治理改造工程被列为政府承诺的为百姓办的15件实事之一，也作为丹东市内河水系治理改造工程的重点项目加快推进。2011年，大沙河治理改造工程正式启动，包括污水截流工程、景观绿化工程、橡胶坝工程等几部分。根据规划在武营村流域的大沙河建设拦河坝一座。拦河坝为橡胶坝底板，高程为42.30m，坝袋净高3.5m，设计正常挡水位45.80m，全长95.8m，坝前、后河道平均比降为1/800、1/1000。坝基岩土体从上至下依次为：细砂(厚0.4～0.8m)、砾砂(厚0.4～1.7m)、强风化花岗岩(厚度大于1.5m)。各层岩土体物理、力学参数见表1。

表1 各地层物理、力学参数

3 库区沉积物渗透系数分析

3.1 渗透系数测试方法

渗透系数又称水力传导系数。在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度。目前，国内外常用的渗透系数测试方法为竖管法，该方法具有操作简便、结果准确等特点。按Hvorslev方法[8]，计算渗透系数，公式如下：

(1)

式中D——竖管直径，m；

Lv——竖管直径，m；

h1——时间t1对应的水头,m；

h2——时间t2对应的水头,m；

m——与水平、竖直方向渗透系数有关的常数。

(2)

在库区沿库水边线5m、10m的位置选择42处试验点进行土样颗分试验获取颗粒级配。各测点分布见图1。橡胶坝建设完成后，库区水深在2.8m，采用的PVC管长为320cm，管内径为4.5cm，管内沉积物长度为270cm。竖管布置完成后，在自然条件下进行注水试验，准确记录不同时段管内的水头高度。经过初步统计，各原位试验点沉积物渗透系数最大值为3.14m/d，最小值为0.07m/d，平均值为1.05m/d。

图1 竖管法测点分布

3.2 沉积物颗粒与渗透系数关系分析

在水库建设之前库区表层沉积物主要为人工填土、细砂、砾砂，厚度较小，土质均匀性较差，渗透系数较大，多次注水试验结果平均值一般为19.74m/d，通过颗粒分析，库区建设前表层岩土体d50为0.245mm，d30为0.197mm，d10为0.016mm。场地内降水参数见表2。

表2 降水参数

武营村橡胶坝修建完成后，库区水位处于相对稳定的状态。库区回水区水位上涨，水流速度下降，大大降低了水流携带、冲刷泥沙的作用，泥沙沿程呈现由粗到细逐渐下落淤积的现象。橡胶坝修建后，库区水流的运动速度下降至0.3～0.5m/s，水流速度的大幅度下降导致库区淤积了大量的细颗粒，橡胶坝的修建及蓄水对库区沉积物的颗粒级配造成了较大的影响。

一般情况下库区沉积物颗粒粒径越大，渗透系数也越大，这是因为沉积物粒径越大颗粒间空隙越大，反之亦然。根据颗粒分析，库区沉积物以砂粒(0.075mm

4 地下水渗流场变化分析

4.1 水文地质模型概化

根据现场勘查实测情况，武营村新建橡胶坝坝址以上流域面积为187km2，控制河道长度为24.3km。因此，此次模拟范围为坝址区以上沿着河道方向长24.3km、宽约7.69km的区域。数值模拟计算以第四系孔隙含水层为目的层。将地下水简化为x、y两个方向的二维形式，地下水渗流为层流且满足达西定律。

4.2 数值模拟基本参数

研究区范围内地表高程来源于高精度DEM数据，使用克里金插值法进行处理，模拟范围底板为不透水层(风化程度较低的、结构较完整的花岗岩)。

水文地质参数选取依据当地的水文地质条件以及当地其他项目的勘察钻孔、抽水试验资料，根据各区域参数的差异共划分为6个区域，各区域划分情况见图2，参数取值见表3。

图2 水文参数分区

表3 各区域水文参数取值

4.3 库区水来源分析

库区水来源主要包括两个方面：降水补给、地下水补给。其中，降水补给量按下式计算:

(3)

式中Q——降水补给量，m3；

ai——各区域的补给系数；

Pi——各区域的降水量，mm/m2；

Fi——各区域的面积,m2。

地下水补给按下式计算：

Q2=KiLM

(4)

式中Q2——地下水补给量,m3；

K——渗透系数；

i——水力坡度；

L——补给长度,m；

M——含水层厚度,m。

研究区内潜水埋深较深，一般情况下大于5.0m，潜水蒸发量较小，因此，在本次计算中可不予考虑，忽略潜水蒸发对地下水渗流场的影响。

4.4 Modflow数值模拟结果分析

4.4.1 地下水流场分析

根据上述基础数据建立Modflow数值模拟模型，在河道左、右岸各布置5个水文监测孔。橡胶坝建设完成，水库达到正常蓄水位时，地下水流场见图3。

图3 地下水流场

4.4.2 库水、地下水转化关系分析

区域内地下水主要受大气降水、库水补给，排泄方式主要为人工采用、蒸发、补给河水等。根据模拟结果，区域内地下水位与地形分布情况较为一致，整体流向见图4。橡胶坝修建完成，水库蓄水以后，河道水位上升，高于右岸地下水水位，但仍低于左岸地下水水位，每年12月至次年3月，降水较少，右岸地下水主要受库水补给，每年4—11月，降水较为丰沛，库水受左岸地下水补给。

图4 库水、地下水转化示意图

在模拟时间段内库水位与地下水位变动和时间的关系见图5。从图中可知，地下水位与库水位变化关系较为密切，一般情况下，随着库水位的上升，地下水位也相应上升。

图5 库水位与地下水位随时间变化曲线

5 结 论

本文结合丹东武营橡胶坝工程，通过现场竖管试验获取橡胶坝修建后的沉积物渗透系数，与建设前相比库区表层岩土体渗透系数明显降低；根据研究区内水文参数特性将模拟区划分为6个区域，采用Modflow进行数值模拟分析，结果表明库区右岸地下水受库水补给的影响，地下水位随着库水位上升而上升。水利工程的修建对河道环境会造成一定的改变，在修建水利工程前应充分调查环境影响程度。