（地质工程专业论文）平原型水库库区浸没分析与研究.pdf

摘要 随着现代科学技术和水利事业的不断发展，水库的建设已进入了一个新时 期。众所周知，水库能够满足国民经济各部门提出的多方面要求，但同时会给建 库地区及下游地区的自然和经济带来一系列的不利影响。其中，浸没问题就是一 个很突出的问题。对于水库浸没问题的研究已取得了令人瞩目的成就，但也存在 着不足。本文从理论及工程实际出发，对水库浸没问题做了比较系统的研究。 基于水库与其他建筑物有着不同的特点，如：地基和基础处于水下，工作条件 复杂，对地质及地基处理的要求高，本文从浸没的基本特点入手，深入地分析了 浸没产生的地质条件及影响囡素。结合理论知识与数个工程实践资料，总结出了 在一般情况下可能会发生或不会发生浸没的地段。 考虑到水文地质条件的复杂性与多样性，本文建立了多种情况下渗流的有限 元计算公式。对于渗流场比较简单且属于非主要浸没区的地段，一般采用二维渗 流有限元计算即可满足工程要求。但在多数情况下，水工方面所遇到的渗流问题 都是计算区域大，地质条件极为复杂的，因此三维渗流有限元计算得到了更广泛 的应用，它能够较准确地反映出各渗流点的水头、速度的大小及方向。而对于减 压井多且强、弱透水层的渗流系数比值很大的情况，宜采用多层透水地基渗流理 论来计算，该理论假定强透水层中的流线基本上是水平的，而弱透水层中的流线 基本上是垂直的，这样就可以将三维渗流问题在数学处理上降为二维问题，使问 题得以简化。此外，本文还对相关水文地质参数的确定、浸没范围的确定、浸没 的预防方案等问题进行了探讨。 最后，本文根据上述的理论计算公式及相应的计算程序( 2 d f l o w 程序、 3 d f l o w 程序、曹洪博士开发的多层透水地基渗流计算程序) ，对潮州供水枢纽 工程库区进行了渗流计算，得出了相应的等水头线图，并结合当地的f 晦界地下水 埋深，对该地区做了浸没评价，提出了应用的工程防护措旖。同时，也证明了本 文所建立的水库浸没研究理论的实用性及在工程应用中的可行性。 关键词：水库浸没二维渗流有限元计算三维渗流有限元计算 多层透水地基渗流计算预测与防治 a b s t r a e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h em o d e mt e c h n o l o g ya n di r r i g a t i o nw o r k s ，t h ec o n s t r u c t i o no f t h e r e s e r v o i re n t e r san e wp e r i o d i ti sk n o w nt oa l l ，r e s e r v o i rc a nm e e tt h en e e d so fe a c hn a t i o n a l i n c o m ed e p a r t m e n ti nm a n ya s p e c t s ，h o w e v e r , i tm a yb r i n gas e r i e so fn a t u r a la n de c o n o m i c a l d i s a d v a n t a g e si n t i l er e s e r v o i ra r e aa n dc a t c h m e n ta r e a t h ei m m e r s i o np r o b l e mi so n eo ft h e o u t s t a n d i n gq u e s t i o n st h er e s e a r c ho nt h er e s e r v o i rh a sa c h i e v e dp r o m i n e n ts u c c e s s ，b u ti ta l s o h a ss o m es h o r t c o m i n g s o nt h eb a s i so ft h e o r ya n dp r o j e c tp r a c t i c e ，t h ed i s s e r t a t i o nh a sd o n e s y s t e m i cr e s e a r c ho nt h er e s e r v o i ri m m e r s i o np r o b l e m ， c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n tt r a i t sb e t w e e nr e s e r v o i ra n do t h e rb u i l d i n g s ，f o re x a m p l e s ：t h e f o u n d a t i o na n dt h eb a s eb e i n gu n d e rw a t e r ；t h ew o r k i n gc o n d i t i o nb e i n gc o m p l e x ；t h ed e m a n do f t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n df o u n d a t i o nm a n a g e m e n tb e i n gv e r ys t r i c t ，t h ed i s s e r t a t i o ns t a r t sw i t h t h et r a i to fi m m e r s i o na n dt h e na n a l y s e st h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s c o m b i n i n gw i t ht h et h e o r e t i ck n o w l e d g ea n ds o m ep r a c t i c ed a t ao fp r o j e c t s ，i ts u m m a r i e ss o m e a r e a sw h e r ei m m e r s i o nm a yh a p p e no rn o ti ng e n e r a lc o n d i t i o n c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t ya n dv a r i e t yo ft h eh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，i te s t a b l i s h e st h e s e e p a g ec a l c u l a t i v ef o r m u l a so ft h ef i n i t ee l e m e n ti nv a r i o u sc o n d i t i o n s i ft h es e e p a g ef i e l di s s i m p l y a n dt h er e g i o nd o e s n tb e l o n gt o p r i m a r y i m m e r s i o na r e a , t h ec a l c u l a t i o no ft h e t w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tw i l lm e e tt h ep r o e c tn e e d s b u ti nm o s tc o n d i t i o n s ，t h es e e p a g e p r o b l e m si n w a t e rp r o j e c ta r ei nl a r g er e g i o na n do fc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ot h e c a l c u l a t i o no ft h et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ti su s e dm o r ep o p u l a r i tc a r lr e f l e c tt h e m a g n i t u d ea n dd i r e c t i o no ft h eh y d r a u l i ch e a da n ds p e e di ne a c hs e e p a g ep o i n tw e l la n dt r u l y u n d e rt h ec o n d i t i o n st h a tt h e r ea r em a n yr e l i e fw e l l sa n dt h er a t i oo fp e r m e a b l em o d u l u sb e t w e e n i n t e n s ep e r m e a b l el a y e r sa n da q u i c l u d e si sv e r yl a r g e ，w e db e t t e ru s et h es e e p a g et h e o r yo ft h e m u l t i p l a y e rp e r v i o u sf o u n d a t i o nt oc a l c u l a t e t h et h e o r ya s s u m e st h a tt h ef l o wl i n eo f t h ei n t e n s e p e r m e a b l el a y e ri sb a s i c a l l yh o r i z o n t a la n dt h ea c q u i c l u d ei sb a s i c a l l yv e r t i c a l a sd o i n gt h a t ，w e c a nc h a n g et h et h r e e - - d i m e n s i o n a l s e e p a g e p r o b l e m i n t ot w o - - d i m e n s i o n a l p r o b l e ma n dt h e q u e s t i o nc a nb es i m p l i f i e d o t h e r w i s e ，t h ea s c e r t a i no ft h er e l e v a n th y d r o g e o l o g i c a ip a r a m e t e ri n i m m e r s i o nc a l c u l a t i o n ，t h ea s c e r t a i no ft h ei m m e r s i o nr a n g e ，a n dt h ed e f e n d i n gp l a n sa r ea l s o d i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n i nt h ee n d ，f o l l o w i n gt h et h e o r e t i cc a l c u l a t i v ef o n n u l a sa n dt h er e l e v a n tc a c u l a t i v ep r o g r a m ( 2 d - f l o wp r o g r a m ，3 d - f l o wp r o g r a m ，t h es e e p a g ec a c u l a t i v ep r o g r a mo f t h em u l t i p l a y e rp e r v i o u s f o u n d a t i o nw h i c hw a se x p l o i t e db yd o c t o rc a nh o n g ) ，t h ed i s s e r t a t i o nh a sc a l c u l a t e dt h es e e p a g e o ft h e r e s e r v o i ro fc h a o z h o ua n dg o tt h ec o r r e s p o n d i n gm a po ft h eh y d r a u l i ch e a dl i n e c o m b i n i n gw i t ht h eb u r i e dd e p t ho f t h el o c a lc r i t i c a lu n d e r g r o u n dw a t e r , t h ed i s s e r t a t i o nh a sm a d e t h ei m m e r s i o ne s t i m a t eo ft h i sa r e aa n do f f e r e dt h er e l e v a n td e f e n d i n gm e a s u r e so ft h ep r o i e c t s i m u l t a n e o u s l y , t i l ea p p l i c a b i l i t ya n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h er e s e r v o i ri m m e r s i o nt h e o r y ，e s t a b l i s h e d i nt h ed i s s e r t a t i o n a r ew e l lp r o v e d k e y w o r d s ： r e s e r v o i ri m m e r s i o n t h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o no f t h et w o - d i m e n s i o n a ls e e p a g e t h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o no f t h et h r e e d i m e n s i o n a ls e e p a g e t h es e e p a g ec a l c u l a t i o no f t h em u l t i p l a y e rp e r v i o u sf o u n d a t i o n f o r e c a s ta n dp r e v e n t i o n _ 【= 程颂士论文 第一章绪论 第一节前言 水库是人们为了对河川径流在时问上和空间上进行重新分配，减少或增加某 一时间、某一地区的径流量；或者为了抬高水位，达到某些用水的目的，而建造 的一个人工蓄水湖。 随着现代科学技术和水利事业的不断发展，水库的建设也取得了巨大进步。 与此同时，对水库影响的研究也有了不断的深入。众所周知，水库除了满足国民 经济向水资源提出的多方面要求外，还会给建库地区和水利枢纽的下游地区的自 然和经济带来一系列不利的次生变化：土地的浸没和淹没，河岸被毁，居民和国 民经济各部门搬迁，业已形成的经济、运输和其他有关方面到破坏，小气候条件、 卫生状况、鱼类繁殖和育肥的条件( 特别是在河流下游) 等都将发生变化。以水 库浸没的影响为例：宫厅水库1 9 5 4 年开始蓄水后，由于库区地下水位被抬升， 使几十个村庄数千亩土地沼泽化，浸没带的宽度在个别地段达3 k m 以上。沼泽 化和盐碱化的后果，农作物及果树减产或部分枯死，房屋倒塌，墙壁开裂等等。 事故后补做了大量排水工程，并相应改变耕作制度，才得以解决；黄壁庄水库 ( 河北省) 1 9 5 9 年开始蓄水后，当汛期水位达1 1 5 m 高程时( 正常蓄水位为 1 2 7 5 m ) ，副坝下游坡即出现渗漏、管涌和坍坡等现象，同时副坝下游的灰北、 小壁、郑村等7 个村庄发生房屋倒坍，井水变苦和土地沼泽化。6 0 年代初，在 副坝下游趾修建排水减压井渠系统等，才得以解决；三门峡水库蓄水后，受水 库水位的影响，两岸地下水位普通上升，造成库周塌井；地下水质恶化，出现变 成变苦的现象；地面湿软，房屋塌毁，道路泥泞，交通困难；库区黄土层产生湿 陷现象；大面积土地盐碱化、沼泽化、农作物减产，果树萎死；地面潮湿、当地 群众患风湿病，腰腿痛症者增多。后来修建了大量的排水站和排水沟才使情况有 所改善。 因此，人们在修建水库之前必须要考虑到水库建成后对周围环境的影响。本 文主要研究和分析了水库建成后可能产生的浸没问题。所谓水库浸没是指水库蓄 水后水位抬高，引起水库周围地下水壅高，当库岸比较低平，地面高程与水库正 常水位相差不大时，地下水位可能接近甚至高出地面，产生的种种不良后果。 浸没对滨岸地区的工农业生产和居民生活危险甚大，它使农田沼泽化或盐碱 化：建筑物的地基强度降低甚至破坏，影响其稳定和正常使用；附近城镇居民无 法居住，不得不采取排水措施或迁移他处( 见图1 1 ) 。浸没区还能造成附近矿坑 渗水，使采矿条件恶化。所以，浸没问题常常影响到水库正常高水位的选择，甚 至影响到坝址的选择。 浸没区 水辱回水一一、”。一4 上1 、鼍尹化，一一! 坠一 一 一。一；一 一 图l l 水库同水及浸没示意图 工程顼上论文 水库的浸没是在一定的环境工程地质条件下发生的，不发生浸没的地段是： 库岸为相对不透水岩土层组成或研究地段与库岸之间有相对不透水层阻隔； 研究地段与库岸问有经常水流的溪沟，其水位等于或高于正常蓄水位时。但在下 述环境工程地质条件下将会存在浸没的可能性：平原型水库的坝下游，顺河坝 或【习堤的外( 背水) 侧，特别是在地面高程低于河床的库岸地段；地下水位埋 藏较浅，地表水和地下水排泄不畅，补给量大于排出量的库岸地段，封闭、半封 闭洼地或沼泽的边缘地带，盆地型水库边缘与山前洪积扇直接相接的地段或其他 地貌过度带。 第二节水库浸没的研究现状 水库浸没的评价主要是通过比较水库蓄水后的回水水位高程与当地临界地 下水埋深的大小来进行的，如果前者高于后者则认为会发生浸没，反之则不发生 浸没。通过对库区进行渗流分析则可以得出回水水位的高程。 目前渗流分析方法主要包括解析法、数值法和电拟法。( 1 ) 解析法。所谓解 析法，是指利用有关数学手段直接定解基本微分方程的方法。通过解析解可得到 关于水头函数在所研究区域内分布的显式表达式。它既满足基本方程，又满足给 定的边界条件。一般地说，解析解是比较准确的，但其实用性差，这是因为到目 前为止所见到的解析解都是针对各向同性均质渗流介质和简单边界条件而建立 的。( 2 ) 数值法。数值方法目前主要有有限差分法、有限单元法和边界元法。 有限差分法。它是在1 9 1 0 年由理查得森( l f r i c h a r d s o n ) 首先提出的。它是 从微分方程出发，将研究区域经过离散处理后，近似地用差分、差商来代替微分、 微商。这样以来，基本微分方程和边界条件的求解可归结为求解一个线性方程组， 所得结果为数值解。有限差分法的优点是其原理易懂，算式筒单，有较成熟的理 论基础。其缺点是往往局限于规则的差分网格，对曲线边界和渗流介质的各向异 性模拟比较困难。有限单元法。1 9 6 5 年，津克维茨( 0 c z i e n k i e w i z ) 和张 ( y k c h e u n g ) 提出有限单元法适用于所有可按变分形式进行计算的场问题，为该 方法在渗流分析中的应用提供了理论基础。该法是对古典近似计算的归纳和总 结。它既吸收了有限差分法中离散处理的内核，又继承了变分计算中选择试探函 数，并对区域进行积分的合理作法，充分考虑了单元对节点参数的贡献。有限单 元法在模拟曲线边界和各向异性渗流介质方面比有限差分法具有较大的灵活性。 边界元法。边界元法( b o u n d a r ye 】e m e n tm e t h o d ) ，这个名称直到1 9 7 8 年才 被确立并得到公认，目前，在渗流分析中也得到一定应用。它是通过把求解域边 界剖分为若干个单元，化边界积分方程为线性代数方程组来求其数值解的。可见， 建立所研究问题的边界积分方程是边界元法的基础。边界元法与有限单元法相 比，它便于处理无限或半无限渗流介质、渗流奇异( 如排水井点) 和自由面等问 题，而且由于它只对研究域的边界进行剖分，其数据信息量显著减少，一般说其 计算精度也高于有限单元法。其缺点是它所建立的系数矩阵是满阵，而且是不对 称的，即使节点较少，也将占据可观的内存，同时，它对三维非均质渗透介质问 题的应用尚存在相当大的困难。( 3 ) 电拟法。此法是基于网络电场和离散渗流场 数学模型间的相似而对渗流场进行求解的。电拟模型对渗流场来说是个数学模 型，而不是物理模型。电拟法目前主要采用两种模型即导电液模型和电网络模型。 工程硕士论文 由于导电液模型为连续介质模型，故它便于模拟急变渗流区问题，但用它无法模 拟非均质各向异性渗透介质，也不尽适应复杂的地质和边界条件。为了模拟更加 复杂的渗流场，逐步发展和研究了电网络模型，即电网络法。该方法既可基于差 分原理建立，也可基于变分原理建立，其基本原理是基于网络电路问题的解和渗 流场的数值解符合同一形式的差分方程和变分方程。由于基于变分原理而建立的 电网络法吸收了有限单元法的优点，故使该方法在模拟曲线边界和各向异性渗透 性方面得到一定改进。电网络法尽管在渗流分析中沿用已久，但由于它具有容量、 稳定性基本不受限制和在解题过程中不产生累积误差等特点，目前仍是求解大型 复杂渗流场的有效工具。 随着计算机硬件技术的突飞猛进，软件技术的日新月异，目前已开发出多种 应用于渗流分析的计算程序。 s t s a 程序。该程序是个具有多功能的能够求解二维问题和三维问题的非 均质、各向异性的承压和非承压的渗流问题，也可以求解非线性的各向同性的稳 定渗流问题。对于无压渗流问题，该程序设有自动调整浸润面( 线) 的功能。用 迭代的方法来调整确定浸润面( 线) 和用拟合曲线来确定逸出点的位置。为了节 省迭代的计算时间，程序采用交替迭代。即先在小范围进行局部迭代，再整个区 域的迭代。另外，该程序设有计算任何截面的渗流量和计算节点的水力坡降而且 设有计算导水薄断层和排水并列的专门功能的子程序。该程序是用f o r t r a n 语言 编写的，已有超过5 0 0 0 余行的f o r t r a n 语句。目前它已为中原油田引水工程、 二滩水电站、鲁布革水电站、陆浑水库以及军粮城电厂和柳林电厂的灰场等工程 进行大量二维和三维方案的计算。 2 d f l o w 程序。即二维地下水渗流有限元分析系统。该程序可自动生成有限 元分析网格并进行分析计算，然后从其后处理器得出流速图、等水位线图、色谱 图、数值表等易于理解的直观结果。 3 d f l o w 程序。该程序是由软脑软件( 北京) 有限公司开发的三维渗流分 析系统。它具有可计算各种复杂地基的稳定，非稳定、饱和月 饱和、地表降水、 变动水头问题的渗流分析。计算可得到计算范围内各点的水头，流量，流向及水 头等值线图，渲染图，流速图等。 华南理工大学曹洪博士开发了多层透水地基渗流计算程序。该程序适用于地 层强透水层与弱透永层相间的区域地下水渗流场的分析计算，层数最多为四层， 计算范围可达数公里。它解决了多层透水层间越流补给迭代和减压井计算方法， 能同时算出各层渗流水头、地表出溢量、覆盖层承受的向上水力坡降和减压井出 水量等成果，实用性强，符合工程需求。该程序开发过程得到广东省水利厅科技 计划项目资助，并在北江大堤等重要工程中应用、完善。 3 d s p 程序。该程序是建立在三维渗流场基础上的。它的特色主要有这四点： 动态分配内存。使得程序更具灵活性，计算容量增大，计算速度加快。“先恢 复再比较后丢单元”调整方法比采用节点链或单纯丢单元法更有利于跨介质浸润 面的调整。自动剖分单元程序独立出来，便于数据检查、修改及添加。采用 与m a t l a b 绘图软件接口可以直观浸润面的全貌。 工程碗上论文 第三节 本文主要研究工作 水库浸没问题是水库工程勘察与评价的重要内容，也是水库区五大工程地 质问题之一，对于指导水库移民和确定动迁方案起着决定性作用。目前对浸没问 题的研究已经取得了令人瞩目的成就，但也存在许多不足。本文从理论及工程实 际出发，对浸没问题作了比较系统的研究，主要研究工作如下： ( 1 ) 归纳了目前渗流分析的方法，并对各种方法作了比较，分析了各自的优 缺点及相互间的联系。 ( 2 ) 分析了水库浸没的成因，主要包括对水库浸没的地质条件及影响因素等 问题的分析，同时还对相关水文地质参数的确定进行了讨论。 ( 3 ) 考虑到水文她质条件的多样性与复杂性，建立了多种情况下渗流计算模 型及相应的计算程序，达到符合实际情况及满足工程需求。 ( 4 ) 为了减少由于水库浸没而给周围环境带来的不利影响，本文建立了浸没 及其范围的预测方法，并分析了相应的工程防治措施，以使危害减小到 最低程度。 ( 5 ) 运用本文所建立的水库浸没研究理论分析了潮州供水枢纽工程库区的 浸没问题，通过对该工程的分析也表明了本文建立的理论的适用性及在 工程应用中的可行性。 一4 一 工程硕士论文 第二章水库浸没的成因分析与相关水文地质参数的确定 水库蓄水后使库区周围地下水相应壅高而接近或高于地面导致地面农田盐 碱化、沼泽化及建筑物地基条件恶化、矿坑涌水等，这种现象称为浸没。在丘陵 地区、山前洪积冲积扇及平原水库，由于周围地势低缓，最易产生浸没，且其影 响范围往往很大。山区水库可能产生矿山和宽阶地浸没以及库水向低邻谷洼地渗 漏的浸没，严重的水库浸没问题影响到水库正常蓄水位的选择，甚至影响到坝址 选择。在发生浸没情况下，不仅水状况发生变化，而且土壤水状况，土壤形成过 程和土壤性质发生变化，植物界和动物界、小气候都发生了变化。 第一节水库浸没带的划分及其特点 在水库沿岸部分地区，其局部范围内由于地下水位升高，自然综合体发生改 变，形成浸没带。自然综合体的变化程度在其范围内通常是不一样的。经常看到 靠近水库的边缘变化最强烈，随着地区高程升高和距离增大自然综合体变化明显 减弱。库岸亚带区则发生浸没交替变化。经验证明，亚带浸没类型的划分最好按 以下三方面特征的组合进行，即土壤水状态、土壤成分和植物。根据它们的变化 程度把浸没带划分为强烈的、中等的和较弱的。 强烈浸没亚带的特点是完全或几乎完全取决于水分状况的变化( 亚类交替或 土壤水状况级别) 。土壤覆盖层的变化表现为在热力状况变化中出现新土壤形成 的过程、土壤类型或亚类别以及它们形态和化学性质的交替。新的植物和动物群 落形成，植物发生改变，其产量骤降或剧增。在植物生长期内，接近地表层空气 的温度和湿度发生明显变化。 中等浸没亚带区，土壤在保持原状的同时亦有新的土壤形成过程，亦可能形 成新的土壤亚类，且其形态和化学性质发生显著变化。多数情况下植物保持着原 来的植物群落，但在植物类型组成发生变化时，植物产量发生显著变化( 降低或 提高) 。 在弱浸没亚带区可以观察到土壤微小变化( 形态和化学性质的变化) 及植物 的某些变化( 某些草地类型草增加，且植物产量将少量提高或降低) 。 浸没亚带分布相当复杂，这是由中、小地形造成的，因此呈现出块状浸没区。 强浸没地段与中等和弱的浸没地段相互交替出现( 特别是在浸没的滩地) 。这种 块状浸没区与带状浸没区相互掺杂，并有从岸缘向外伸展的亚带交替。 浸没发展在时间和空间的动力特征主要取决于自然环境的“移动因素”，即 取决于地下水位升高扩展的速度、水库水位状况、气候条件以及水库形成| j 自然 综合状态( 其中包括初始湿度状况) 等。在地下水位升高的情况下，不同的环境 单元发生变化几乎是同时的，但其演变速度是不一样的。 浸没形成时期的总延续时间通常相当于地下水位升高形成稳定平面时间或 稍延长一些。不同水文地质条件下的观察表明，地下水上升的发展分两个阶段： 达到临界水位前地下水位剧烈上升( 占水位上升的7 0 9 0 ) ；达到临界水位 后缓慢上升。第一阶段延续时间通常为5 1 0 年，而水位上升总延续期一般为 1 5 2 0 年。库水位处于正常蓄水位小波动范围情况下，土壤沼泽化迹象在第2 至第3 年便开始出现在植物生长期内，而草地植物的变化在水库运行第4 至第5 年就可以观察到。土壤植物覆盖层的最大变化速度是在库水位达到正常蓄水位后 工程硕士论文 的1 0 1 5 年内可以看到，即浸没可以看作为随着发展速度减慢而不断生长的过 程( 或多或少均匀地) 。对于库水位变化急剧且不均匀的水库，浸没过程在水库 蓄水后的1 5 2 0 年或更长一段时间发展是不均匀的，且发展速度逐步变缓。 第二节水库浸没的地质条件及影响因素 2 1 水库浸没的地质条件 水库浸没是在一定的地质条件下产生的，因此在判断或评价水库周边地区是 否产生浸没时必须要结合该地区的地质条件。相关的地质条件主要有地形地貌、 岩性及水文地质条件。 2 1 1 地形地貌条件 库区周边地区的地面高程和起伏变化是决定是否产生浸没及其范围的主要 因素。地面高程低于或略高于水库正常蓄水位的盆地型水库边缘与山前洪积扇直 接相接的地段、平原型水库的坝下游、顺河坝或围堤或引水渠道的外侧地段均易 产生浸没，地面越是宽阔地平，则浸没范围越大( 图2 - 1 ) 。若研究地段与库岸之 间有经常性水流沟谷，其水位相当于或高于水库正常蓄水位，则这种地段地下水 位不受水库水位抬升的影响，不会产生浸没。 芷常高水位不透承层! 篁，l n 一一一。 。 一毫一、 、 图2 - 1库岸地带浸没示意图图2 - 2 不透水层阻隔库水渗入 2 1 2 岩性条件 库岸带为透水岩层，易产生浸没。若库岸由相对不透水岩土体组成，或研究 地段与库岸之间有连续完整的相对不透水层阻隔，则不致产生浸没( 图2 2 ) 。 2 1 3 水文地质条件 蓄水前地下水埋藏较浅，地下水排泄不畅，蓄水后地下水壅高，地下水补给 量大于排泄量的库岸地段、封闭或半封闭的洼地、沼泽的边缘地带，易产生浸没。 若水库蓄水前研究地区的地下水在水库边岸的露头已经高于水库正常蓄水位( 图 2 3 ) ，或者是水库蓄水前研究区的地下水埋藏很深，地下水位与建筑物基底或植 作根系的距离远大于水库水位升高值( 图2 4 ) 则不会产生浸没。 6 一 ，、一 |_、o 锡彩j ， 工程硕士论文 泉 正常高水位 一 一一一一_ 图2 3 地下水露头高于正常蓄水位图2 4 地下水埋深较大地区 2 2 水库浸没的影响因素 浸没是在多因素综合作用下形成的，近岸地段尤为明显，这里包气带土壤的 颗粒成分有助于浸没的发生。因此，这些综合因素可作为潜水位上升浸没的“中 间环节”，通过这个“中间环节”使水文地质过程变成更为复杂的物理地理过程。 地形对浸没影响是通过沿岸地带的形态( 库岸的高度和坡度、坡面形状和微 地形等) 表现出来。地形能够使浸没过程产生或消失，并决定浸没分布的范围， 影响浸没区的外形，以及近岸区的原始湿度。河滩阶地上低而缓的坡地、坡度小 于o 0 2 的原始库岸、平均高度小于1 0 m 的河滩地和平坦的沿岸地带，以及靠近 阶地的低洼地均易遭受浸没。水库上游区发生浸没首先是河流的河滩地，其次是 河滩地中部较低的阶地。水库下游受浸没的地区为河滩阶地和部分原始库岸。高 而陡的岸坡通常不受浸没影响。 土壤粒度成分决定着土的水理性质和一定程度上土壤水的状态，决定着浸没 发育的动态及扩展浸没过程的垂直和水平边界。在砂性土和砂壤土中高。不同土 壤潜水位的“临界深度”( 该深度是指开始导致自然综合体发生的深度) 是不同 的，一般平均为0 6 1 5 m 在这种深度情况下，浸没边界的上部状况发生变化。 观察资料表明，在正常蓄水位以上的浸没标高，砂土和砂壤土为1 o l _ 8 m ，壤 土( 粉质粘土) 在沿岸地带达到1 2 3 0 。 植物生长期内水库的水位状况从根本上影响浸没的形成。库水位在很大程度 上决定地下水动态和土壤湿度( 特别是靠近水库边缘地带) ，以及浸没过程的活 动性和动力特征。在库水位波动不大时，即稳定水位接近正常蓄水位，会使潜水 位上升稳定在某一位置上，这将发生强烈的潜育作用使土壤沼泽化。比如：伊万 科夫水库和舍克斯宁水库，在水位交替变化的水库中( 无论在个别年份，还是在 植物生长期) 浸没形成的条件也是变化的。 气候和相应的气候条件决定着库水位状况、地下水动态和土壤湿度，也就是 通过降水与蒸发的比例关系及个别年份空气含水量和温度的波动影响浸没过程， 在森林地带，过量和充足的湿度促使沼泽化过程加剧。在草原、半沙漠和沙漠地 带，大气水十分缺乏，潜水位上升促使溢出水的形成和水库沿岸土壤的盐渍化。 在人类活动的因素中，浸没土地区的牧业开发对浸没的发展有一定的影响。 牧畜的放牧促使上层土壤坚实，并伴随着植物根部系统的破坏和草丘的形成，结 果使草地草层组分破坏，珍贵的牧草类型因此而退化，沼泽化加剧。浸没形成的 过程可见图2 5 。 塞 憨 工程硕士论文 图2 5 库岸浸没过程形成结构示意图 第三节相关水文地质参数的确定 在研究与分析水库浸没的过程中，主要涉及到的水文地质参数有渗透系数 ( k ) 、起始水力坡降( i 。) 和毛细上升高度( h 。) 。 3 1 渗透系数 渗透系数k 值是表示土或岩石渗透性的指标，是描述含水层特征的水文地 质参数。它不仅取决于土或岩石的性质，如粒度、成分、颗粒排列、充填状况、 裂隙性质及其发育程度等，而且与渗透液体的物理性质( 容重、粘滞性等) 有关。 理论分析表明，空隙大小对k 值起主要作用，这就在理论上说明了为什么颗粒 愈粗，透水性愈好。 地基的渗透系数一般是通过试验测得的。包括现场渗透试验和室内渗透试验。 3 1 1 现场渗透试验 现场渗透试验主要是用于粗颗粒土的试验。细颗粒土混入增多，渗透系数 小- y i o “c m s 时，测定精度随之降低。 一般的试验法如下表2 - 1 所示。 一8 一 工程硕士论文 表2 - 1现场渗透试验 名称地下水状态土质状态摘要 钻孔法无压水砂性土。在无套管时孔壁自立试验深度，地下水位都 套管法( 1 ) 无压水砂性土，在无套管时孔壁崩坏比较浅时 套管法( 2 )承压水砂性土，存在明显的不透水层 ( 一管式) 在地下水位比较深时 套管法( 3 )承压水砂性土，不存在明显的不透水层 ( 双管式) 注水法无地下水砂性土在试验深度以上无地f 水时 竖坑法( 1 )无地下水砂性士在地表面无地下水 ( 坑槽法) 竖坑法( 2 )无地下水砂性土在地表面地下水位浅时 现场渗透试验概念图如图2 - 6 所示。 3 1 2 室内渗透试验 试验方法有定水位渗透试验和变水位渗透试验两种。定水位渗透试验是在具 有一定的直径和尺度的试料中，根据一定的水位差，在一定时间内测定渗出的水 量。适用于渗透系数较大的材料试验。 变水位渗透试验是在具有一定的直径和长度的试料中，测定由于渗透产生的 水位下降和时间的关系。适用于渗透系数较小的材料试验。 近年来研究证实，渗透系数值和试验范围( 如抽水试验的影响范围) 有关， 随着它的增大而增大。这种现象称为尺度效麻。闵而渗透系数是尺度x 的函数， k = k ( x ) 。这就不难解释用长时间大降深群孔抽水试验求得的渗透系数值较用短 时间小降深抽水试验求得的渗透系数值大的原因了。抽水试验持续时间长，影响 范围越大，因而在一定范围内，渗透系数值会随着抽水持续时间的增长而增大。 工程硕士论文 回复法 钻孔法 ? = 一厂一乏1 。 y 、 i 。【 不倒塌的砂性土 套管法( 2 ) ( 一管式) 套管 试验层 注水法 难以倒塌的砂性土 。一 明确的不 透水层 。，一套管或填充物 广7 7 7 i 厂7 7 7 不明确的 l 丛“不透水层 竖坑法( 2 ) 地表面 套管法( 1 ) 套管 乃芦1 寥 套管法( 3 ) ( 双管式)套管 易倒塌的砂性土 竖坑法( 1 ) ( 探槽法) 的砂性土 不明确的 不透水层 图2 - 6现场渗透试验概念图 工程硕士论文 3 2 起始水力坡降 在工程中推求起始水力坡降一般都是用试坑法。在试坑开挖过程中，上部粘 性土层一定深度可见到一个初见水位，揭穿粘性土层进入下部含水砂层后，则稳 定后的水位高于上述初见水位。这一过程可用图2 7 来表示( 图中所示为同一勘 探井开挖至不同深度a 、b 、c 、d 时的水位情况，其中，a 即为井深a 处时初见 水位，d 即为进入含水砂层后的稳定水位) 。根据结合水动力学( 张忠胤著) ， 它们存在 7 勺d 2! 艇。j j _ ， 王 r f ? 。3 e 。弋。毖 、。， 图2 7 粘性土中的含水带( 水位随竖井深度增加而抬升) 如下关系式： r ：旦 ，o + 1 式中：t 初见水位距下伏含水层顶板距离； h o 由下伏含水层顶板起算的下伏含水层测压水位高 度； i o 起始水力坡降。 从上式中可知，当i o 0 时，t 0 h ( x 川y l 且= y ( x ，r ) f 0 t 0 在q 内 在s ，上 在只上 k 掣。( ) + k ，掣。0 ，y ) ：一g g 棋o f o 幽a v 在s 2 上 式中：h ( x ，y ) 水头函数 ( 6 ) k ，k 。分别为x ，y 渗透主方向的渗透系数，坐标轴方向与渗透主方 向一致： q 为渗流区域； r 为单位时间、单位面积上垂直方向的水交换量， l t 。】 这里不考虑垂直方向水交换量r = o ； s 为贮水系数，无量纲 这里不考虑含水层弹性释水量s = o ； 工程硕士论文 s 为已知水头值的边界曲线 s ：为给定流量边界曲线； 曼为浸润线； s 。为逸出段； g 一一为边界上的单宽流量，这里g = 0 表示为无流量交换边界； 一为边界的外法线方向。 对于各向同性的介质即以：k 。：k ，公式( 6 ) 可简化为掣：0 。对于所研究 的非稳定渗流场，根据变分原理，上述定解问题的求解等价于求下列泛函的极值问 题，即 巾州= 圭嘶卧嗍2 + 舻等c o s 跳+ 舻融刊n 是 一 s 2 h ( x ，y ，f ) = ，( x ，y ，)在s 。上 根据以上原理建立的二维渗流有限元计算程序2 d f l o w ，可自动生成有限元 分析网格并进行分析计算，然后从其后处理器得出流速图、等水位线图、色谱图、 数值表等易于理解的直观结果。 第三节三维渗流模型建立及3 d f l o w 程序 尽管二维渗流有限元目前已较成熟，但由于二维模型不能充分反映复杂多变 的三维渗流域也没有考虑到三个方向渗流因素同时作用的影响，因而它不可能体 现真正的三维渗流场。为了得到更加符合实际的浸润面，从而设计出更合理的排 渗设施及其尺寸。有必要深入研究浸没区域内渗流的三维分布。 3 1 渗流场控制方程和边界条件 三维饱和不饱和区域内的渗流控制方程为： 喇= 毒毒矧叫舶】秘= 。 ( i j = 1 ，2 ，3 ) 工程硕士论文 初始条件为 ， ，vn 、一， r y - 、 边界条件为 】) 压力水头己知 妒，f ) = 吼k ， ：、流量已知群心詈叫一 这里，伊：压力水头； k ：饱和状态下渗透系数； k 一依赖于饱和度的渗透系数的函数( 0 k ，蔓1 ) ； c ( p ) ：比水分容量； 卢：= 2 ( 饱和区域内) ，= o ( 不饱和区域内) ； s 。：比贮留系数； s ：吸水流量，涌水流量； ：达西流速； ，：基准坐标； t ：时间。 此外，压力水头妒被认为在自由水面上缈= o ，在不饱和区域内妒 0 。 3 2 渗出面的处理 在渗出面处，压力水头妒= o ，考虑随着渗透的进行水位上升，在某一时刻， 渗出面开始出现，通过重复计算，渗出面上水头将要发生变化时，作妒= o 的修 正，并继续重复计算，就可以处理渗出面的问题了。 根据以上原理建立的三维渗流有限元计算程序3 d f i o 使用有2 1 个节点 的等参单元，根据泛函与变分原理，通过坐标变换可推导各单元的值。该程序为 软脑软件( 北京) 有限公司所开发的，其特点是：可计算各种复杂地基的稳定 非稳定、饱和月e 饱和、地表降水、变动水头问题的渗流分析。计算可得到计算 工程硕士论文 范围内各点的水头，流量，流向及水头等值线图，渲染图，流速图等。 第四节多层强透水地基渗流分析及其计算程序 堤防透水地基渗流场一般属三维问题，其主要特性为：f 1 ) 河流阶地强透水层 范围大：( 2 ) 土层强、弱透水层分层界限明显：( 3 ) 由沉积条件及沉积时问不同导 致明显的地质分区；f 4 1 地形复杂，滩、沟、塘、井对渗流场影响极大。用常规 二维( 剖面) 分析方法难以满足要求，用三维有限元计算，在范围大、地形复杂、 减压井多的情况下计算仍有一定难度。因此有必要进行多层透水地基渗流分析计 算方法的研究。 4 1 水平二向有限元计算基本原理 4 1 1 基本方程 根据堤防透水地基特性，强透水层中垂向渗流比水平渗流小得多，弱透水层 中主要为层间越流补给，水平渗流也很小。采用水平二向渗流计算，忽略次要因 素，即可用_ 维方法解决三维问题。 对于上覆有弱透水层的单层强透水层，按有越流补给的问题，其支配方程为 去c 灯芸，+ 导c 七r 考，+ 等c m + w ：s 丝( 1 ) 魂 式中：k ，t 分别为强透水层的渗透系数和厚度：h 为水头值；国为入渗强度；k ， 丁分别为弱透水层渗透系数和厚度；s 为贮存系数；h o 为弱透水层上表面的水头。 多层介质情况如图( 3 - 2 ) 所示。忽略降雨入渗及非稳定渗流项，但考虑到越