基于数值模拟技术的帷幕止水方案研究

陶望雄 李小罗 钟兆泓

（长沙有色冶金设计研究院有限公司）

大藤峡水利枢纽工程是《珠江—西江经济带发展规划》和“西江亿吨黄金水道”基础设施建设的标志性工程。工程蓄水后，盘龙铅锌矿矿区的东侧黔江河段回水位将达到61.00 m，比现在河水位高20～30 m，严重影响距黔江较近的大岭矿段生产安全。为了消除水位抬升对矿坑涌水量的影响，拟采用帷幕注浆方式进行防护，但对单建东帷幕与同建东、西帷幕2种方案存在争论。目前矿坑涌水量预测方法主要有水文地质比拟法［1］、大井法和数值模拟法，其中以数值模拟法的预测精度较好［2-3］。在此背景下，采用GMS软件建立合理的矿区三维地下水渗流模型，预测2种帷幕止水方案下矿坑涌水量及地下水流场的演变情况，进一步论证以上2种防治水方案的可行性。

1 水文地质概念模型

1.1 含水层结构概化

平面分区参照矿区的含水层以及河流分布，如图1所示。矿区主要水系是黔江水系；矿区主要断层是F2断层；矿区主要地层包括上泥盆统融县组（D3r）、中泥盆统巴漆组（D2b）（弱透水层）、中泥盆统东岗岭组（D2d）、下泥盆统大乐组（D1d）（弱透水层）、下泥盆统官桥组（D1g）、下泥盆统二塘组（D1e）（弱透水层）、下泥盆统上伦组上段（D1sl2）、下泥盆统上伦组下段（D1sl1）（弱透水层）。垂向上，考虑岩溶从上往下减弱的发育规律，渗透系数在垂向上衰减。

1.2 边界条件选取

根据模拟区补径排条件，简化模型边界条件。

（1）作为补给来源，将黔江设定为河流边界条件，河流水位为调节水位值。

（2）由于南部地下水长期保持较高的稳定水位，可作为定水头条件处理。

（3）将矿坑各中段作为排水边界，采用DRAIN模块处理，排水高程为各中段所在高程。

（4）模拟区域为较为独立的水文地质单元，将其他边界设定为隔水边界。

（5）西侧F2断层具有一定的隔水性，但不完全隔水，本次采用barrier模块进行处理，赋值采用F2断层两侧的地下水位进行调试。

（6）帷幕南北两端分别搭接在二塘组和上伦组下段地层弱透水层中，幕底高程为-120 m标高，为悬挂式帷幕。根据前期注浆试验，帷幕防渗标准需达到5 Lu。

2 模型的建立

2.1 网格剖分

根据岩溶区地下水运动特征，地下水渗流按照地下水三维非稳定流模型处理，非均质各向异性承压含水层的偏微分方程如下［4］。

式中，Kxx、Kyy和Kzz分别为X、Y和Z方向的渗透系数，m/d；H为水头，m；W为单位体积流量，m3/d，代表流进源或流出汇的水量；μs为孔隙介质的贮水率或给水率，无量纲；t为时间，d。

为了求解数学模型，选用有限差分法的网格中心节点对研究区进行剖分离散，模型一共被剖分为4层、444行、363列，共计644 688个网格单元（图2），核心区采用25 m×10 m的网格，外围区域网格大小为35 m×35 m。垂向上，顶部为地面高程，以-500 m水平面为底，顶、底部之间划分出4层。

2.2 参数分区

受构造及水文地质条件的影响，数值模型中的水文地质参数在空间上表现出较强的差异性，因此有必要先进行参数分区［5］。水文地质参数分区原则上需综合考虑3点因素：含水层的富水性规律、补径排条件以及断裂构造的特点。模型调试过程中，对水文地质参数进行了反演和调整［5-6］，最终得到符合实际的参数分区（图3、图4）。

3 模型调试与识别

为了使所建的数值模型能够正确反映矿区的实际水文地质条件，将2017年1—12月作为模型的校核期（2017年内的开采中段为-70，-120，-170，-220，-270和-320 m），选取矿区主要的长期水文观测孔（S382、S62、S22、S101、S421、SK2）以及年内各中段实测涌水量数据进行识别和验证。

模型识别结果见图5、图6，计算水位值与实测水位值、模拟涌水量与实测涌水量均拟合较好，表明建立的水文地质模型是可靠的。

在此模型基础上，预测无大藤峡水利枢纽工程影响、矿山井巷开拓至-440 m时各中段的涌水量，以便于后续进行对比分析。结果得到各中段涌水量：-70 m中段为9 439 m3/d，-120 m中段为901 m3/d，-170 m中段为290 m3/d，-220 m中段为90 m3/d，-270 m中段为1 072 m3/d，-320 m中段为3 077 m3/d，-380 m中段为2 797 m3/d，-440 m中段为3 286 m3/d；-440 m中段以上总涌水量为20 672 m3/d。

4 各工况下涌水量预测

4.1 无帷幕

当黔江水位抬升至61.0 m、开拓至-440 m，无帷幕时模拟区的地下水流场分布如图7～图10所示。可知，随黔江水位抬升，无论是矿区北东面，还是大岭矿段的东面，都明显地反映出黔江河水反补给矿区，显示回水后矿区地下水位抬高的状态。受矿山持续疏干排水影响，以大岭矿段为中心形成了一个明显的地下水降落漏斗，南、北部等水位线较为密集，说明南北部弱透水层均具备明显的隔水作用，东部、西部的远端等水位线疏密程度较为一致。F2断层有一定的隔水作用，但不是完全隔水，地下水可以沿着F2断层绕流至其他含水层。矿区的涌水主要来源于（地下水径流方向）东侧和西侧2个方向，东侧补给来源为黔江的河流补给；西侧补给分为两部分，一部分为西南侧的补给，另一部分为矿区北侧地层的地下水侧向径流穿过F2断层进行的补给。

在此模型基础上，预测水位抬升至61.0 m、井巷 开拓至-440 m，无帷幕时各中段的涌水量：-70 m中段为15 568 m3/d，-120 m中段为2 110 m3/d，-170 m中段为189 m3/d，-220 m中段为112 m3/d，-270 m中段为724 m3/d，-320 m中段为6 382 m3/d，-380 m中段为1 995 m3/d，-440 m中段为2 994 m3/d；-440 m中段以上总涌水量为30 074 m3/d。

4.2 单建东帷幕

当黔江水位抬升至61.0 m、井巷开拓至-440 m，单建东帷幕时模拟区的地下水流场分布如图11～图12。在东侧帷幕附近，等水位线较为密集，地下水位等值线与止水帷幕方向一致，可见东帷幕对地下水流有一定的阻隔作用。东侧帷幕建成后，-120 m以上矿坑涌水的主要补给来源已经变为西面及东北面的地下水侧向补给，受矿坑持续的疏干排水影响，F2断层附近地下水水位尚未出现明显抬升，但西东北面补给边界水头已经有所增高，其位置也有向南西方向继续移动的趋势。止水帷幕对-120 m以下地下水流场影响微弱，止水效果不明显。

单建东帷幕时的矿坑涌水量与无帷幕时进行对比，如图13所示。单建东帷幕时，总涌水量为23 100 m3/d，比无帷幕时的模拟值30 074 m3/d减小了6 974 m3/d，涌水减少量集中在-70及-120 m中段，分别减小了5 304和901 m3/d。

4.3 同建东、西帷幕

当黔江水位抬升至61.0 m、井巷开拓至-440 m，同建东、西帷幕时模拟区的地下水流场分布如图14～图15。在东、西侧止水帷幕附近，等水位线较为密集，地下水位等值线与止水帷幕方向一致。西帷幕建成后，F2断层以西地下水位进一步抬升，在F2断层—西帷幕区域，地下水位为40～50 m，在2条止水帷幕所围的矿区中，东部水位较高，为0～10 m，这与东侧距黔江较近有关，西部水位较低，为-20～0 m。同样，止水帷幕对-120 m以下地下水流场影响微弱，止水效果不明显。

当黔江水位抬升至61.0 m、井巷开拓至-440 m，同建东、西帷幕时的矿坑涌水量与无帷幕时进行对比，如图16所示。同建东、西帷幕时矿坑总日均涌水量为18 721 m3/d，比无帷幕时的模拟值30 074 m3/d减小了11 353 m3/d，涌水量减少量集中在矿区-70及-120 m中段，分别减小了9 098和1 509 m3/d。

5 帷幕参数优化

依据本次建立的模型，对不同厚度、透水率的止水帷幕工况下的涌水量进行敏感性分析（表1），结果显示，通过降低止水帷幕透水率和增加止水帷幕厚度的方法，能够进一步减少矿坑涌水量，但当涌水量减少至11 000～12 000 m3/d后，帷幕止水效果开始不明显，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以上涌水量已经大为减少，另一方面，-120 m以下岩层渗透系数本身较小，止水效果较差。

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大藤峡水利工程蓄水导致矿坑涌水量的增量约为9 402 m3/d，当止水帷幕设计厚度为10 m、透水率为5 Lu时，减少矿坑涌水量11 353 m3/d，基本能够消除蓄水带来的影响，再继续降低帷幕透水率或增加帷幕厚度，帷幕经济效益将会大大降低，造成投资浪费。根据注浆试验，注浆孔按照双排梅花形布置，孔距6 m，排距3 m，能够形成12 m左右的幕体厚度，进一步验证了注浆试验成果的可靠性。

6 结 论

（1）模型预测无大藤峡水利工程影响和井巷开拓至-440 m时的矿坑总涌水量为20 672 m3/d，水位抬升至61.0 m、开拓至-440 m中段时矿坑总涌水量为30 074 m3/d，也就是说，大藤峡水利工程蓄水造成盘龙铅锌矿矿坑增加的总涌水量为9 402 m3/d。

（2）水位抬升至61.0 m、开拓至-440 m，有东帷幕与无帷幕时相比，预测矿坑总涌水量将减少约6 974 m3/d；有东、西帷幕与无帷幕时相比，预测矿坑总涌水量将减少约11 353 m3/d。即西帷幕建成后，能在现有东帷幕基础上，减少矿坑总涌水量4 379 m3/d。

（3）从计算数据来看，只有选择同建东、西帷幕的防治水方案，才能消除大藤峡水利枢纽工程对矿坑涌水量的影响。

（4）帷幕按照5 Lu防渗标准设计，基本能够消除蓄水带来的水害威胁，再继续降低止水帷幕透水率或增加帷幕厚度，帷幕经济效益将会大大降低，造成投资浪费。