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        潛水的非穩(wěn)定運(yùn)動理論在水庫滲漏量計(jì)算中的應(yīng)用

        2016-07-29 09:31:56郭印亮
        海河水利 2016年1期

        郭印亮

        (河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,天津 300250)

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        潛水的非穩(wěn)定運(yùn)動理論在水庫滲漏量計(jì)算中的應(yīng)用

        郭印亮

        (河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,天津300250)

        摘 要:新建一個(gè)水庫工程前,一般都要對水庫的壩址、庫容、滲漏、浸沒、庫岸穩(wěn)定等問題進(jìn)行研究、分析,并給出評價(jià)結(jié)論。其中,水庫滲漏、浸沒問題影響到水庫的效益、周圍的生態(tài)環(huán)境及建筑物安全。詳細(xì)介紹了地下水動力學(xué)原理在水庫浸沒范圍預(yù)測及滲漏量估算中的應(yīng)用。

        關(guān)鍵詞:地下水動力學(xué);水庫;浸沒;滲漏量

        1 水庫滲漏及浸沒的概念

        水庫滲漏包括暫時(shí)性滲漏與永久性滲漏。暫時(shí)性滲漏是指水庫蓄水初期為了飽和庫水位以下巖土體的孔隙、裂隙和空洞而出現(xiàn)的庫水損失,這部分滲漏損失是所有水庫都有的暫時(shí)現(xiàn)象,不影響水庫永久性蓄水和正常運(yùn)行,一般不作專門研究。永久性滲漏是指庫水沿著透水的巖土體或構(gòu)造流向庫外的鄰谷、洼地或壩下游區(qū)域而形成的滲漏現(xiàn)象,這種滲漏是長期的,直接影響水庫的蓄水效益。一定時(shí)間段內(nèi)的滲漏量與滲透途徑的巖土體的透水性、滲徑長短及水頭大小有關(guān),永久性滲漏是水庫滲漏問題研究的重點(diǎn)。

        水庫浸沒是指水庫蓄水后水庫周圍地下水位抬高,導(dǎo)致地面鹽漬化、沼澤化、建筑物地基條件惡化等現(xiàn)象。在丘陵地區(qū)、山前洪積扇及平原區(qū)修建水庫,由于水庫周圍地勢低緩,巖土體具有一定的透水性,很容易發(fā)生浸沒現(xiàn)象,且范圍很大。水庫浸沒問題有時(shí)會影響到蓄水位及壩址的選擇。

        2 水庫滲漏量的計(jì)算

        2.1假定條件

        (1)含水層為均質(zhì)各向同性且無限延伸,位于水平隔水層以上。

        (2)水庫蓄水前的地下水潛水位近水平,水力坡度為零。

        (3)水庫連續(xù)快速蓄水至正常蓄水位,上升幅度為Δh0,t,且上升后蓄水位保持不變,可按式(1)計(jì)算。

        式中∶h0,t為自起始時(shí)刻水位抬升至t時(shí)刻到達(dá)的水位(m);h0,0為起始時(shí)刻對應(yīng)的水位(m)。

        (4)計(jì)算壩基滲漏量時(shí),庫水在壩基巖土體的滲漏看作一維流。

        (5)蓄水位變幅不大于0.1~0.2倍的潛水流厚度。

        (6)正常蓄水位與岸邊或壩體相交處對應(yīng)的滲漏計(jì)算斷面為起始斷面0,沿滲流方向距起始斷面0的距離為x的斷面為滲漏計(jì)算斷面x,t時(shí)刻斷面x的水位為u(x,t)。

        2.2計(jì)算公式

        u(x,t)計(jì)算公式為:

        式中:u(x,t)為距起始滲漏斷面0距離為x、時(shí)間為t時(shí)的斷面x水位(m);F(λ)為與x、t及壓力傳導(dǎo)系數(shù)a有關(guān)的系數(shù),查表確定;a為壓力傳導(dǎo)系數(shù)(m2/d),a=k×hm/μ;μ為潛水含水層的給水度;hm為潛水流平均厚度(m);k為巖土體滲透系數(shù)(m/d)。

        根據(jù)達(dá)西定律,滲透流速v=kI,經(jīng)推導(dǎo)可得到:

        式中:v為任意時(shí)刻t(d)、至起始斷面0距離為x(m)處的滲透流速(m/d);k為滲透系數(shù)(m/d);I為水力比降,即沿水流方向單位長度上的水頭差(m);u(x,t)為距起始滲漏斷面0距離為x、時(shí)間為t時(shí)的斷面x水位(m);Δh0,t為t=0時(shí)刻水庫水位連續(xù)快速上升至正常蓄水位時(shí)的上升幅度(m);a為壓力傳導(dǎo)系數(shù)(m2/d),a=k×hm/μ;μ為潛水含水層的給水度;hm為潛水流平均厚度(m)。

        根據(jù)式(3),可得單寬流量的計(jì)算公式:

        式中:q1為單寬流量(m3/d);hm為潛水流平均厚度(m);v為任意時(shí)刻t(d)、至起始斷面0距離為x(m)處的滲透流速(m/d);k為滲透系數(shù)(m/d);Δh0,t為t=0時(shí)刻水庫水位連續(xù)快速上升至正常蓄水位時(shí)的上升幅度(m);a為壓力傳導(dǎo)系數(shù)(m2/d),a=k×hm/μ;μ為潛水含水層的給水度。

        由式(4)可知:

        (2)同一斷面單寬流量隨時(shí)間的增大而逐漸減小。

        (3)水庫蓄水后時(shí)間t內(nèi)起始斷面0處的單寬滲漏量Vt可按式(5)計(jì)算。

        式中:Vt為水庫蓄水后時(shí)間t(d)內(nèi)起始斷面0處的單寬滲漏量(m3);hm為潛水流平均厚度(m);k為滲透系數(shù)(m/d);Δh0,t為t=0時(shí)刻水庫水位連續(xù)快速上升至正常蓄水位時(shí)的上升幅度(m);a為壓力傳導(dǎo)系數(shù)(m2/d),a=k×hm/μ;μ為潛水含水層的給水度。

        3 水庫浸沒范圍的預(yù)測

        水庫蓄水后將引起水庫周圍潛水位升高,當(dāng)潛水位升高達(dá)到地下水埋深臨界值Hcr時(shí)將形成庫區(qū)周圍的浸沒現(xiàn)象。地下水埋深臨界值Hcr可按式(6)計(jì)算。

        式中:Hk為土的毛細(xì)管上升高度(m);ΔH為安全超高值(m)。

        hx,t的計(jì)算公式為:

        式中:hx,t為某一時(shí)刻t(d)不同斷面x(m)處的潛水位(m);h0,0為潛水位(m);Δh0,t為t=0時(shí)刻水庫水位連續(xù)快速上升至正常蓄水位時(shí)的上升幅度(m);F(λ)為與x、t及壓力傳導(dǎo)系數(shù)a有關(guān)的系數(shù),查表確定;a為壓力傳導(dǎo)系數(shù)(m2/d),a=k×hm/μ;μ為潛水含水層的給水度;hm為潛水流平均厚度(m);k為巖土體滲透系數(shù)(m/d)。

        式(7)中,潛水位h0,0、庫水位的上升幅度Δh0,t是確定的,根據(jù)式(6)可以確定斷面x處發(fā)生浸沒時(shí)地下水埋深臨界值對應(yīng)的hx,t值,根據(jù)式(7)可求出F(λ)值,根據(jù) F(λ)值查表取得 λ值。根據(jù)λ=及至初始斷面0的距離x,可以計(jì)算達(dá)到浸沒狀態(tài)的時(shí)間t。實(shí)例,見表1。

        表1 計(jì)算x=100 m處發(fā)生浸沒時(shí)所需時(shí)間

        利用式(7),可以計(jì)算出某一時(shí)刻t不同斷面x處的潛水位hx,t,將其連成一條光滑的曲線,即為該時(shí)刻的浸潤曲線。當(dāng)潛水位高于或等于地下水埋深臨界值時(shí)即發(fā)生浸沒。實(shí)例,見表2。

        表2 判定t=365 d時(shí)x=80 m處是否發(fā)生浸沒

        4 結(jié)論

        (1)本文利用潛水的非穩(wěn)定運(yùn)動理論,提供了滲流出逸點(diǎn)未知時(shí)的一種滲漏量計(jì)算方法。這種計(jì)算方法對坑塘蓄水及溝渠灌溉工程潛水流含水層比較均勻時(shí)引起的滲漏量計(jì)算及浸沒范圍預(yù)測較為準(zhǔn)確。

        (2)對于水庫滲漏及浸沒問題,當(dāng)含水層比較均勻且厚度為蓄水位變幅的5~10倍時(shí),可對水庫滲漏量進(jìn)行估算及預(yù)測水庫浸沒范圍。

        參考文獻(xiàn)

        [1]薛禹群.地下水動力學(xué)原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1986.

        中圖分類號:TV697.2+1

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        文章編號:1004-7328(2016)01-0044-02

        DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.016

        收稿日期:2015—10—10

        作者簡介:郭印亮(1969—),男,高級工程師,主要從事巖土工程勘察工作。

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