河口村水库渗流场数值模拟及防渗效果分析

孙璐 蔡金龙 郭其峰 孙志锋

河口村水库位于沁河中游太行山峡谷段的南端，属河南省济源市。水库正常蓄水位275.00 m，最大坝高122.50 m，坝址以上控制流域面积9 233 km2，总库容3.17亿m3，电站总装机11.6 MW，工程规模为大（Ⅱ）型。

河口村水库库坝区发育透水与隔水互层状岩体，局部地段岩溶现象较为发育，水库的岩溶渗漏问题是困扰工程的关键地质问题之一[1-2]。勘察设计阶段已通过大量勘测试验对水库渗漏问题进行了研究，并针对库坝区可能发生永久性渗漏的地段采取了帷幕防渗等措施[3-5]。

2014年10月河口村水库正式下闸蓄水后，为了监测库水渗流情况，验证两岸防渗帷幕的防渗效果，建立了河口村水库渗流监测网。本文在勘察设计阶段渗流分析的成果基础上，结合水库蓄水后的渗流监测成果，运用数值模拟方法，计算分析了水库不同运行条件和防渗措施的水库渗流量，提出防渗帷幕加强处理措施[6]，并评价帷幕局部加强后的运行效果。

1 库坝区水文地质条件

1.1 地层结构

河口村水库处于太行山中山峡谷区，是典型的峡谷河道型水库，沁河主要沿NWW、NNE两组节理裂隙发育。库坝区基岩裸露，为古生代灰岩地貌形态。库坝区出露的地层由老到新分别为前震旦系太古界登封群、震旦系中元古界汝阳群、古生界寒武系、奥陶系、新生界第四系。

库坝区基岩为多层状可溶岩与非可溶岩相间的岩体。下部为太古界登封群及中元古界汝阳群的变质岩、碎屑岩，为非可溶岩层，出露在坝址区河床和河谷两岸。中下部由寒武系馒头组下部地层组成，岩性为白云岩、泥灰岩及页岩，发育有溶孔、溶洞等溶蚀现象，受构造影响，岩体破碎，该层出露在张庄以下河谷两岸及坝肩，底板高程180～282 m，低于水库正常蓄水位，是构成水库渗漏的主要层位。库盘上部为寒武系馒头组上部、毛庄组、徐庄组页岩、灰岩、砂岩互层，由于可溶岩与非溶岩相间迭置，垂直渗流不畅，岩溶不太发育。库盘顶部为张夏组、徐庄组灰岩，溶洞发育，透水性强，但其分布高程在275 m以上，高于水库正常蓄水位，对水库渗漏影响不大[7-8]。见表1。

表1 库坝区地层分布及岩溶构造发育特征表

1.2 地质构造单元与岩溶发育规律

根据构造形迹，库坝区由北至南可分为3个构造单元，在不同的构造分区岩溶发育的规模和程度不同。余铁沟-老断沟以北，为单斜构造区，断裂与褶皱不发育，构造形迹微弱，岩溶形态以小溶孔、溶隙为主，总体上岩溶不发育。余铁沟-老断沟以南至五庙坡断层间，为龟头山褶皱断裂发育区，该段断层、褶皱发育，岩体破碎，馒头组下部岩层岩溶程度较高，多呈不规则的小溶洞，该层由于裂隙发育，岩溶连通性较好。五庙坡断层以南至盘谷寺断层北支（F1）之间，为断层密集区，岩溶发育主要集中在断层及其影响带内，表现为沿断层发育的串珠状溶洞，在该区其它断层不发育的地段岩溶现象不明显。

1.3 岩溶水文地质单元

如图1所示，根据水文地质特点，结合地形地貌和地质构造条件，库坝区可划分为3个基岩水文地质单元区：（1）余铁沟-老断沟以北的单斜构造双层含（透）水层区（I），该区为双层含水结构，上层含（透）水层为寒武系徐庄组上部、张夏组岩溶含水岩组，该含水岩组由于分布高程较高，对水库渗漏影响不大；下部含（透）水层为寒武系馒头组下部构造透水层，水库蓄水后，该透水层将成为单斜构造区库水向外渗漏的主要通道；上下两层含（透）水层之间有约100 m的弱透水层相隔。（2）龟头山褶皱断裂混合透水层区（Ⅱ），透水介质为碎屑岩类裂隙型含水岩组，该区地下水沿五庙坡断层带以北，有一个近东西向的弱透水带分水岭，分水岭北侧向河床排泄，南侧向五庙坡断层带及断层以南区排泄，为左岸水库渗漏的主要通道。（3）五庙坡断层以南断层密集带低水位区（Ⅲ），径流方向总体上由北向南，主要排泄方式为沿断层带向深部径流排泄，该区临近水库主体工程，地下水位普遍较低，与水库渗漏关系密切。

图1 库坝区地质构造单元及基岩水文地质单元分区简图

2 水库渗漏途径及渗流监测分析

通过对河口村水库库坝区地形地貌、地层岩性的分布特征、地下水位、岩溶发育及岩体透水性规律的分析[9-10]，右岸渗漏主要集中在余铁沟-老断沟以北的单斜构造区，存在自吓魂滩向余铁沟、疙料滩岸坡向余铁沟的渗漏问题，渗漏途径为近岸区岩溶发育、风化卸荷岩体和远岸区下部构造透水层；左岸渗漏主要集中在龟头山褶皱断裂区，渗漏途径为沿断裂发育区破碎岩溶化岩体或下部构造透水层渗漏；在坝址区，坝肩两侧存在库水的绕坝渗漏，此外河床坝基由于存在砂砾石层以及风化岩体，也存在坝基渗漏问题。根据前期渗漏量估算（表2），左岸的渗漏量最大，主要集中在坝肩至老断沟向五庙坡断层带渗漏；其次是河床坝基区渗漏量较大；右岸的渗漏量最小，且随着远离河岸渗漏量逐渐减小。

表2 水库主要渗漏段渗漏量汇总表 m3/d

根据库坝区渗漏途径分析和渗漏量计算，河口村水库库坝区两岸普遍分部有岩溶构造透水层，同时还存在多个类似“Ω”的河曲及库外低邻谷，水库可能产生永久性渗漏的范围较广，考虑到远离近坝区库段产生的渗漏量占总渗漏量的比例较小（不足10%）、全面防渗代价过高等因素，水库在设计时仅针对近坝库岸段渗漏集中部位（占总渗漏量90%）采取了帷幕防渗措施。防渗的重点在左岸的龟头山褶皱断裂区坝肩-老断沟段、坝基以及右岸的近岸区，其它地段可不进行防渗，但后期应加强监测。施工阶段防渗帷幕的布置情况为：左岸防渗帷幕方向沿五庙坡断层带以北平行五庙坡断层带向东延伸跨越老断沟200 m左右，止于单斜构造区；右岸近岸区防渗帷幕线与坝轴线一致，远岸区因岩体透水性有减弱趋势，绕渗量不大，不再全面进行帷幕防渗；坝基基岩防渗帷幕线在ZK166钻孔附近与右岸防渗帷幕相接，沿混凝土面板趾板与左岸防渗帷幕线相接。

为监测河口村水库正常运行后的地下水渗流情况，2016年在库坝区布设18个地下水监测孔，监测孔均穿透寒武系馒头组构造透水层，孔底进入汝阳群地层中。根据地下水渗流监测成果可知：帷幕上游监测孔的水位大多高于帷幕下游监测孔，说明防渗帷幕对库水起到了阻挡作用。但位于左岸帷幕下游的监测孔JC10水位与库水联系较强，右坝肩帷幕下游监测孔JC06、JC07与帷幕上游监测孔JC09的地下水位相差不多，且与库水位同步变化，表明左岸五庙坡断层带及右岸帷幕末端附近的地下水与库水联系密切，左岸帷幕局部地段止水效果需要提升，右岸帷幕需要延长。

3 水库渗流及防渗效果数值模拟分析

3.1 水文地质概念模型

对于模型边界的概化，东部以山口河与白涧河之间的分水岭为界；西部以鱼天隧洞以西的分水岭为界，作为零流量边界；北部边界沿玫沟镇山脊连线，以地形分水岭为界，作为零流量边界，与河道相交处，采用通用水头边界；南部边界沿盘古寺断裂以南的F21、F23断层连线向东延伸，位于五庙坡断层以南的断层密集带低水位区，地下水排泄通畅，且该处为河水补给地下水，作为地下水排泄边界。模型区面积约46.23 km2，顶部为现状地表，主要接受大气降雨的面状补给，底部以透水性较弱的太古界登封群及元古界汝阳群新鲜岩体为界，可视为隔水边界。模型地表中，坝址下游沁河采用通用水头边界，坝址上游库水淹没线以下节点均作为定水头边界，其水头值采用实测库水位变动的时间序列数据。

根据水文地质特征，垂向上将模型区划分为4层，第一层以张夏组、徐庄组、毛庄组、馒头组上部等地层为主，透水性以中等-弱透水为主，高程300 m以上；第二层以寒武系馒头组∈1m1、∈1m2、∈1m3和∈1m4下部为主，透水性以中等透水为主，高程在235～300 m；第三层为登封群或汝阳群上部，透水性以弱透水为主；第四层为第三层向下约20 m，假设该深度内地下水运动受上层流动影响微弱，透水性以弱透水-微透水为主。

3.2 地下水渗流数值模型的建立

本次数值计算采用FEFLOW软件，用三维有限单元法将模型区离散为不规则三角形网格，对河道、坝轴线及帷幕线等进行加密剖分，垂直方向上分4个模拟层，模型顶板高程按1∶10 000数字地形图确定，模拟层的厚度依据前述地层结构进行概化。如图2所示。

图2 模型网格剖分三维视图

模型中参数选取综合考虑水文地质单元分区和岩体透水性，库坝区两岸的渗透系数等参数将近20个，采用广义回归神经网络（GRNN）来反演各参数，经过多次的分析与校正，最终得到的模型各分区、分层的参数如图3所示及表3。根据地下水渗流监测期高水位运行时间（2016年8月至2017年3月）的监测孔水位记录，将库水位时间序列数据到入模型，通过模型的非稳定流计算及调整参数，并通过各监测点水位变化情况的拟合对比，完成模型校验[11]。

表3 原参数建议值与模型参数最终取值 m/d

图3 模型第二层渗透系数取值示意图

3.3 渗流计算与分析

3.3.1 工况分析

根据水库运行情况，对于库坝区的渗流场模拟主要分两种情况进行分析：（1）水库现状蓄水位238 m时，库坝区渗流场的变化；（2）预测达到正常蓄水位275 m高程时，库坝区渗流场的变化。

根据水库渗流监测分析结果，考虑对帷幕存在缺陷的段落局部加强，假定对右岸帷幕在现有帷幕的基础上继续向北西西方向山体内延长约90 m，对左岸帷幕从溢洪道向左岸山体延长至观测孔ZK76，为了分析不同帷幕条件下水库渗流量的变化情况，本次计算共设定以下4种不同工况进行水库渗流量的预测。

工况1：水库长期以现状蓄水位238 m稳定运行。

工况2：库水位达到正常蓄水位275 m高程，且长期以该水位稳定运行。

工况3：在工况1的基础上，对帷幕进行局部加强。

工况4：在工况2基础上，对帷幕进行局部加强。

3.3.2 渗流量对比分析

根据采取防渗措施前的解析解计算结果，正常蓄水位时，河口村水库不采取帷幕措施的情况下，总渗流量为29.9万m3/d。根据数值模拟计算结果，在现有防渗体系情况下，水库蓄水位238 m时（工况1），总渗流量约为2.40万m3/d，其中沿灌浆帷幕线的渗流量1.46万m3/d，占总渗流量的60.83%。在现有防渗体系情况下，水库蓄水位275 m时（工况2），总渗流量约为4.54万m3/d，其中沿灌浆帷幕线的渗流量2.97万m3/d，占总渗流量的65.42%。水库蓄水位238 m时，帷幕加强后（工况3），水库总渗流量约为1.86万m3/d，其中沿灌浆帷幕线的渗流量为0.92万m3/d，占总渗流量的50.00%。水库蓄水位275 m时，帷幕加强后（工况4），水库总渗流量约为3.47万m3/d，其中沿灌浆帷幕线的渗流量为1.93万m3/d，占总渗流量的56.94%。见表4。

表4 各工况渗流量对比分析一览表

3.3.3 防渗效果分析

根据数值模拟计算结果可知（见表4），由于施工阶段已对渗流量较大的渗流通道做出防渗措施，且防渗范围涵盖了渗透性能较好的岩层和渗漏段，水库蓄水后的渗流量与防渗前解析解计算结果（见表2）相比，防渗措施减少了80%～90%的渗流量。在现有防渗体系情况下，库坝区帷幕段渗流量占总渗流量的60%以上，主要渗流通道为左岸帷幕段及右岸帷幕末端，若库坝区帷幕段采取局部加强防渗措施后，水库渗流量将明显减小，表明帷幕的渗透性对水库渗流量影响显著，应对左、右岸渗流量较大段采取防渗加强措施，并且要确保防渗帷幕施工质量[12]。

根据水库库坝区渗流监测分析及数值计算结果，对左、右岸帷幕段渗漏量较大的段落，需要采取帷幕加强措施来提升止水效果。左岸帷幕加强段从溢洪道向左岸山体延长至观测孔ZK76，帷幕加强后，该段帷幕后山体地下水位不受库水波动影响，表明帷幕阻隔了该段库水和帷幕后山体间的水力联系，改变了库水向山体渗流的趋势。右岸帷幕加强段沿原右岸帷幕线端部向北西西方向延长新增约90 m，帷幕加强后，右坝肩帷幕下游218 m处的监测孔（ZK153）水位，从原来低于库水位4.0 m，到2019年10月逐渐下降到低于库水位10.1 m，帷幕前后水位差明显扩大，表明帷幕止水效果良好。

4 结 语

（1）受岩溶发育和地质构造的控制作用，河口村水库左、右岸和坝基均存在不同程度的渗漏，对水库渗漏影响较大的是岩溶发育的左岸龟头山褶皱断裂区、右岸近岸区及坝基，前期防渗帷幕的设计和实施也重点集中在这些强渗流地段。

（2）根据蓄水后渗流监测和数值模拟计算结果，对渗流量较大的渗流通道采取防渗措施后，减少了80%～90%的渗流量，有效地阻挡了库水向外渗漏。但由于河口村水库设计之初即允许有一定的渗流量存在，水库蓄水后，坝址区左、右岸及坝基仍有渗漏现象存在，左、右岸局部地段帷幕的止水效果需要提升。

（3）库坝区帷幕段采取局部加强防渗措施后，帷幕前后水力联系减弱，水位差明显扩大，水库渗流量明显减小，表明帷幕止水效果良好。