地表水体对断层应力与地震时空分布影响的综合分析_以紫坪铺水库为例

地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 水体对断层应力与地震时空分布影响的综合分析_以紫坪铺水库为例 地表水体作用下的粗颗粒地层渗透规律研究 姚旭初张学平王峰孙保卫 ()北京市勘察设计研究院有限公司 北京市 100038 () ( ) 提要 在地表水体 人工湖或水库长期作用下 ,粗颗粒地层 卵石或漂石形成了复杂的渗透规律 ,与传统认识存 在较大差异 。因此 ,查清人工湖或水库底下的土层渗透规律和地下水分布条件直接关系到工程的安全 、造价和工 期 。该文结合工程实例 ,初步研究了在地表水体长期作用下粗颗粒地层的渗透规律 ,突破水文地质学中“含水层” 和“隔水层”的传统定义 ,首次提出“饱水层”的概念 。浅层地下水的排泄以垂向渗流为主 ,深层地下水排泄以径流 为主 ;浅层地下水的补给以地表水补给为主 ,深层地下水的补给主要是浅层地下水通过非饱水带对其补给 。 关键词 渗透规律 饱水层 地下水 人工水库 Study on Inf iltration Regularity of the Coarse2gra ined Stratum under Surface Water Body Yao Xuchu Zhang Xueping Wang Feng Sun Baowei ()Beijing Investigation Design Institute Co . , Ltd () Abstract Influenced by long term surface water body man2made lakes or reservoirs,coarse2grained stratum () gravel or boulderhas formed complex infiltration regularity , which is much different from the traditional cog2 nition. Therefore , to find out the soil infiltration regularity under man2made lakes or reservoirs and the distri2 bution condition of groundwater will directly affect the safety , cost and construction period for a project . Based on engineering examples , this article studies the infiltration regularity of the coarse2grained stratum under the long term action of surface water body , which pierces through the traditional hydrogeology definition of aquifer and aquifuge , and the conception of“water2saturated stratum”is brought forward for the first time . The main discharge pattern of shallow groundwater is mainly vertical infiltration ,while of the deep groundwater is runoff . As to the recharge pattern , the shallow groundwater depends mainly on surface water , but the deep groundwa2 ter comes from the shallow groundwater through unsaturated zone . Key words infiltration ;water2saturated stratum ;groundwater ;man2made reservoir 全 。本文结合其中的某公路工程 ,分析粗颗粒土层 引言 在地表水体的长期作用下形成的渗透规律 。 () ( 粗颗粒土层 卵石或漂石在地表水体 人工水 2 水文地质条件 ) 或湖的长期作用下 ,其形成的渗透规律较特殊 , 往水文地质条件也比较复杂 ,而查清水文地质条 拟建公路穿过永定河上游某人工水库库区 ,库 是采取合理施工措施和防渗设计方案的关键因素 底地层岩性以卵石和漂石为主 。根据现场水文地质 一 。某公路工程和某地铁工程分别穿过人工水库 勘察与地下水监测结果 ,将库底的地下水以库底下 人工湖 ,其共同特点均是地表水体下的土层岩性 约 11,12m 深度为界线划分为浅层地下水和深层地 要以粗颗粒的卵石或漂石为主 。工程场区的地下 下水 。 分布条件以及补 、径 、排关系在一定程度上决定了 浅层地下水总体特征是接受地表水体补给 ,以 程的施工措施和设计方案以 及 运 行 后 的 使 用 安 垂向渗流为主 ,按其赋水土层的渗透特性 ,可将赋水 土层细划为 4 个饱水层 ,自上而下依次为 :第 1 饱水 () 层 即淤泥 ?层,厚度约 0 . 3,2m ,其土层渗透系数 () 者简介 :姚旭初 1973 - ,男 ,高级工程师 ,从事工程与环境水文地 较小 , 为 0 . 05m/ d 左 右 。地 下 水 水 位 监 测 期 间 的咨询和科研工作 。 稿日期 :2008 - 05 - 13 (( ) 2006 . 9 . 10,2006 . 9 . 26,于相应该层的监测孔 孔 厚度约 015,2m ,其土层渗透性相对较强 ,渗透系数 ) 约为 25100m/ d , 地下水水位监测期间 , 于相应层位 号 :C5 ,其结构见图 1中量测到的最高水位标高为 ( ) 的监测孔 孔号 : A2 , 其结构见图 1中量测到的水 108 . 18m ,与同期量测的水库最高水位标高 108 . 22m ( 基本一致 ;第 2 饱水层 即含少量的粘性土卵石 ?位 埋 深 为 2116 , 4120m , 水 位 标 高 为 103193 , 1 ) 层,层厚约 3m ,分布于淤泥 ?层之下 ,该饱水层的 105179m ,地下水水位标高随着监测深度的增加略有 ( 渗透性相对较弱 ,其土层渗透系数在 2100m/ d 左右 , 降低 ,但没有第 2 饱水层中明显 ; 第 4 饱水层 即含 ) ( 粘性土较多的卵石 ?层,层厚约 6m ,其土层渗透 地下水水位监测期间 ,于相应层位的监测孔 孔号 : 3 ) A3 , 其结构见图 1中量测的该层不同深度处水位 性相对较差 ,渗透系数约为 0150m/ d ,现场勘探过程 中于该层不同深度处量测到的地下水水位随深度增 埋 深 为 0168 , 2106m , 水 位 标 高 为 104182 , 加而降低 ,该层顶板附近的地下水水位与第 3 饱水 107124m ,地下 水 水 位 标 高 随 着 监 测 深 度 增 加 而 降 ( ) 低 ;第 3 饱水层 即基本不含粘性土的卵石 ?层,层水位一致 。2 图 1 C5 、A3 和 A2 监测孔的结构示意 深层 地 下 水 主 要 赋 存 于 卵 石 、漂 石 的 卵 石 ? 53 粗颗粒土层的渗透规律 层中 ,其土层渗透性大 ,渗透系数大于 500m/ d ,饱水 311 渗透规律分析 层的底板是基岩 ,地下水水位随着基岩顶板标高的 起伏而变化较大 ,饱水层厚度较小 ,地下水水位监测 分析上述的水文地质条件 ,粗颗粒土层在地表 期间 量 测 到 的 该 层 地 下 水 水 位 埋 深 为 13151 , 水的长期作用下 ,在水库库底 11,12m 深度范围内 13176m ,水位标高为 94119,94144m 。 地下水分布条形成了浅层地下水 ,其下形成了深层地下水 。 () 件参见场区水文地质剖面图 图 2。 浅层地下水与水库地表水之间存在密切的水力 联系 ,并主要接受地表水入渗补给 ,地下水动态与地 ( ) 表水基本一致 见图 3; 地下水的排泄方式主要为 垂向渗流 ,因此 ,即便在同一饱水层中不同深度监测 的地下水水位也不一致 ,即随着监测深度的增加而 地下水位标高降低 ,存在明显的垂向水头损失 。 图 3 水库水位及地下水水位动态曲线 图 2 场区水文地质剖面 注 :监测时间 :200619110,200619122注 :图中地下水位的量测时间为 200619129 早 9 :30 , 同期量测的 水库水位为 108 . 05m 。 深层地下水主要接受浅层地下水的渗流补给 , ,饱水层中地下水总水头不随深度变化 ,因此 ,其已知水头 L ; q 为第二类边界上的法线方向单宽流 2 - 1 Γ向渗流的水头损失可以忽略不计 。量 ,LT ; n 为第二类边界的外法线方向 ; 为第 1 Γ 2 数值模拟分析一类边界 ;为第二类边界 。 2 为了从理论上更好地分析粗颗粒地层在地表水 采用有限单元法对水库渗流场进行模拟 , 建立 作用下的普遍渗透规律 ,根据场区的水文地质条 的二维非稳定流问题的有限元方程如下 : d H ,并结合现场地下水水位的监测结果 ,建立了人工 [ G { H} + S ] { } = { E} + { B }()2 d t 库库区渗流场的二维非稳定流的数学模型如下 : 式中 , [ G ] 为 导 水 矩 阵 ; { H } 为 未 知 水 头 的 列 矩 阵 5 5 H 5 5 H + Kh Kh + W = 5 y 5 x5 y5 x d H () 向量; S ] 为给水矩阵 ; { } 节点水头对于时间d t H5 μ( )?Dx , y ( ) ( 一阶导数的列矩阵 向量; [ E ] 为源汇列矩阵 向 5 t ( ) 量 ; B ] 为边界列矩阵 向量。 有限单元法计算时( ))(H | = Hx , y1 t =0 0 单元网格剖分见图 4 , 计算 Γ( )在 上H = Hx , y , t 1 b ( ) 结果见图 5 总水头随垂向标高变化曲线。从图 5 5 H 5 H ( ( ) )Kh cos n , x+ Kh cos n , yΓ= q 在 上 2 可以看出 , 深层地下水的总水头不随深度变化 , 即在 5 x 5 y 饱水层中总水头是一定值 ; 而浅层地下水总体上由 - 1 于垂向渗流作用导致水头损失 , 总水头随着深度的 式中 , D 为 计 算 区 域 ; K 为 渗 透 系 数 , LT ; H 增加而减小 , 尤其在第 2 和第 4 饱水层中比较显著 , μ 水头 , L ; h 为 含 水 层 厚 度 , L ; 为 给 水 度 , 无 量 这也与其渗透系数较小相一致 , 即饱水层的渗透系 ; W 为单位时间 、单位面积上垂直方向的水交换 - 1 数越小其对水头的损失越大 。 ,LT ; H为初始水头 L ; H为第一类边界上的0 b 图 5 地下水总水头随垂向标高变化曲线 图 4 有限单元法计算单元网格剖分 内赋存浅层地下水 ,浅层地下水的赋存土层主要为 卵石或含粘性土的卵石 ,没有传统意义上的含水层 结语 和隔水层之分 。浅层地下水主要接受地表水体的补 ) 1人工水库库底下埋深约 11,12m 深度范围 ()下转第 49 页 水量 、正常涌水量和最大涌水量 。计算初始时刻为平均降水量和偏丰水年的雨季降雨量的矿坑疏干量 33 2007 年 7 月 1 日 ,其水头等值线由前述的校正后数 28548m/ d 和 30978m/ d 。分别为 值模型计算可得 ,如图 5 所示 。 6 结论 ) 1矿区寒武 - 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层在 未来铝土矿开采中将会是直接充水含水层 ,危害极 大 ,是三门峡铝土矿开采时地下水防治的重点 ,必须 采取疏干排水措施 。 ) 2采用试估校正法和 PEST 程序对模型的水文 图 5 2007 年 7 月 1 日的地下水流场( 模型计算) 地质参数进行分区反演 ,最终确定的模型误差小于 2 % ,观测孔的计算值和观测值拟合程度较好 。疏干井设 计 为 10 口 , 由 西 到 东 为 P1 , P10 , 位 3 ) 3采用 10 口疏干井以 5000m / d 抽水 629d 达 3置分布见图 6 。每口井以 5000m/ d 抽水 ,总疏干量 到预定的段村 420m 雷沟 320m 的疏干水平 ,用 Visu2 3为 50000m/ d 。抽水 629d ,即到 2009 年 3 月 21 日 , al Modflow 建立的模型来预测矿坑涌水量 ,计算得到 水位 变 化 已 趋 于 稳 定 , 并 满 足 段 村 420m 和 雷 沟 平水年的平均降水量和偏丰水年的雨季降雨量的矿 330m 疏干水平 。33 坑疏干量分别为 28548m/ d 和 30978m/ d 。 参考文献 1 吴剑锋 ,朱学愚 1 由 MODFLOW 浅谈地下水流数值模拟 () 软件的发展趋势 . 工程勘察 , 2000 , 2:11,15 Paul M Barlow ,Arlen W Harbaugh. USGS Directions in MOD2 2 () FLOW Development . Groundwater ,2006 ,446:771,774 Michael G McDonald ,Arlen W Harbaugh. The History of MOD2 3 图 6 2009 年 3 月 21 日的地下水流场 () FLOW. Groundwater , 2003 ,41 2:280,283 4 Nilson Guiguer. Waterloo Hydrogeologic Visual Modflow User′s512 定水头疏干 Manual . Ontario , Canada : Waterloo Hydrogeologic ,lnc ,2004 周根据段村 420m 雷沟 320m 定流量疏干后 的 水 念清 ,朱蓉 ,朱学愚 . Modflow 在宿迁市地下水资源评价 中5 头分布 ,我们将已建立的地下水模型给定第一类边 () 的应用 . 水文地质工程地质 ,2001 , 6:9,13 界条件 ,同时将疏干井改为定水头降水 ,计算定水头 Keith J Halford , Dann Yobbi . Estimating Hydraulic Properties 6 条件下矿坑的涌水量 。对大气降水量分别以平水年 Using a Moving2Model Approach and Multiple Aquifer Tests. () 的平均降水量 日降水 010017m/ d和偏丰水年的雨 () Groundwater , 2006 ,44 2:284,291 () 季降雨量 010062 m/ d输入模型 ,计算得到平水年的 (),其排泄以侧向径流为主 。非饱水带对其补给 上接第 23 页 给 ,地下水动态与地表水一致 ;浅层地下水以垂向渗 参考文献 流排泄为主 ,在同一饱水层中随着深度的增加总水 1 王大纯 ,张人权 ,等 . 水文地质学基础 . 北京 :地质出版社 , 头减小 ,这种水头损失大小与饱水层的渗透系数成 1995 反比 。 薛禹群主编 . 地下水动力学原理 . 北京 :地质出版社 ,19862 ) 2深层地下水赋存低于库底埋深 12m 以下的 曹剑峰 ,迟宝明 ,等 . 专门水文地质学 . 北京 :科学出版社 ,3 卵石 、漂石层中 ,饱水层的底板是基岩 ,地下水水位 2006 标高随着基岩顶板起伏而变化较大 ,饱水层厚度一 4 朱学愚 ,钱孝星 . 地下水水文学 . 北京 :中国环境科学出版 般较小 。深层地下水的补给主要是浅层地下水通过社 ,2005