李茂秋

(水利部長江勘測技術(shù)研究所,湖北武漢 430010)

電模擬與實例簡介

李茂秋

(水利部長江勘測技術(shù)研究所,湖北武漢 430010)

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬法具有直觀、物理量明確、容易發(fā)現(xiàn)差錯的特點,易為水文地質(zhì)人員理解和掌握,它可以模擬各種復(fù)雜邊界條件下的三維地下滲流場。通過諸多具有代表性的實例介紹,表明電阻網(wǎng)絡(luò)模擬法在水文地質(zhì)研究中是一種行之有效的方法。

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬法;三維地下滲流場;水文地質(zhì)

0 引言

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬法具有直觀、物理量明確、容易發(fā)現(xiàn)差錯的特點,易為水文地質(zhì)人員理解和掌握,它可以模擬各種復(fù)雜邊界條件下的三維地下滲流場,對了解建庫前后和礦井排水情況下滲流場的變化趨勢、含水層中流勢的分布、富水部位、地下水分水嶺的位置、各含水層之間的越流補給以及補給區(qū)和排泄區(qū)的情況,是一種簡便而又適用的方法。

多年來本所利用電阻模擬法研究高壩巖基滲流、水庫滲漏和巖溶水的補給、逕流和排淺條件都獲得顯著成效,給防滲排水設(shè)計提供可信的依據(jù)。

本文通過諸多實例的介紹,表明電阻模擬法在水文地質(zhì)研究中是一種值得推廣的方法,它是對已有資料系統(tǒng)消化和提高的一種有力手段,并具有解各種水文地質(zhì)難題的能力,是常規(guī)地質(zhì)方法的一種必要的補充。

1 實例簡介

地下水在含水地質(zhì)體中的滲流和電流在導(dǎo)體中的流動所遵循的基本定律(即達(dá)西定律和歐姆定律)是相似的。因此就可以用電阻網(wǎng)絡(luò)模型來比擬含水地質(zhì)體,用電位、電流強度、電阻等電學(xué)量來比擬地下水的水位、流量、滲透性等物理量,從而實現(xiàn)對地下水滲流場的模擬。

1.1 向斜盆地區(qū)域動力水流模型

向斜盆地是常見的水文地質(zhì)單元,了解其中水流的分布狀況和運動性質(zhì)對評估地下水的形成條件是非常重要的,模型有四個目的:①建立向斜盆地的水流型式;②提出越流補給是深部含水層的重要補給來源;③從水動力觀點證實深部混合溶融的機理;④討論補給區(qū)和排泄區(qū)占孔水位的性質(zhì)及其意義。

該成果發(fā)表在《中國巖溶》1985年第3期上。

1.2 深部喀斯特形成條件的電模擬研究

此研究有幾個目的:①介紹區(qū)域動力模型在研究喀斯特中的作用;②用電阻網(wǎng)絡(luò)模型模擬交叉水流的偏流效應(yīng),從而給深部混合溶融作用的發(fā)生提供分析實例;③給深部喀斯特分類的原則提供依據(jù),模型以清江隔河岸水利樞紐庫區(qū)的河間地塊為原型。

該成果發(fā)表在由科學(xué)出版社出版、中國地理學(xué)會編輯的《喀斯特地貌和洞穴》論文集上。

1.3 江埡向斜盆地滲流模型

江埡向斜盆地位于湘西慈利縣,擬在向斜翼溇水上建一高壩。該項試驗主要研究盆中流勢的分布、壩下承壓熱水的形成條件以及建壩以后滲流場的變化趨勢。

通過試驗,模型再現(xiàn)了盆地中承壓熱水層中地下水的補給、運移和出溢情況,對盆地中三個主要含水層之間發(fā)生的的垂直越流補給(指通過相對隔水層的垂直水流)得到了定量的數(shù)據(jù),預(yù)測了建庫后承壓熱水的高程,給評價江埡水利樞紐三個主要工程地質(zhì)問題提供了科學(xué)依據(jù),該成果發(fā)表在《人民長江》雜志1986年第9期上。

水庫建成后,現(xiàn)測的數(shù)據(jù)與試驗預(yù)測的承壓熱水高程完全相似。

1.4 夙灘水電站壩基滲流模型

夙灘水電站位于沅水最大支流酉水的下游,是一座空腹重力拱壩,壩址巖石由前震旦紀(jì)板溪群砂巖夾少量板巖組成,巖層中含有眾多的破碎泥化夾層和斷層破碎帶,建成以來,河床帷幕后排水孔涌水量較大,幕底水壓力甚高,該項試驗主要研究以下三個問題:①排水孔內(nèi)水的來源;②壩基內(nèi)揚壓力分布情況;③評估透水夾層的滲透穩(wěn)定。

1.5 太原東山水源地三維電阻網(wǎng)絡(luò)模型

太原東山水源地位于黃河水系和海河水系的分水嶺地區(qū),含水層為中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖組,裸露面積750 km2。模型模擬的范圍達(dá)7 000 km2,涉及到西山向斜、太原盆地、東山單斜等構(gòu)造單元和上下三個含水層,為三維立體模型。主要解決如下四個問題:①再現(xiàn)東山巖溶水的補給邊界,運移途徑和排泄走向;②闡明東山巖溶水與娘子關(guān)、蘭村、黃場峪等巖溶泉的補給關(guān)系;③闡明東山巖溶水與盆地孔隙水的關(guān)系;④對東山巖溶水資源進(jìn)行評價。

該成果對研究深埋的巖溶水被認(rèn)為是一項成功的先例,曾獲水利部三等獎,該文曾參加1988年10月桂林國際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會第21屆大會交流。

1.6 清江高壩州水利樞紐區(qū)域滲流模型(水庫滲漏問題新解法)

水庫滲漏是高壩州水利樞紐的主要工程地質(zhì)問題,本項試驗發(fā)展和擴大了電模擬法的應(yīng)用范圍,模擬建庫前的滲流場可求出兩岸地下水分水嶺的位置和高程;模擬建庫后的滲流場可以預(yù)測分水嶺的變化情況。試驗成果對勘測兩岸地下水分水嶺提供了可靠的依據(jù),對解決水庫滲漏問題是一種新的方法。

該成果發(fā)表在《中國巖溶》1993年第2期上。

1.7 黃河萬家寨水利樞紐庫區(qū)巖溶滲漏模擬試驗

黃河萬家寨水利樞紐位于黃河干流,右岸巖溶滲漏問題是該工程的重要工程地質(zhì)問題,該項試驗的主要任務(wù)是研究建庫前、后滲流場的變化情況,依據(jù)已有水文地質(zhì)資料對尚未確認(rèn)的界(如岸邊巖體的透水性、大氣降雨的入滲量等)進(jìn)行反演,求解不同水位下的滲漏量和排泄去向,按此試驗任務(wù)進(jìn)行下列試驗:①模擬萬家寨庫區(qū)右岸建庫前的自然滲流場;②模擬建庫后的滲流場。

該試驗理清了多年的老大難庫區(qū)巖溶滲漏問題。

1.8 三峽工程高邊坡滲流場的電模擬研究

本項試驗以大量工程地質(zhì)勘測成果和現(xiàn)場專門水力試驗為基礎(chǔ),利用三維電阻網(wǎng)絡(luò)模型模擬各種條件下(自然、開挖后和運行期)陡高邊坡的滲壓分布情況,確定高邊坡在不同條件下的滲透壓力;為高邊坡穩(wěn)定計標(biāo)提供依據(jù);優(yōu)化排水設(shè)計。

1.9 南椏河冶勒電站大型電模擬試驗

冶勒水庫為大渡河支流南椏河梯級開發(fā)的龍頭水庫,庫首所在為新生代斷陷盆地,第四紀(jì)堆積厚度巨大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,從而導(dǎo)致水文地質(zhì)疑難諸多,其復(fù)雜程度被號稱為世界少有、國內(nèi)第一,水庫及壩址的滲漏問題是該工程的制約因素。

本次試驗的主要任務(wù)是模擬庫首及庫區(qū)建庫前后滲流場的變化情況,依據(jù)已有的水文地質(zhì)資料利用三維電阻網(wǎng)絡(luò)模型對尚未明確的內(nèi)邊界(如深部承壓含水層上下游的連通情況、隔水層是否完整)進(jìn)行反演和比較,求解不同邊界條件下的滲流量和評價滲透穩(wěn)定,以便確定最優(yōu)的滲控措施,按照試驗任務(wù)需要回答的問題,進(jìn)行了四種情況下的16種方案試驗。

本項試驗大大減少了在高寒地區(qū)的勘探工作量,提前進(jìn)入初步設(shè)計。該成果被收集到《1989～1991年中國水力發(fā)電年鑒》上。

1.10 岷江太平驛電站區(qū)域和閘基滲流模型

太平驛電站位于岷江上游峽谷區(qū),谷底有厚達(dá)80余米的漂卵石塊碎石夾礫石及砂層,該層底部為塊石架空層,透水性極強,地下水低于河水位20～30 m,在漫灘開挖的基坑和豎井低于河水位3～16 m未見地下水,為典型山區(qū)上游河谷特征。

上述獨特的水文地質(zhì)條件對建庫后可能出現(xiàn)的滲漏和滲透穩(wěn)定以及防滲墻的深度問題一直存有爭論。

本項試驗通過區(qū)域滲透模型和閘基滲流模型的正演和反演,闡明了岷江獨特水文地質(zhì)條件的形成原因和建庫后的演變趨勢,修改了初步設(shè)計報告中采用全斷面防滲墻的防滲方案。試驗成果對簡化防滲工程和大量降低防滲工程造價、縮短建設(shè)工期提供了科學(xué)依據(jù),具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益,受到評判專家的一致好評。

1.11 湖南漣源縣大橋鄉(xiāng)環(huán)境惡化原因的分析和論證

本項試驗的主要任務(wù)是對湖南漣源肖家村一帶出現(xiàn)的井水干涸、地面塌陷、房屋開裂等現(xiàn)象與橋二井疏干地下水有無關(guān)系進(jìn)行模擬試驗。

該成果證實了橋二井與肖家村一帶之間的兩個隔水層原本具有隔水的性能,但在橋二井長期疏干的作用下,相鄰兩個含水層之間的水頭差達(dá)到300 m、水頭梯度>7、隔水層中的小斷層產(chǎn)生滲透破壞失去隔水作用,肖家村一帶的地下水居高臨下全部排向橋二井,地下水位大幅下降致使井泉干涸、房屋開裂、地面塌陷。

該成果證實產(chǎn)生環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害是由于橋二井疏干所致,而不是其它原因,給一起長期爭論的工農(nóng)糾紛提供了解決的依據(jù),迫使橋二井不得不關(guān)閉。

1.12 紅水河惡灘水電站巖溶滲漏及其滲控措施的研究

惡灘水電站位于紅水河中游,壩址位于巖溶地區(qū),壩基和繞壩滲漏是該壩址的主要工程地質(zhì)問題。

本課題利用電阻網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù),通過對壩址區(qū)滲流模型的建立及一系列的正演和反演,主要研究如下問題:①模擬建庫前的滲流場,提交建庫前壩址區(qū)地下水等水位線平面圖;②模擬建庫后的滲流場,提交建庫后壩址區(qū)地下水等水位線平面圖和剖面圖;③優(yōu)化防滲方案,對各種防滲方案綜合比較,提供合理帷幕深度。

1.13 烏江構(gòu)皮灘水利樞紐壩基滲流模型及其滲控措施的研究

構(gòu)皮灘水利樞紐是烏江干流的重要梯級,壩址位于巖溶區(qū),壩基滲壓力分狀況及防滲方案的確定,是該壩址的主要工程地質(zhì)問題。

本課題利用電阻網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù),通過壩基滲流模型的建立以及一系列的模擬和計標(biāo),主要研究下列問題:①模擬無滲控措施下的壩基滲流場;②不同帷幕深度下壩基滲壓力的分布狀況以及壩基滲漏量;③設(shè)置排水孔后不同帷幕深度下壩基滲壓力的分布狀況以及壩基滲漏量;④提出合理的和有效的防滲帷幕深度和排水方案。

1.14 百色水利樞紐滲流模型

百色水利樞紐位于右江上游,壩址地質(zhì)條件比較復(fù)雜,本課題通過對壩基和左壩肩滲流模型的建立以及一系列的模擬和演算,主要研究如下問題:①模擬右岸洞室開挖后的滲流場,給出平面等水位置和剖面等勢線圖,求出地下洞室的滲流量;②不同滲控措施下壩基及地下洞室滲壓的分布狀況以及滲流量;③提出優(yōu)化壩基和地洞室的防滲和排水方案;給出平面等水位線圖和三個剖面的等勢線圖;求出壩基及地下洞室的滲流量。

本成果刊登在1996年《紅水河》雜志上。

1.15 瀾滄江小灣水電站滲流模型

小灣水電站位于瀾滄江中游河段結(jié)晶巖區(qū),區(qū)內(nèi)地形強烈切割,山高谷深,地下水流非常豐富,右岸地下廠房深埋于地下400～500 m。

本課題第一次試驗通過對壩址區(qū)滲流場的建立以及一系列的正演和反演,主要研究壩區(qū)巖體滲流特征。

第二次試驗在上述試驗成果的基礎(chǔ)上主要研究右岸巨型地下洞室開挖前后滲流場的變化趨勢和優(yōu)化地下洞室的排水方案。

試驗成果由排水廓道和排水幕組成的排水罩是疏干洞室周圍的地下水和消除水壓力的有效手段。

1.16 清江水布埡利樞紐版峽壩址河間地塊滲流模型

壩址位于清江中游巖溶區(qū),與相鄰河谷的巖溶滲漏是該壩址的主要工程地質(zhì)問題,本項試驗主要研究如下問題:①模擬建庫前河間地塊的自然滲流場;②模擬建庫后河間地塊的滲流場;③對各種防滲方案進(jìn)行比較,提供合理的防滲線路和深度。

1.17 安徽省瑯琊山抽水蓄能電站滲流模型

抽水蓄能電站位于滁州瑯琊山腹地,巖溶滲漏是該水庫的主要工程地質(zhì)問題,本課題利用三向電阻網(wǎng)絡(luò)模型主要研究如下問題:①模擬上庫建庫前自然滲流場,建立與原型幾何形態(tài)和邊界條件相似的水文地質(zhì)模型,反求巖體的滲透系數(shù),提出建庫前的自然滲流場;②模擬地下洞室開挖后滲流場的變化趨勢,求解地下洞室的滲流量;③優(yōu)化副壩壩基和庫周的防滲方案與洞室的排水方案。

1.18 江埡水利樞紐壩基滲流模型

本試驗是在1984年區(qū)域滲流模型試驗成果的基礎(chǔ)上,主要研究下述三方面的問題:

①無帷幕時壩基滲壓力的分布情況;②不同的防滲方案下壩基滲壓力的分布狀況;③承壓熱水與上部巖層串通后對壩基滲壓力的影響。

(責(zé)任編輯:胡立智)

A Brief Introduction to the Resistance Network Analogy

LIMaoqiu
(Changjiang Research Institute of Geotechnique&Survey,Wuhan,Hubei430010)

Resistance ne twork analogy possesses the features of intuition,clear physical quantity,and the mistake can be spotted easily,so it can be understood and mastered easily by the hydrogeological personnel.It can simulate 3D seepage field of underground with various boundary conditions.Based on the case demonstration,it is showed that resistance network analogy is highly effective for hydrogeology research.

resistance ne twork analogy;3D seepage field of underground;hydrogeology

TV222.2

A

1671-1211(2010)05-0559-03

2010-07-10;改回日期:2010-09-03

李茂秋(1932-),男,教授級高級工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)方面的工作。