浅淡水库库岸地下水位壅高值的非稳定流计算方法

张启兵（安徽省水利水电勘测设计院勘测分院，安徽　蚌埠　233000）



浅淡水库库岸地下水位壅高值的非稳定流计算方法

张启兵（安徽省水利水电勘测设计院勘测分院，安徽蚌埠233000）

水库浸没评价是水库设计的一项重要内容。浸没评价主要是通过比较水库蓄水后的地下水回水深度与当地浸没地下水埋深临界值的大小来确定是否存在浸没问题。水库库岸地下水位壅高值是水库浸没评价的重要参数，其计算方法有多种，其中解析法分为稳定流计算方法和非稳定流计算方法。本文主要结合某水库的浸没评价实例采用非稳定流计算方法来计算库岸地下水位的壅高值，从而得出地下水回水深度。

水库；浸没；地下水位壅高；解析法；非稳定流

1　前言

某水库工程位于江淮分水岭北部，其建设的主要任务是供水和灌溉，兼顾防洪等综合利用。水库总库容为1.30亿m3，水库正常蓄水位43.0m，常水位42.5m。工程规模为大（2）型，工程等别为Ⅱ等，主要建筑物等级为2级。洪水标准为100年一遇设计，2000年一遇校核，设计、校核洪水位分别为44.42m 和45.50m。该水库为典型的平原水库，库区地层主要为粉质黏土，库周地地势较为低缓，易产生浸没问题，需进行浸没评价，判定水库蓄水后是否会产生浸没问题，并确定浸没范围和程度。

水库浸没评价主要是通过比较水库蓄水后的地下水回水水位深度与当地浸没地下水埋深临界值的大小来确定是否存在浸没问题。如果水库蓄水后的地下水回水深度小于当地浸没地下水埋深临界值，就会发生浸没，反之则不发生浸没。可以通过地下水渗流计算出地下水位壅高值，目前地下水渗流计算的主要方法有解析法、数值法和电拟法等。本文主要通过解析法中的非稳定流计算方法来计算库岸地下水位壅高值，从而得出库岸地下水回水水位深度。

2　地下水位壅高值的非稳定流计算方法

2.1计算公式

当水库蓄水后，库水位在较长一段时间可能保持某一定值不变，此时库周的地下水位在不同时间和不同位置都会发生变化。水库蓄水后，潜水位升高，并向外扩展，经一定时间，在低凹地区，潜水位可能接近，甚至高出地面，形成一定范围的浸没（图1）。其地下水位的变化可以表示为：

式中：hx，t为任意时刻任意位置水位；hx，0为初始时刻任意位置水位，其中

F（λ）为河渠水位函数，其中

式中：hm为时段始末潜水流厚度的平均值；K为含水层渗透系数；μ为给水度。据式（1）可计算出任意时刻任意断面的水位，将水位连接起来就是该时刻的浸润曲线。

图1　水库回水引起的地下水变化示意图

2.2河渠水位函数F（λ）与λ的关系确定

从式（1）中可以看出，地下水位壅高值的计算主要是计算F（λ），而河渠水位函数 F（λ）与 λ的值参见《地下水动力学》（表1）。

表1　λ与F（λ）的关系表

从表中可以看出，F（λ）值随λ的增加而减小，F（λ）与λ的值是点对点的关系，在实际过程中所得到的λ值不一定在表中能查到，因此需要通过插值来确定F（λ）值。为了应用方便，把F（λ）与λ拟合函数关系曲线（图2），只要确定了λ值，就可以通过它们之间的函数关系计算F（λ）。图2中拟合的函数关系式为：

拟合相关系数为1，表明可以用式（4）计算F（λ）的值。

图2　λ与F（λ）的关系曲线

含水层水文地质参数取值：

给水度取值参考表2，考虑到库区地层主要为粉质黏土，给水度取值为5%。

表2　常见松散岩土的给水度（Fetter，1980）

渗透系数取值参考浸没勘察期间的注水和提水试验结果，含水层厚度参考地质勘察剖面取值（表3）。

表3　水文地质参数取值表

3　地下水位壅高值的计算过程

该水库浸没勘察在库区布置了5个勘探剖面，每个剖面约4个钻孔，1个探坑。据设计，该水库运行水位低于42.4m的概率为68%、低于42.5m的概率为77%，因此，可认为该水库常水位为42.5m左右，库区水位大部分时间保持在42.5m左右，因此非稳定流方法计算地下水位壅高值时，可按常水位为42.5m的情况计算。

计算的结果主要与目前勘探孔的地下水位进行比较，勘探孔高程与常水位42.5m对比发现，每个剖面都有1个探坑和1个勘探孔高程低于42.5m属于淹没区域，可以不计算地下水位的壅高值；另外1个钻孔高程远远高于常水位42.5m，浸没影响较小，也可以不考虑。最终计算了库水位为42.5m时可能有影响的勘探孔的地下水位壅高值，并分析库周地下水位随时间和距离的变化规律。

目前地下水位的监测资料显示，库周一定范围内的地下水位低于42.5m，当水库水位上升到42.5m时，地下水位也会逐渐抬升。针对5个勘探剖面，计算了目前地下水位低于42.5m区域的地下水位抬升情况，共计算了50年，计算结果见图3。

4　库岸地下水位壅高值计算结果分析

从图3中可以看出，当库水位上升到42.5m时，与库水边距离越近，地下水位上升越快，距离越远，影响越小。以1号剖面为例，在距离库水边10m处，30d后地下水位上升了0.32m，1年后地下水位上升了1.08m；但在距离库水边200m处位置，5年后地下水位也没有发生明显的变化（图3a）。其它剖面也有类似情况，由于参数取值不同，影响范围和水位上升高度也有差异，但地下水位上升趋势总体一致。

由于粉质黏土的渗透性较小、给水度也很小，因此地下水位上升极其缓慢，当水库运行50年后，仍有部分剖面的地下水位低于水库水位42.5m，即使是距离库水边很近的距离，这与实际情况也基本一致。根据附近水库的观测资料，也佐证了这一点。

根据库周地下水位随库水位的变化规律，可以计算出水库水位保持42.5m并运行50年后库周地下水位上升的高度，50年后库周地下水位与初始地下水位和库水位42.5m相比上升高度统计结果见表4。

表4　库水位为常水位42.5m时地下水位上升高度（50年）

图3　库水位为42.5m时库周地下水位的时空变化规律

计算结果显示，水库运行多年后，从水库向四周，地下水位逐渐升高（图3），距离越远，地下水位上升越慢。与当前初始地下水位相比，地下水位最大上升了1.5m（1号剖面）；与常水位42.5m相比，水位最大上升为0.43m。最终上升的地下水位线与初始地下水位线重合，因此地下水位上升（壅高）较高的位置一般在库水边，越远离库水边上升越少。假定水库蓄水后库水位为一定值（如42.5m），需较长时间（一般5～10年以后）库岸地下水位才能基本稳定，一般距离库岸水边越远，地下水位高程越高。

当水库水位为42.5m时，库岸地下水位会相应升高，地下水位最大上升高度在常水位以上为0.26～0.43m，平均值为0.31m。表4中“地下水位高出常水位”指的是“由于库水位上升引起库岸地下水位上升，整个地质剖面上地下水位上升的这条线与常水位的比较”。一般情况库岸地下水位随库水位上升需要很长时间才能达到稳定。

张启兵（1977-），男，高级工程师，本科，主要从事水利水电工程勘察工作。

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2095-2066（2016）12-0086-02

2016-4-7