陶望雄 李小羅 鐘兆泓

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司）

大藤峽水利樞紐工程是《珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃》和“西江億噸黃金水道”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的標(biāo)志性工程。工程蓄水后，盤龍鉛鋅礦礦區(qū)的東側(cè)黔江河段回水位將達(dá)到61.00 m，比現(xiàn)在河水位高20～30 m，嚴(yán)重影響距黔江較近的大嶺礦段生產(chǎn)安全。為了消除水位抬升對(duì)礦坑涌水量的影響，擬采用帷幕注漿方式進(jìn)行防護(hù)，但對(duì)單建東帷幕與同建東、西帷幕2種方案存在爭(zhēng)論。目前礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法主要有水文地質(zhì)比擬法［1］、大井法和數(shù)值模擬法，其中以數(shù)值模擬法的預(yù)測(cè)精度較好［2-3］。在此背景下，采用GMS軟件建立合理的礦區(qū)三維地下水滲流模型，預(yù)測(cè)2種帷幕止水方案下礦坑涌水量及地下水流場(chǎng)的演變情況，進(jìn)一步論證以上2種防治水方案的可行性。

1 水文地質(zhì)概念模型

1.1 含水層結(jié)構(gòu)概化

平面分區(qū)參照礦區(qū)的含水層以及河流分布，如圖1所示。礦區(qū)主要水系是黔江水系；礦區(qū)主要斷層是F2斷層；礦區(qū)主要地層包括上泥盆統(tǒng)融縣組（D3r）、中泥盆統(tǒng)巴漆組（D2b）（弱透水層）、中泥盆統(tǒng)東崗嶺組（D2d）、下泥盆統(tǒng)大樂組（D1d）（弱透水層）、下泥盆統(tǒng)官橋組（D1g）、下泥盆統(tǒng)二塘組（D1e）（弱透水層）、下泥盆統(tǒng)上倫組上段（D1sl2）、下泥盆統(tǒng)上倫組下段（D1sl1）（弱透水層）。垂向上，考慮巖溶從上往下減弱的發(fā)育規(guī)律，滲透系數(shù)在垂向上衰減。

1.2 邊界條件選取

根據(jù)模擬區(qū)補(bǔ)徑排條件，簡(jiǎn)化模型邊界條件。

（1）作為補(bǔ)給來源，將黔江設(shè)定為河流邊界條件，河流水位為調(diào)節(jié)水位值。

（2）由于南部地下水長(zhǎng)期保持較高的穩(wěn)定水位，可作為定水頭條件處理。

（3）將礦坑各中段作為排水邊界，采用DRAIN模塊處理，排水高程為各中段所在高程。

（4）模擬區(qū)域?yàn)檩^為獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，將其他邊界設(shè)定為隔水邊界。

（5）西側(cè)F2斷層具有一定的隔水性，但不完全隔水，本次采用barrier模塊進(jìn)行處理，賦值采用F2斷層兩側(cè)的地下水位進(jìn)行調(diào)試。

（6）帷幕南北兩端分別搭接在二塘組和上倫組下段地層弱透水層中，幕底高程為-120 m標(biāo)高，為懸掛式帷幕。根據(jù)前期注漿試驗(yàn)，帷幕防滲標(biāo)準(zhǔn)需達(dá)到5 Lu。

2 模型的建立

2.1 網(wǎng)格剖分

根據(jù)巖溶區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)特征，地下水滲流按照地下水三維非穩(wěn)定流模型處理，非均質(zhì)各向異性承壓含水層的偏微分方程如下［4］。

式中，Kxx、Kyy和Kzz分別為X、Y和Z方向的滲透系數(shù)，m/d；H為水頭，m；W為單位體積流量，m3/d，代表流進(jìn)源或流出匯的水量；μs為孔隙介質(zhì)的貯水率或給水率，無量綱；t為時(shí)間，d。

為了求解數(shù)學(xué)模型，選用有限差分法的網(wǎng)格中心節(jié)點(diǎn)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行剖分離散，模型一共被剖分為4層、444行、363列，共計(jì)644 688個(gè)網(wǎng)格單元（圖2），核心區(qū)采用25 m×10 m的網(wǎng)格，外圍區(qū)域網(wǎng)格大小為35 m×35 m。垂向上，頂部為地面高程，以-500 m水平面為底，頂、底部之間劃分出4層。

2.2 參數(shù)分區(qū)

受構(gòu)造及水文地質(zhì)條件的影響，數(shù)值模型中的水文地質(zhì)參數(shù)在空間上表現(xiàn)出較強(qiáng)的差異性，因此有必要先進(jìn)行參數(shù)分區(qū)［5］。水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)原則上需綜合考慮3點(diǎn)因素：含水層的富水性規(guī)律、補(bǔ)徑排條件以及斷裂構(gòu)造的特點(diǎn)。模型調(diào)試過程中，對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了反演和調(diào)整［5-6］，最終得到符合實(shí)際的參數(shù)分區(qū)（圖3、圖4）。

3 模型調(diào)試與識(shí)別

為了使所建的數(shù)值模型能夠正確反映礦區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)條件，將2017年1—12月作為模型的校核期（2017年內(nèi)的開采中段為-70，-120，-170，-220，-270和-320 m），選取礦區(qū)主要的長(zhǎng)期水文觀測(cè)孔（S382、S62、S22、S101、S421、SK2）以及年內(nèi)各中段實(shí)測(cè)涌水量數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證。

模型識(shí)別結(jié)果見圖5、圖6，計(jì)算水位值與實(shí)測(cè)水位值、模擬涌水量與實(shí)測(cè)涌水量均擬合較好，表明建立的水文地質(zhì)模型是可靠的。

在此模型基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)無大藤峽水利樞紐工程影響、礦山井巷開拓至-440 m時(shí)各中段的涌水量，以便于后續(xù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果得到各中段涌水量：-70 m中段為9 439 m3/d，-120 m中段為901 m3/d，-170 m中段為290 m3/d，-220 m中段為90 m3/d，-270 m中段為1 072 m3/d，-320 m中段為3 077 m3/d，-380 m中段為2 797 m3/d，-440 m中段為3 286 m3/d；-440 m中段以上總涌水量為20 672 m3/d。

4 各工況下涌水量預(yù)測(cè)

4.1 無帷幕

當(dāng)黔江水位抬升至61.0 m、開拓至-440 m，無帷幕時(shí)模擬區(qū)的地下水流場(chǎng)分布如圖7～圖10所示。可知，隨黔江水位抬升，無論是礦區(qū)北東面，還是大嶺礦段的東面，都明顯地反映出黔江河水反補(bǔ)給礦區(qū)，顯示回水后礦區(qū)地下水位抬高的狀態(tài)。受礦山持續(xù)疏干排水影響，以大嶺礦段為中心形成了一個(gè)明顯的地下水降落漏斗，南、北部等水位線較為密集，說明南北部弱透水層均具備明顯的隔水作用，東部、西部的遠(yuǎn)端等水位線疏密程度較為一致。F2斷層有一定的隔水作用，但不是完全隔水，地下水可以沿著F2斷層繞流至其他含水層。礦區(qū)的涌水主要來源于（地下水徑流方向）東側(cè)和西側(cè)2個(gè)方向，東側(cè)補(bǔ)給來源為黔江的河流補(bǔ)給；西側(cè)補(bǔ)給分為兩部分，一部分為西南側(cè)的補(bǔ)給，另一部分為礦區(qū)北側(cè)地層的地下水側(cè)向徑流穿過F2斷層進(jìn)行的補(bǔ)給。

在此模型基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)水位抬升至61.0 m、井巷 開拓至-440 m，無帷幕時(shí)各中段的涌水量：-70 m中段為15 568 m3/d，-120 m中段為2 110 m3/d，-170 m中段為189 m3/d，-220 m中段為112 m3/d，-270 m中段為724 m3/d，-320 m中段為6 382 m3/d，-380 m中段為1 995 m3/d，-440 m中段為2 994 m3/d；-440 m中段以上總涌水量為30 074 m3/d。

4.2 單建東帷幕

當(dāng)黔江水位抬升至61.0 m、井巷開拓至-440 m，單建東帷幕時(shí)模擬區(qū)的地下水流場(chǎng)分布如圖11～圖12。在東側(cè)帷幕附近，等水位線較為密集，地下水位等值線與止水帷幕方向一致，可見東帷幕對(duì)地下水流有一定的阻隔作用。東側(cè)帷幕建成后，-120 m以上礦坑涌水的主要補(bǔ)給來源已經(jīng)變?yōu)槲髅婕皷|北面的地下水側(cè)向補(bǔ)給，受礦坑持續(xù)的疏干排水影響，F(xiàn)2斷層附近地下水水位尚未出現(xiàn)明顯抬升，但西東北面補(bǔ)給邊界水頭已經(jīng)有所增高，其位置也有向南西方向繼續(xù)移動(dòng)的趨勢(shì)。止水帷幕對(duì)-120 m以下地下水流場(chǎng)影響微弱，止水效果不明顯。

單建東帷幕時(shí)的礦坑涌水量與無帷幕時(shí)進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示。單建東帷幕時(shí)，總涌水量為23 100 m3/d，比無帷幕時(shí)的模擬值30 074 m3/d減小了6 974 m3/d，涌水減少量集中在-70及-120 m中段，分別減小了5 304和901 m3/d。

4.3 同建東、西帷幕

當(dāng)黔江水位抬升至61.0 m、井巷開拓至-440 m，同建東、西帷幕時(shí)模擬區(qū)的地下水流場(chǎng)分布如圖14～圖15。在東、西側(cè)止水帷幕附近，等水位線較為密集，地下水位等值線與止水帷幕方向一致。西帷幕建成后，F(xiàn)2斷層以西地下水位進(jìn)一步抬升，在F2斷層—西帷幕區(qū)域，地下水位為40～50 m，在2條止水帷幕所圍的礦區(qū)中，東部水位較高，為0～10 m，這與東側(cè)距黔江較近有關(guān)，西部水位較低，為-20～0 m。同樣，止水帷幕對(duì)-120 m以下地下水流場(chǎng)影響微弱，止水效果不明顯。

當(dāng)黔江水位抬升至61.0 m、井巷開拓至-440 m，同建東、西帷幕時(shí)的礦坑涌水量與無帷幕時(shí)進(jìn)行對(duì)比，如圖16所示。同建東、西帷幕時(shí)礦坑總?cè)站克繛?8 721 m3/d，比無帷幕時(shí)的模擬值30 074 m3/d減小了11 353 m3/d，涌水量減少量集中在礦區(qū)-70及-120 m中段，分別減小了9 098和1 509 m3/d。

5 帷幕參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)本次建立的模型，對(duì)不同厚度、透水率的止水帷幕工況下的涌水量進(jìn)行敏感性分析（表1），結(jié)果顯示，通過降低止水帷幕透水率和增加止水帷幕厚度的方法，能夠進(jìn)一步減少礦坑涌水量，但當(dāng)涌水量減少至11 000～12 000 m3/d后，帷幕止水效果開始不明顯，究其原因，一方面由于止水帷幕透水率小到一定程度后，-120 m以上涌水量已經(jīng)大為減少，另一方面，-120 m以下巖層滲透系數(shù)本身較小，止水效果較差。

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大藤峽水利工程蓄水導(dǎo)致礦坑涌水量的增量約為9 402 m3/d，當(dāng)止水帷幕設(shè)計(jì)厚度為10 m、透水率為5 Lu時(shí)，減少礦坑涌水量11 353 m3/d，基本能夠消除蓄水帶來的影響，再繼續(xù)降低帷幕透水率或增加帷幕厚度，帷幕經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)大大降低，造成投資浪費(fèi)。根據(jù)注漿試驗(yàn)，注漿孔按照雙排梅花形布置，孔距6 m，排距3 m，能夠形成12 m左右的幕體厚度，進(jìn)一步驗(yàn)證了注漿試驗(yàn)成果的可靠性。

6 結(jié) 論

（1）模型預(yù)測(cè)無大藤峽水利工程影響和井巷開拓至-440 m時(shí)的礦坑總涌水量為20 672 m3/d，水位抬升至61.0 m、開拓至-440 m中段時(shí)礦坑總涌水量為30 074 m3/d，也就是說，大藤峽水利工程蓄水造成盤龍鉛鋅礦礦坑增加的總涌水量為9 402 m3/d。

（2）水位抬升至61.0 m、開拓至-440 m，有東帷幕與無帷幕時(shí)相比，預(yù)測(cè)礦坑總涌水量將減少約6 974 m3/d；有東、西帷幕與無帷幕時(shí)相比，預(yù)測(cè)礦坑總涌水量將減少約11 353 m3/d。即西帷幕建成后，能在現(xiàn)有東帷幕基礎(chǔ)上，減少礦坑總涌水量4 379 m3/d。

（3）從計(jì)算數(shù)據(jù)來看，只有選擇同建東、西帷幕的防治水方案，才能消除大藤峽水利樞紐工程對(duì)礦坑涌水量的影響。

（4）帷幕按照5 Lu防滲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，基本能夠消除蓄水帶來的水害威脅，再繼續(xù)降低止水帷幕透水率或增加帷幕厚度，帷幕經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)大大降低，造成投資浪費(fèi)。