張啟兵（安徽省水利水電勘測設計院勘測分院，安徽　蚌埠　233000）

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淺淡水庫庫岸地下水位壅高值的非穩(wěn)定流計算方法

張啟兵（安徽省水利水電勘測設計院勘測分院，安徽蚌埠233000）

水庫浸沒評價是水庫設計的一項重要內容。浸沒評價主要是通過比較水庫蓄水后的地下水回水深度與當?shù)亟]地下水埋深臨界值的大小來確定是否存在浸沒問題。水庫庫岸地下水位壅高值是水庫浸沒評價的重要參數(shù)，其計算方法有多種，其中解析法分為穩(wěn)定流計算方法和非穩(wěn)定流計算方法。本文主要結合某水庫的浸沒評價實例采用非穩(wěn)定流計算方法來計算庫岸地下水位的壅高值，從而得出地下水回水深度。

水庫；浸沒；地下水位壅高；解析法；非穩(wěn)定流

1　前言

某水庫工程位于江淮分水嶺北部，其建設的主要任務是供水和灌溉，兼顧防洪等綜合利用。水庫總庫容為1.30億m3，水庫正常蓄水位43.0m，常水位42.5m。工程規(guī)模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物等級為2級。洪水標準為100年一遇設計，2000年一遇校核，設計、校核洪水位分別為44.42m 和45.50m。該水庫為典型的平原水庫，庫區(qū)地層主要為粉質黏土，庫周地地勢較為低緩，易產(chǎn)生浸沒問題，需進行浸沒評價，判定水庫蓄水后是否會產(chǎn)生浸沒問題，并確定浸沒范圍和程度。

水庫浸沒評價主要是通過比較水庫蓄水后的地下水回水水位深度與當?shù)亟]地下水埋深臨界值的大小來確定是否存在浸沒問題。如果水庫蓄水后的地下水回水深度小于當?shù)亟]地下水埋深臨界值，就會發(fā)生浸沒，反之則不發(fā)生浸沒?？梢酝ㄟ^地下水滲流計算出地下水位壅高值，目前地下水滲流計算的主要方法有解析法、數(shù)值法和電擬法等。本文主要通過解析法中的非穩(wěn)定流計算方法來計算庫岸地下水位壅高值，從而得出庫岸地下水回水水位深度。

2　地下水位壅高值的非穩(wěn)定流計算方法

2.1計算公式

當水庫蓄水后，庫水位在較長一段時間可能保持某一定值不變，此時庫周的地下水位在不同時間和不同位置都會發(fā)生變化。水庫蓄水后，潛水位升高，并向外擴展，經(jīng)一定時間，在低凹地區(qū)，潛水位可能接近，甚至高出地面，形成一定范圍的浸沒（圖1）。其地下水位的變化可以表示為：

式中：hx，t為任意時刻任意位置水位；hx，0為初始時刻任意位置水位，其中

F（λ）為河渠水位函數(shù)，其中

式中：hm為時段始末潛水流厚度的平均值；K為含水層滲透系數(shù)；μ為給水度。據(jù)式（1）可計算出任意時刻任意斷面的水位，將水位連接起來就是該時刻的浸潤曲線。

圖1　水庫回水引起的地下水變化示意圖

2.2河渠水位函數(shù)F（λ）與λ的關系確定

從式（1）中可以看出，地下水位壅高值的計算主要是計算F（λ），而河渠水位函數(shù) F（λ）與 λ的值參見《地下水動力學》（表1）。

表1　λ與F（λ）的關系表

從表中可以看出，F(xiàn)（λ）值隨λ的增加而減小，F(xiàn)（λ）與λ的值是點對點的關系，在實際過程中所得到的λ值不一定在表中能查到，因此需要通過插值來確定F（λ）值。為了應用方便，把F（λ）與λ擬合函數(shù)關系曲線（圖2），只要確定了λ值，就可以通過它們之間的函數(shù)關系計算F（λ）。圖2中擬合的函數(shù)關系式為：

擬合相關系數(shù)為1，表明可以用式（4）計算F（λ）的值。

圖2　λ與F（λ）的關系曲線

含水層水文地質參數(shù)取值：

給水度取值參考表2，考慮到庫區(qū)地層主要為粉質黏土，給水度取值為5%。

表2　常見松散巖土的給水度（Fetter，1980）

滲透系數(shù)取值參考浸沒勘察期間的注水和提水試驗結果，含水層厚度參考地質勘察剖面取值（表3）。

表3　水文地質參數(shù)取值表

3　地下水位壅高值的計算過程

該水庫浸沒勘察在庫區(qū)布置了5個勘探剖面，每個剖面約4個鉆孔，1個探坑。據(jù)設計，該水庫運行水位低于42.4m的概率為68%、低于42.5m的概率為77%，因此，可認為該水庫常水位為42.5m左右，庫區(qū)水位大部分時間保持在42.5m左右，因此非穩(wěn)定流方法計算地下水位壅高值時，可按常水位為42.5m的情況計算。

計算的結果主要與目前勘探孔的地下水位進行比較，勘探孔高程與常水位42.5m對比發(fā)現(xiàn)，每個剖面都有1個探坑和1個勘探孔高程低于42.5m屬于淹沒區(qū)域，可以不計算地下水位的壅高值；另外1個鉆孔高程遠遠高于常水位42.5m，浸沒影響較小，也可以不考慮。最終計算了庫水位為42.5m時可能有影響的勘探孔的地下水位壅高值，并分析庫周地下水位隨時間和距離的變化規(guī)律。

目前地下水位的監(jiān)測資料顯示，庫周一定范圍內的地下水位低于42.5m，當水庫水位上升到42.5m時，地下水位也會逐漸抬升。針對5個勘探剖面，計算了目前地下水位低于42.5m區(qū)域的地下水位抬升情況，共計算了50年，計算結果見圖3。

4　庫岸地下水位壅高值計算結果分析

從圖3中可以看出，當庫水位上升到42.5m時，與庫水邊距離越近，地下水位上升越快，距離越遠，影響越小。以1號剖面為例，在距離庫水邊10m處，30d后地下水位上升了0.32m，1年后地下水位上升了1.08m；但在距離庫水邊200m處位置，5年后地下水位也沒有發(fā)生明顯的變化（圖3a）。其它剖面也有類似情況，由于參數(shù)取值不同，影響范圍和水位上升高度也有差異，但地下水位上升趨勢總體一致。

由于粉質黏土的滲透性較小、給水度也很小，因此地下水位上升極其緩慢，當水庫運行50年后，仍有部分剖面的地下水位低于水庫水位42.5m，即使是距離庫水邊很近的距離，這與實際情況也基本一致。根據(jù)附近水庫的觀測資料，也佐證了這一點。

根據(jù)庫周地下水位隨庫水位的變化規(guī)律，可以計算出水庫水位保持42.5m并運行50年后庫周地下水位上升的高度，50年后庫周地下水位與初始地下水位和庫水位42.5m相比上升高度統(tǒng)計結果見表4。

表4　庫水位為常水位42.5m時地下水位上升高度（50年）

圖3　庫水位為42.5m時庫周地下水位的時空變化規(guī)律

計算結果顯示，水庫運行多年后，從水庫向四周，地下水位逐漸升高（圖3），距離越遠，地下水位上升越慢。與當前初始地下水位相比，地下水位最大上升了1.5m（1號剖面）；與常水位42.5m相比，水位最大上升為0.43m。最終上升的地下水位線與初始地下水位線重合，因此地下水位上升（壅高）較高的位置一般在庫水邊，越遠離庫水邊上升越少。假定水庫蓄水后庫水位為一定值（如42.5m），需較長時間（一般5～10年以后）庫岸地下水位才能基本穩(wěn)定，一般距離庫岸水邊越遠，地下水位高程越高。

當水庫水位為42.5m時，庫岸地下水位會相應升高，地下水位最大上升高度在常水位以上為0.26～0.43m，平均值為0.31m。表4中“地下水位高出常水位”指的是“由于庫水位上升引起庫岸地下水位上升，整個地質剖面上地下水位上升的這條線與常水位的比較”。一般情況庫岸地下水位隨庫水位上升需要很長時間才能達到穩(wěn)定。

張啟兵（1977-），男，高級工程師，本科，主要從事水利水電工程勘察工作。

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2095-2066（2016）12-0086-02

2016-4-7