第七届工程地质大会论文10.doc

-精品word文档 值得下载 值得拥有-渗流场反演计算在小山水电站水库渗漏中的应用李欣 （吉林大学建设工程学院, 长春 ,130026）张景春（松江河发电厂建设管理处，吉林抚松，134500）提 要: 本文主要依据同位素示踪测试结果和大坝量水堰、渗压计和测压管两年多的原观资料，利用e06menu正反演计算软件包，应用饱和非饱和区有限差分积分法数值计算方法，对小山电站四种不同工况进行三维渗流场反演计算，从而获得反演计算的优化解。反演计算结果表明小山水电站坝后量水堰渗流水主要来自玄武岩和玄武岩与安山岩的不整合交界面，计算结果给大坝处理与否提供了定量的依据。关键词 渗流场 反演 渗漏第一作者简介：李欣，1964出生，男，吉林省长春市人，副教授，硕士，主要从事岩土工程地质专业。The application of inversion calculation of vadose field in the leakage of reservoir Lixin(Construction-Engineering,InstituteOf Jilinuniversity, Changchun,130026)Zhangjingchun(Construction Bureau Of Songjianghe Power Plant,JilinFusong,134500)Abstract According to the result of isotope tracer measurement and two-year original data of measure weir , osmometer and piezometer , taking advantage of the software package of eo6 menu inversion calculation , applying saturationnon-saturation method of finite difference integration , the thesis carries out the inversion calculation of tridementional vadose field in xiao shan hydropower station under four different conditions , and obtain the optimized solution of inversion calculation . The solution indicates that the vadose water of the measuring weir behind xiao shan hydropower station dam mainly comes from basalt and the unconformity of basalt and asdesite . The solution provides the disposal of the dam with a lot of fixed-amount basis.Key words Vaduse field, Inversion, Leakage1 前言 小山水电站位于吉林省抚松县松江河上游段，距小山火车站56km，系松江河梯级电站的第一级。小山水电站为混合式开发工程，引水隧洞1000多米长，单引水隧洞自然落差为17m。小山水电站拦河坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程为685.3m，坝高为86.3m，坝顶长302m，坝顶宽7m。小山水库库容量为1.05亿m3总装机容量为160MW，年均发电量为3244亿KWh。 该工程自1997年建成蓄水运行以来，大坝渗漏量偏大，在正常蓄水位条件下，坝后量水堰测得渗水量最大值达284.391/s（99年1月4日），是需要及时清查的问题，经用各种物探、地质仪器和水质分析等方法检查后，将重点怀疑部位缩小到左岸封堵的导流洞，左、右岸坝头岸和局部面板。为了进一步查清渗流水来源，论证怀疑对象，为大坝渗流安全分析和加固修补工程方案提供可靠的依据，对以上三个部位进行同位素示踪测试，并对已有的坝基渗压计、两岸测压管和坝后量水堰历时两年多观测资料，进行小山水电站三维渗流场的反演，给出小山水电站三维渗流场，给出小山面板堆石坝坝面、坝基以及左右两岸绕渗等部位的渗流量，协助查清坝后渗流水的主要的来源。本文主要依据同位素示踪测试结果和大坝量水堰、渗压计和测压管两年多的原观资料，对不同时期的坝区渗流场进行三维稳定流反演计算，计算中考虑到大坝两岸地下水的影响，考虑到坝后实测流量三个不同时期，进行了四组反演计算，力求能真实地重现小山水电站坝区渗流场，最终给出可以信赖的分区渗流量分布情况。2 工程概况及坝区水文地质 小山水电站大坝座落在一峡窄河谷，谷坡3645，河流流向近南北向，谷底高程600m左右，两岸山顶高程710m720m，河谷下部为中侏罗系安山岩，上部为第三纪末第四纪初玄武岩，玄武岩构成了两岸台地。安山岩与玄武岩呈不整合接触，接触面在左岸上游高程为675m左右，下游高程为625m左右，接触面在右岸游高程为648m左右，下游高程为625m左右。 坝区断裂不发育，除花岗斑岩脉发育的F1和F2外，其余的均为小断层，一般宽度1.05.0cm，个别的达10.030.0cm。有两组节理，一组为3510/SW（SE）6080，间距0.2-0.5m；另一组为60-80/NW(SE)7080，间距0.30.7m，节理被方解石充填，呈闭合状态。 河床覆盖层厚度为01.5m，两岸覆盖层厚度为16m。坝基安山岩风化厚度：强风化带左岸为03m，右岸为14m；弱风化带左岸为1535m，右岸为320m，河床为815m；微风化带左岸为2030m，右岸为1040m，河床为2050m。 坝区地下水主要为覆盖层孔隙水和岩体的裂隙水，左岸埋深为1040m，右岸埋深为2045m，地下水无均低于水库正常蓄水位（683m）1025m，年变幅在1.05.0m之间。岩体的透水性与岩性及风化程度有关，弱风化安山岩值为0.10.011/min,m,m，玄武岩值为1.00.011/min,m,m。玄武岩的表部相与底部相气孔发育，需考虑层间岩体透水性稍大和夹层的渗透稳定。 3 渗流场反演计算数学模型 根据渗流场测点的实测资料反求渗流场参数分布问题为渗流场反演计算。一般而言该反问题不是唯一解，而只能是一个优化解。影响渗流场测点渗流值（水头值或渗流量值）的因素较多，不单是渗流场参数的分布，还有渗流场的各种边界条件，初始条件等等。其中较突出的影响因素是上下游水位、渗控措施、地下轮廓线。在一定的边界条件和初始条件情况(工况)下，即在一定的工况条件下，渗流场参数分布才是影响测点渗流值的唯一因素。因而，在反演渗流场参数分布之前，必须要首先确定工况，特别是渗控措施的现状，否则，反演而得的渗流场参数分布失去了真实性。 鉴于渗流场反演计算不是唯一解，只能是一个优化解。一般设有一个目标函数： （1） 式中：为渗流场测点参数计算值； 为渗流场测点参数实测值； i为权数； 、为渗流场参数上下限； 为测点个数 设为的泰勒一阶近似展开式： (2) 式中：为渗流场参数假定值时测点渗流值计算值 为渗流场参数的增值 为的系数，是非线性数 为变化后渗流场测点渗流值计算值。 暂取 i=1，则目标函数可写成 (3) 设aij为线性系数，则对（3）式求取极值，可获得优化值dki，即 （4） 设： 经整理可得： （5） 对m个dki分别求取极值可得矩阵： （6） 求解式（3-6），可获得一组dki，鉴于求解方程（6）式过程中一系列假定，dki只是一个近似解，不是一个确切解，因而在调整渗流场渗数分布时，必须引进一人修正系数i，即： （7） 而修正系数是个可变动的系数，为了确保优化过程中的收敛性，根据每次迭代计算目标函数行进方向，对各个i选取相应的值。在迭代过程中不断探索目标函数，寻找目标函数敛点（驻点），为下一个迭代点，不断搜索可确保目标函数极小值求解听收敛性。 在求解E（kI）目标函数时，其系数aij必须首先求出，而aij是非线性变化的，每次求解E（ki）前必须先解aij，优化时必然需要大量的计算时间，根据aij的变化规律，根据求解E（ki）的改进非线性最小二乘法的求解方法，只需确定一个相对一种工况的aij，这可大大缩短反演计算所需要的时间。 在求解i渗流场测点参数计算值中，采用了e06menu软件包，该软件包渗流场计算采用的是饱和-非饱和区有限差分积分法数值计算方法，基本方程为： （8） 式中：Gl单元L中的源或汇 边界r上的达西渗流速度 单元L边介法向矢量 r单元L的边界 Ml单元L中水的质量 式（3-8）表达单元L中的质量守恒定律，式左边项是渗流水项，流入（出）单元L的渗流水质量，式右边是单元L中质量随时间的变化，方程（3-8）经展开和转换，可写成： （9） 式中：上标1、1/2、2分别代表计算时段t时段初、时段中和时段末。 下标为单元号，m为单元的边界号。 （10） （11） 该方程组的定界条件为： 初如条件：（1）边界上位势或流量初始值；（2）单元结点初始位势值；（3）单元中源或汇的初值。 边界条件：（1）势边界；（2）流量边界；（3）混合边界。 整个渗流场反演计算均由e06menu软件包自动完成，通过电脑的自动搜索，寻找出优化介，提供渗流场反演成果。4 小山水电站渗流场反演计算模型 小山水电站渗流场反演计算模型范围为顺河向取800m，横河向也取800m。大坝轴线上游400m为计算模型上游边界，大坝轴线下游400m为计算模型下游边界。左坝头以后260m为计算模型的右边界，左坝头以左270m为计算模型的边界。坝基以下150m为计算模型的底部边界，坝基以下深度为坝基防渗帷幕深的3倍左右。 对于计算范围剖分面顺河向为X剖面，横灌向为Y剖面，水平方向为Z剖面，顺河向共42剖分面，横河向54个剖分面，Z向共21剖分面。剖分原则：（1）凡有地下轮廓线处沿地下轮廓线走向剖分；（2）沿防渗帷幕走向剖分；（3）沿岩体和坝体渗透分区界线剖分；（4）凡是水头变化大的地区，剖面加密，凡水头变化较缓地区，剖面间距增大，剖面变稀。 小山水电站渗流场剖分单元为12303个，边界单元为767个，单元间的交界面为35375个，剖分面相交的节点数为14894个， 为了能更充分地反映小山水电站渗流场的情况，全区共划分49个不同渗透性分区。 根据小山水电站大坝渗流原观资料可知，大坝左右山头地下水位较高，在库水位较低时，两岸测压管水位主要受两岸地下水控制，因而在渗流反演计算中必须考虑两岸地下水的影响，因而，该次反演计算中，首先必须在无库水位或低库水位时反演两岸地下水平，虽然这样反演结果，按理说只能代表当时情况，因为地下水位也是变化的，由于缺乏这方面资料，可以认为两岸地下水位变幅不大，反演结果能大致反映两岸地下水的情况，认为用于高库水位时的误差在允许范围之内，并认为考虑两岸地下水影响要比不考虑两岸地下水影响的合理多。因而选97年9月22日库水为605.49m时K01、K15测压管为依据，进行两岸地下水位的反演。由于小山水电站坝后最水堰随库水位的变化出现三个阶段，即库水位650m以下，库水位650m670m之间，库水位670m以上。为了能更确切地反演出渗流场的情况，分别选取97.10.22的情况、98.4.15情况和99.1.27情况为反演的依据，5 反演计算结果 反演计算结果图Fig. Inversion Results Display通过一系列的反演计算（见图1）,可以从反演结果中归纳以下几条： 1、坝后量水堰的渗流水主要来自玄武岩层，玄武岩层的反演透水性均在10-310-4cm/s以上，甚至达到10-1cm/s，特别是650m，670m以上玄武岩区，透水性均在10-110-2cm/s范围内。 2、坝后量水堰的渗流水主要来自两岸山坡，从一系列的反演计算结果来看，两岸山坡渗水量占坝后一水堰渗流量最小也有55%（第2组），多达82.9%（第4组）。 3、坝后量水堰的渗流水主要来自右岸山坡，从一系列的反演计算结果来看，坝中右山坡的渗流水量至少是坝中左山坡渗水量的一倍，最大达4倍左右。从渗流水占坝后最水堰渗流流量的比例来看，最少为40.8%（第3组），多达66.9%（第4组）。 4、从反演结果可知，河床部位的灌浆帷幕质量尚可，其透水量均在103cm3/s以下，但左、右坝下的灌浆帷幕透水性较大，特别是右坝段透水性更大，其透水量可达105cm3/s，说明右坝坝基透水性大，质量不够好。 5、这次反演计算中尚有几个问题没有处理完善，其一是两岸山区地下水位，虽然考虑了，但考虑较粗糙，应该说两岸山区地下水位是动态的，应象库水位一样考虑，就比较确切。其二这次反演没有按非稳定流状考虑，按稳定状态进行反演，特别是第2组反演，因库水位在短短30多天时间里上升近50m，应该说是典型的非稳定流状态，用稳定流进行反演，势必误差会大一些，这也就是第2组反演精度不及第3、4两组的原因。其三，四个不同时期的渗流反演应乾地一再一次统一反演，这样可以获得既符保一种工况的结果，又能照顾到另一组反演结要，虽然在这四组反演结果中，其规律比较一致，也就是说，四组反演是较可靠的，但也有个别矛盾的地方，如经3组反演分区11的渗透性比第4组反演的小，而分区12透水生第3组反演结果大于第4组，从650m以上整个区域来讲，这样差异影响不大，但总是因为优化的多介性而使结果有点病疵。参考文献1. 松江河梯级水电站工程初步设计报告，水利电力部东北勘测设计院，1988年9月。2吴良骥，G.L.Bloomsburg饱和非饱和区中渗流问题的数值模型，水利水运科学研究，1985年12月。3 毛旭熙，1990，渗流计算分析与控制，北京：水利电力出版社4高海鹰，裂隙岩体的渗流场及其与应力场耦合对工程影响的研究（博士论文）1994年，河海大学7