碾盘山水库浸没问题研究

张著彬　向雄　范玉龙　熊友平　王涛

摘要：为了研究碾盘山水利水电枢纽工程水库浸没问题，为碾盘山水库蓄水后治理浸没灾害提供依据。采用解折法和数值模拟法，并参考碾盘山上游梯级丹江口水库浸没区判别方法及浸没程度评价和下游梯级兴隆水利枢纽库区两岸浸没治理，对水库产生浸没范围和影响程度进行综合判定。结果表明：通过解析法得到浸没区面积较数值模拟法大28.72 km2，验证了数值模拟法对水文地质参数、边界条件、降雨入渗补给量、侧向径流量、边界排泄量等参数敏感，尤其是地质体水文地质参数具有各向异性。

关键词：水库浸没； 数值法； 解析法； 碾盘山水利水电枢纽工程

中图法分类号：TV697.3 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.010

文章編号：1006-0081（2024）04-0059-06

0 引 言

1955年官厅水库蓄水运行后出现严重的水库浸没问题［1］，2000年以后建成的水利枢纽，如潮州供水水利枢纽、湖南湘江长沙综合枢纽及湖北汉江雅口、兴隆水利枢纽等工程，在建成运行后亦出现水库浸没问题。因此，水库浸没问题成为水库主要工程地质问题之一。

传统的水库浸没问题研究常用的方法为解析法，解析法结果比较准确，但实用性较差。张长征等［2］对兴隆水利枢纽库区两岸浸没分析，郑新等［3］对丹江口水库浸没区判别方法及浸没程度评价均采用解析法。近几十年来，随着地下水模拟软件快速发展，数值法越来越广泛应用于水库浸没问题研究，任云峰等［4］采用了三维渗流模型研究郑州龙湖引黄调蓄水池浸没问题。

碾盘山水利水电枢纽水库地势较平坦，水库蓄水后地下水位壅高，地下水埋藏变浅，易形成浸没问题。浸没问题可导致土壤盐碱化、沼泽化，甚至建筑物基础破坏失稳等，严重影响着人民的生命财产安全［5］。本文为确定合理的浸没防治措施、较好地治理浸没灾害，对碾盘山水库浸没问题开展重点研究。采取水文、工程地质勘察及观测等方法，获得不同地质结构下的水文地质条件，分区建立地下水流的三维数值模型，预测水库蓄水后的地下水流场特征，对水库浸没范围、影响程度进行判定。

1 工程概况

湖北省碾盘山水利水电枢纽工程位于湖北省荆门市钟祥市境内，是国务院确定的172项节水供水重大水利工程之一。坝址位于沿山头，上距在建的雅口航运枢纽58 km、丹江口水利枢纽坝址261 km，下距钟祥市区10 km。碾盘山水库正常蓄水位50.72 m，库容8.77亿m3，装机容量180 MW，年平均发电量6.16亿kW·h，为Ⅱ等大（2）型工程，工程开发任务以发电、航运为主，兼顾灌溉、供水，为南水北调中线一期工程的引江济汉工程良性运行创造条件［6］。

2 工程地质

2.1 基本地质条件

碾盘山水库属平原宽浅河道型水库，汉江流向大体上由北向南，地貌表现为汉江两岸的Ⅰ、Ⅱ级阶地及后缘的低丘、岗地，沿江漫滩、边滩、心滩发育。水库出露的地层主要有晋宁期花岗岩，白垩系（K）泥质粉砂岩、泥岩、粉砂岩、中粗砂岩等，新近纪（N）泥灰岩及第四系冲积松散堆积层。

2.2 水文地质条件

2.2.1 地下水类型

水库地下水主要为第四系松散堆积层孔隙潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水。孔隙潜水主要赋存于河床、漫滩、Ⅰ级阶地部位的冲洪积砂土、砂砾石层中，地下水位埋深3～6 m，受大气降水补给，向汉江排泄。孔隙承压水主要分布于汉江两岸河流Ⅰ、Ⅱ级阶地下部粉细砂、砂砾石层中，储存、运移于粉细砂、砂砾石间孔隙中，地下水储量丰富，运移活跃，大部分来自汉江河水补给，部分来自上部黏性土层孔隙潜水越流补给，地下水与汉江河水联系紧密，具有一定承压性，河水高水位时，河水补给地下水，河水低水位时，地下水补给河水。基岩裂隙水主要分布于低山丘陵区，于基岩裂隙中储存、运移，一般在山脚、坡脚处溢出，部分直接补给第四系松散堆积层孔隙水，排泄于汉江。

2.2.2 水文地质参数

为了获得水库区岩土体水文地质参数，对于水库可能产生浸没区域进行了水文地质勘察和试验，并开展了为期1个水文年的地下水观测。在水文地质勘察过程中，选取主要浸没区进行砂砾石抽水试验10次、壤土和砂壤土下渗试验20余次、试坑注水试验50余次，土的毛细管上升高度试验百余次、压水试验千余次，获得了岩土体渗透系数、毛细管上升高度及岩石的透水率等参数。主要土体渗透系数见表1。

3 数值法

3.1 数值模型选择及求解方法

3.1.1 数值模型选择

通过对碾盘山工程区水文地质条件的系统分析，依据地下水渗流连续性方程和达西定律，建立与区内水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型：

上式中：Hi，Mi分别为各层水头和厚度；Ki为各层水平方向渗透系数；H1为第一类边界水头值；q1为第二类边界流量值；Hi0为非稳定流模拟时的流场初始条件；ui为各层给水度，当地下水为潜水时为重力给水度，当地下水为承压水时为弹性给水度；ε为降雨入渗、蒸发、人工井采等源汇项；x，y，z，t为空间坐标和时间变量；n为边界外法线方向。

3.1.2 求解方法

（1） 数值模型边界赋值。汉江由北东向南西流，为给定水头的第一类边界条件，周边其他边界设为第二类边界条件。

（2） 水文地质参数赋值。根据已建立的地下水渗流数值模拟模型，利用水头函数求解地下水均衡方程，将计算结果和实测曲线进行拟合比较，调整参数初值，通过反复多次正演计算，使计算曲线与实测曲线符合拟合要求。

3.2 典型浸没区

碾盘山水库区沿江两岸汉江堤防有大集堤、潞市堤、中直堤、关山堤、南泉堤和联合堤。近坝区为联合堤、中直堤。联合、中直堤地面高程一般为45.0～48.0 m，较正常蓄水位（50.72 m）低2～5 m，是水库产生浸没的典型区域，数值模拟成果如下。

3.2.1 模型边界赋值

拟给定水头的第一类边界条件：北部水头42 m，南部水头39 m，平均水力梯度约0.2‰。模型中四周侧向边界：东部第一类边界为直河，为给定水头边界，上游为39.5 m，下游为39 m；北部、西部第二类边界为给定流量边界，侧向流量根据区域模型计算得出，取单位面积流量为0.001 6 m/d。

3.2.2 单元剖分

根据数值模型分层情况，该区平面上共剖分为158 710个单元，如图1所示。

3.2.3 水文地质参数赋值

联合-中直堤观测孔实测水头与模拟水头对比见图2。

据图2可知，两者误差多数小于0.25 m，最大为1.553 44 m，平均误差为2.069 18 m，均方差為2.010 88 m，表明拟合程度较好。经过模型识别后得到的水文地质参数优化值及其初始值见表2。

3.2.4 模拟结果

为了宏观判断天然条件下区内浸没范围，作出地下水位埋深等值线（图3），模拟完成后正常蓄水位下浸没范围分布（图4）。

数值模拟结果：① 天然条件下地下水埋深较深，该区埋深小于1.5 m的地区面积约为2.66 km2，占该区内总面积的1.06%。② 水库蓄水至正常蓄水位流场基本稳定后，在没有防治措施的情况下，严重浸没面积为6.63 km2，轻微浸没面积为5.14 km2。

3.3 数值模型对浸没防治措施效果分析与评价

联合-中直堤拟采用防渗墙、排渗沟和排水泵站等防治措施，在正常蓄水位条件下对工程防治措施效果进行了数值模拟。

（1） 排渗沟深1.5 m，顶宽4.5 m，底宽1.5 m，长度与堤防一致，距堤内坡脚5 m，见图5。

在联合-中直堤数值模型中加入治理措施，模拟的严重浸没区面积为1.10 km2，轻微浸没区面积为1.95 km2，严重和轻微浸没区分别减小5.53 km2和3.19 km2，降低比例分别为83.4%和62.1%，表明采用防渗墙、排渗沟和排水泵站等防治措施治理浸没灾害有较好的效果。

4 解析法

4.1 水库发生浸没的主要参数

4.1.1 地下水抬升高度

地下水起始水力坡度是土体抵御承压水抬升潜水地下水的程度指标，其计算公式为［7］

T=H0／（I0+1）（6）

式中：T为初见水位距下伏含水层顶板距离（地下水抬升高度）；H0为由含水层顶板起算的下伏含水层测压水位高度；I0为起始水力坡度。

4.1.2 毛管水上升高度

土层毛管水上升高度通过试验确定，对土体连续取样，进行土体饱和度测定［8］。土体饱和度大于80%以上即为饱和土，稳定的地下水面至土体饱和度

80%上限，这个高差即为毛管水上升高度，计算公式为

H毛=H地-H饱和（7）

式中：H地为地下水稳定水位高程，m；H饱和为土体饱和度在80%时对应的高程，m。

通过现场土工试验和钻孔观测水位数据，经计算壤土毛管水上升高度H为0.85～0.90 m，黏土毛管水上升高度H为 0.97～1.20 m，类比上游丹江口水库浸没判别方法和下游汉江兴隆水利枢纽两岸浸没治理，综合确定壤土、黏土毛管水上升高度统一取值1.0 m。

4.2 水库发生浸没判别标准

水库浸没区的判别应根据当地浸没的临界值与潜水回水埋深之间的关系确定，当预测的潜水回水位埋深小于浸没的临界地下水埋深时，该区为浸没区［9］。

4.2.1 临界地下水位埋深的确定

根据水库区水文地质条件，按式（8）确定地表土体产生浸没的临界地下水埋深Hcr［10］。

Hcr=Hk+ΔH（8）

式中：Hk为土层毛管水上升高度，m；ΔH为安全超高值，主要指根系厚度或建筑物基础埋深，m。

4.2.2 浸没判别方法和原则

（1） 对于砂土地基（典型地质剖面见图7），产生浸没临界地面高程按下式确定：

严重浸没临界地面高程：H地=H0+0.5（9）

轻微浸没临界地面高程：H地=H0+1.0（10）

式中：H0为正常蓄水位，H地为地面高程。

（2） 对于二元地层结构地层（典型地质剖面见图8），产生浸没临界地面高程按下式确定：

严重浸没临界地面高程：H′地=0.5+（H0-H顶）/（I0+1）+H顶 （11）

轻微浸没临界地面高程：H′地=1.5+（H0-H顶）/（I0+1）+H顶 （12）

式中：H′地为地面高程，H顶为承压含水层顶板高程。

（3） 表层为砂壤土含水层，按潜水地下水位+临界埋深与地面高程对比判别，计算公式为

严重浸没临界地面高程：H地=H0+0.5（13）

轻微浸没临界地面高程：H地=H0+1.5（14）

4.3 典型浸没评价

根据水库发生浸没判别标准，将联合堤作为典型区域进行浸没评价。对于二元结构地层计算成果见表3。

据表3可知：联合堤产生轻微浸没临界地面高程为45.1～48.6 m，严重浸没临界地面高程为45.1～47.6 m，得出联合浸没区严重浸没面积为7.90 km2，轻微浸没面积为12.88 km2。

5 数值模拟法与解析法对比分析

5.1 浸没区面积对比

采取数值模拟法和解析法获得水库浸没范围统计见表4。

对水库浸没区采取工程措施后，数值模拟法和解析法浸没面积对比见表5。

据表5可知，① 无措施下：严重浸没区解析法较数值模拟法大13.26 km2，增幅34.01%；轻微浸没区解析法较数值模拟法大15.46 km2，增幅47.09%。② 有措施下：经数值模拟后严重浸没面积4.93 km2，轻微浸没面积3.55 km2。

综上所述，通过解析法和数值模拟法确定的水库浸没面积存在有一定差异，解析法浸没区依据地面高程来划分浸没范围，其主要沿汉江堤防堤内地带分布，在垂直水流向呈宽度上变化，不受微地貌单元、水文地质参数等影响，因此，解析法判断的浸没区范围基本全覆盖，较数值模拟法确定的浸没区面积大，基本符合实际情况。

5.2 数值法和解析法数据及作用原理分析

根据浸没区面积对比来看，解析法较数值模拟法大。数值模拟对水文地质参数、边界条件较敏感，同时对降雨入渗补给量、侧向径流量、边界排泄量、回归流量等变量要求较高，因此水文地质参数、边界条件和相关变量对数值模型有较大的影响；且水文地质参数具有各向异性，在现场试验结合室内试验获得水文地质参数均为范围值，数值模型中参数赋入一般为具体值，在降雨下渗补给、侧向补给和边界排泄量等参量取值方面亦有一定局限，因此数值模拟法结果偏小基本符合实际情况。

解析法计算公式中主要参数（毛细管上升高度、土体起始水力坡降）均可通过现场试验和室内试验获得较为准确的数据，受影响的参数较少［11］。依据公式计算产生轻微浸没、严重浸没临界地面高程，根据计算结果，依据碾盘山水库区地形图确定浸没区面积，计算结果精度较高。

碾盘山水库区范围大，汉江滩地、Ⅰ、Ⅱ级阶地及微地貌（沟渠、低洼地、水塘等）较发育。碾盘山水库浸没区面积应综合数值模拟法和解析法确定，考虑到浸没灾害产生不利影响巨大，因此拟采取治理措施以解析法浸没区面积作为主要参考依据。

6 结 论

（1） 研究区属高度河网化的平原农耕地区，地势平坦，微有起伏，地表水体纵横密布，形态各异。天然状态下，地表水、地下水转换频繁，水文地质特征较为复杂。采取解析法与数值模拟法相结合的方法研究水库浸没问题，使该工程地质问题的分析和评价更客观、准确。

（2） 数值模拟法可将拟采取的工程措施（防渗墙、排渗沟、排水泵站或压渗抬高等）加入模型中，获得浸没区地下水高程和埋深变化等数据，评价浸没灾害治理效果更有依据和说服力。

当前碾盘山水库已蓄水至一期（46 m）高程，在浸没区布设地下水监测孔，对浸没区地下水位进行为期2 a的地下水监测，以获得蓄水后地下水变化数据，进一步完善水库浸没问题研究，为浸没治理提供更加准确、可靠的水文地质依据。

参考文献：

［1］王延学，李英海，屈志勇，等.官厅水库浸没问题的研究与治理［J］.水利水电工程设计，2007，26（3）：47-49.

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［3］郑新，张丙先，邓争荣，等.丹江口水库浸没区判别方法及浸没程度评价［J］.人民长江，2011，42（7）：20-23.

［4］任云峰，曹建中，魏常琪.郑州龙湖引黄调蓄水池浸没问题研究［J］.人民长江，2013，44（16）：90-94.

［5］李鹏，焦振华.平原型水库浸没预判方法探讨［J］.资源环境与工程，2015，29（5）：662-666.

［6］李帆，车林源.潮州供水枢纽工程浸没初测及防治对策［J］.西部探矿工程，2005，17（10）：225-227.

［7］周晓倩．毛细管上升高度试验测定土的水理性能研究［J］．技术研发，2012，19（4）：148.

［8］马冲，胡斌，詹红兵，等.出山店水库环岛形地块浸没问题研究［J］.人民长江，2016，47（13）：53-55.

［9］住房和城鄉建设部.水利水电工程地质勘察规范：GB 50487-2008［S］.北京：中国计划出版社，2008.

［10］饱立新，佟胤铮.阎鼻子水库浸没问题的分析［J］.东北水利水电，2002，3（21）：37-39.

（编辑：李 晗）

Research on inundation problem of Nianpanshan Reservoir

ZHANG Zhubin1，XIANG Xiong1，FAN Yulong1，XIONG Youping1，WANG Tao2

（1.Hubei Provincial Water Conservancy and Hydropower Planning，Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430064，China；2.Environmental College，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract： In order to study the inundation problem of Nianpanshan Reservoir and provide a basis for the control of inundation disasters after the storage of Nianpanshan Reservoir，a combination of analytical method and numerical simulation method were adopted，and the immersion range and impact degree of the reservoir was determined comprehensively by referring to the research and treatment of inundation problem of Danjiankou Reservoir at upstream and Xinglong Water Conservancy Hub at downstream.The area of severe and slight immersion calculated by analytical method was 28.72 square kilometre larger than that by numerical simulation method.It was verified that numerical simulation was sensitive to hydrogeologic parameters，boundary condition，precipitation recharge，lateral runoff and boundary discharge，and all the parameters were anisotropic.

Key words： reservoir inundation； numerical method； analytic method； Nianpanshan Reservoir

收稿日期：2023-07-28

作者简介：张著彬，男，高级工程师，主要从事水利水电勘察设计工作。E-mail：361640629@qq.com

通信作者：向 雄，男，高级工程师，主要从事水利水电勘察设计工作。E-mail：13904610@qq.com