降雨入渗对地下厂房涌水量的影响-职称论文

　　降雨入渗对地下厂房涌水量的影响
　　高正夏张香玲
　　(河海大学土木工程学院南京210098)
　　
　　[摘要]：地下工程与地表水体存在直接的水力联系时，降雨入渗也是涌水量的补给来源之一。以惠州抽水蓄能电站地下厂房为例，分析降雨入渗的影响因素，确定降雨入渗补给系数，并计算因降雨入渗补给增加的地下厂房涌水量。
　　[关键字]：降雨入渗；地下厂房；影响因素；降雨入渗系数；涌水量
　　1引言
　　地下工程涌水量可分为地下水静储量和动储量。前者为地下工程围岩空隙中所赋存的地下水，后者则以地下径流形式存在于含水围岩中。地下工程涌水初期水量由这两部分水量组成，随着时间推移，岩体空隙水逐步减少，最后趋向一个相对稳定值，涌水量与补给量持平。此时补给量主要为地下水动储量，它与地表水体或其它地下水体有直接的水力联系，其大小取决于含水围岩规模、补给条件、径流条件和排泄条件等。
　　抽水蓄能电站地下厂房为大面积集中的地下洞室群体工程，置于相对完整的岩体内，厂房地表地形较平缓，植被发育，有利于降雨入渗；所处岩体裂隙发育，有利于地表水及浅层地下水下渗到岩体深部，并通过断层等涌水通道进入地下厂房，因此降雨入渗也是地下厂房涌水的补给来源之一。以惠州抽水蓄能电站地下厂房为例，分析影响降雨入渗的因素，并确定因降雨入渗补给增加的地下厂房涌水量。
　　2电站区区域地质概况
　　2.1水文气象
　　惠州抽水蓄能电站位于广东省惠州市博罗县郊区，地处北回归线。工程区范围为北纬23°16′00″～23°19′00″，东经114°17′30″～114°22′30″，属亚热带季风性气候。区内雨量丰沛，阳光充足，日照时间长，蒸发量大，受台风影响较大。多年平均降雨量在1710～2800mm之间。暴雨多集中在4~9月，降雨量占年降雨量的80%以上，其中4~6月主要为锋面雨，7~9月主要为台风雨，其特点是降雨强度大，次数频密。
　　工程区降雨在地区上的分布受地形地貌影响，呈东南向西北递减的趋势，在罗浮山一带包括象头山因地形影响形成一个暴雨中心。
　　2.2地形地貌
　　电站区内地形由中低山和丘陵盆地组成，地面坡度5°～25°。地下厂房区地表地形较平缓，占据面积约200×350m2，处在北东向和近南北向条形山脊所夹持的汇水地形下部，有利于降雨下渗。地表水及地下水往厂房区方向汇集，流经厂房区后往下库排泄。
　　2.3地层岩性
　　厂房区山坡及山脊坡残积层不太发育，厚度为0～2.75m，部分位置厚达5.5～7.6m，主要分布在山坡及坡脚。坡残积层（Qdl）为主要为粉土、砂质粉质粘土、砂质粘土,多含植物根系，母岩为花岗岩或混合岩，含少量强风化状碎石。地表可见强~弱风化花岗岩基岩出露，出露程度约为30％。
　　2.4植被
　　地表植被发育，厂房区山坡非基岩裸露区均被植被覆盖，以杂草及灌木、杂木为主，部分为杉树、松树。
　　2.5地质构造
　　厂房区地质构造以裂隙、断层、岩脉为主。裂隙主要为NNW、NE、NW组，有利于地表水下渗至岩体深部。f304断层为厂房区的控制性断层，宽度达10～15m，为地下水的主要“输水廊道”。
　　2.6地下水埋深
　　根据钻探终孔稳定地下水位及冲沟地表水位，山坡、山头上地下水位埋深不大于45m，地下厂房洞室群在地下水位以下250-350m，地下厂房埋深320～340m。
　　3影响降雨入渗的因素分析
　　降雨入渗受到多种因素影响，影响结果综合反映在地下水位的变化上，影响主要因素包括：
　　3.1降雨因素
　　降雨量的多少、降雨强度、降雨历时直接影响地下水的补给量。降雨量与相应的入渗补给量和入渗补给系数呈正比关系。降雨强度小于入渗速度时，雨强增大，入渗量增加，反之入渗量减小，当雨强与入渗速度相近时，补给地下水为最佳。在降雨量相近情况下，降雨历时越长，消耗于蒸发的降雨量越多，所以降雨历时较短，降雨入渗补给量和入渗补给系数较大。在两次降雨间隔时间较短时，补给过程重叠，在第二次降雨消耗于包气带中的雨量要小，这样也会增大入渗补给量和降雨入渗补给系数[1]。
　　3.2地形地貌
　　随着坡度增加，降雨所形成的坡面水流流速越大，水流厚度愈小，水流正压力也愈小，入渗能力降低[2]。一般情况下，山地、丘陵入渗较快，低平地区入渗有快有慢，但以慢者居多。在同一坡向上，坡顶的初始入渗率大，而入渗率随时间衰减较快；坡脚的初始入渗速率小于坡顶的，但坡脚的入渗速率随时间下降较慢，且稳定入渗率要大于坡顶[3]。
　　3.3地层岩性
　　地层岩性，特别是包气带岩性决定降雨入渗能力和渗透系数，从而影响地表产流以及土壤水的运动，进而影响降雨入渗补给量。包气带中土壤颗粒越粗，磨圆及分选性越好，渗透性越强，湿润性越强，湿润峰面下移越快，入渗补给量就大，反之入渗补给量小。
　　3.4植被
　　植被有利于降雨补给地下水，一方面植被阻滞了地表坡流，另一方面植被土壤有机质多，结构性好，植物根系使地表土透水性加强。同时植被使水分蒸发加快，相对减少入渗补给，其结果取决于二者起主导作用的一面。
　　3.5地下水埋深
　　在降雨因素及其他条件相近的情况下，地下水埋深小易形成地面径流，入渗量小；埋深增大，下渗雨量大部分充填于非饱和带土壤,使补给量逐渐减小,所以存在最佳埋深范围,在此埋深范围内，入渗补给量最大。这时可入渗水量和重力水库容相等,即为降雨入渗的最佳埋深。因重力水库容曲线不变,雨量(可入渗水量)越大,最佳埋深也越大。
　　这些影响因素根据其随时间变化的特征分为是时变因素和相对时不变因素。如降雨因素，是一个随时间变化的随机变量；而另一些因素，如地形地貌、地层岩性，是在漫长的地质年代里形成的，一旦研究区域确定，这些因素当作不变因素。降雨入渗补给系数受这些因素的共同作用，变化规律十分复杂，但随着研究时段的加长，这些因素往往又具有周期性变化的特点[4]。
　　4降雨入渗补给系数分析
　　降雨对地下水的垂直入渗补给可以用降雨入渗补给系数来表征其强弱，表达式为：
　　式中，—降雨入渗补给系数，—降雨入渗补给量(mm)，—降雨量(mm)。
　　有次、年、多年降雨入渗补给系数之分，的大小直接反映了不同次降雨量、不同地下水埋深对地下水的补给差异及变化规律，同时也表明不同地层条件及岩性结构与降雨入渗补给量的关系。
　　由于降雨入渗补给系数与地下水位变幅有关，可以利用降雨后地下水位上升大小来计算次降雨入渗补给系数。选取地下水水平径流微弱的地下水井孔资料,在地下水位动态过程线上摘取由次降雨量引起的地下水位升幅值，由单井雨量升幅值求得：
　　(1)
　　式中：—次降雨入渗补给地下水量(mm)；—次降雨量(mm)
　　由于地下水动态观测资料受各种因素影响，单井资料难以确定年内各次降雨引起的地下水位升幅值。选用相同岩性的群井资料，按埋深分级进行分析计算。通过实测点据回归建立关系：
　　(2)
　　式中：—所取次雨量，—前期影响雨量。其中，—本次降雨前i天的雨量，k—递减系数，一般在0.8～0.9之间，取k=0.85，i=15(日)[5]
　　借助上述关系插补了实测不到的，将所求代入(1)式中得到次降雨入渗补给系数。
　　根据(1)式，利用不同降雨量地下水位上升大小计算次降雨入渗补给系数(表1和表2)。
　　表1降雨量为83mm时不同观测点的次降雨入渗补给系数大小
　　观测孔次降雨量
　　(mm)
　　水位埋深
　　(m) 水位上升
　　(m)
　　次降雨入渗补给系数
　　入渗补给系数
　　均值
　　zk1034 83 16.26 0.55 0.199 0.244
　　zk1038 83 16.30 1.02 0.368
　　zk1051 83 28.99 0.50 0.180
　　zk1049 83 18.81 0.39 0.141
　　zk1052 83 12.18 1.82 0.657
　　zk1060 83 12.27 1.06 0.383
　　zk1027 83 25.52 0.41 0.148
　　zk1061 83 8.02 0.20 0.072
　　zk1064 83 8.68 0.54 0.195
　　zk1042 83 34.27 0.61 0.220
　　zk1044 83 29.02 0.53 0.191
　　zk1045 83 14.67 0.18 0.065
　　zk1062 83 41.05 0.97 0.350
　　表1降雨量为45mm时不同观测点的次降雨入渗补给系数大小
　　观测孔次降雨量
　　(mm)
　　水位埋深
　　(m) 水位上升
　　(m)
　　次降雨入渗补给系数
　　入渗补给系数
　　均值
　　zk1034 45 13.55 0.72 0.479 0.106
　　zk1038 45 14.54 0.09 0.060
　　zk1051 45 27.18 0.14 0.093
　　zk1049 45 16.86 0.38 0.253
　　zk1052 45 9.59 0.05 0.033
　　zk1060 45 12.22 0.01 0.007
　　zk1027 45 23.66 0.03 0.020
　　zk1061 45 7.17 0.15 0.100
　　zk1064 45 6.99 0.13 0.087
　　zk1042 45 33.31 0.03 0.020
　　zk1044 45 28.13 0.16 0.107
　　zk1045 45 12.88 0.04 0.027
　　zk1062 45 38.86 0.14 0.093
　　从表1和表2可以看出，由于每次降雨量不同，即使对同一观测点而言，所计算也不等。因此为了便于应用，通常采用有效降雨入渗补给系数来表示。将降雨量大小分成不同等级，在不同降雨量等级上计算降雨入渗补给系数。本研究将降雨量分为如下5个等级：即mm、mm、mm、mm、mm，计算每个降雨时段对应的有效降雨入渗补给系数，大小分别为0.102、0.131、0.165、0.198、0.244。
　　5考虑降雨入渗补给时地下厂房涌水量的计算
　　降雨入渗补给量指降雨渗入到地层中并在重力作用下下渗补给地下水的量,其计算式为：
　　(3)
　　式中：—降雨入渗补给量(m3)，—降雨入渗补给系数，—计算区降雨量(mm/d)，—计算区面积(km2)
　　惠州抽水蓄能电站地下厂房，分为2个互相独立的地下厂房A厂和B厂，主要洞室群包括主副厂房、主变洞、母线洞、尾水闸门廊道、尾闸运输洞、高压电缆洞、交通洞、通风洞、排水廊以及自流排水洞等组成(图1)。
　　图1地下厂房洞室群平面布置示意图
　　当计算地下厂房涌水量，考虑降雨入渗补给对地下厂房涌水量的影响：
　　(4)
　　式中：－因降雨入渗增加的涌水量（）；－涌水系数；－有效降雨入渗补给系数；P0－降雨量（mm/d）；－降雨入渗补给面积（）
　　利用(4)式计算出在不同有效降雨入渗系数条件下因降雨入渗增加的地下厂房涌水量(表3）
　　表3不同有效降雨入渗系数条件下因降雨入渗增加的地下厂房涌水量（m3/d）
　　有效降雨入渗系数 0.102 0.131 0.165 0.198 0.244
　　A厂房 100.9392 259.2752 489.852 832.7484 1207.312
　　B厂房 99.4908 255.5548 482.823 820.7991 1189.988
　　A、B厂房交通洞 25.2348 64.8188 122.463 208.1871 301.828
　　参考文献
　　[1]崔凤铃.降雨入渗若干影响因素研究进展综述[J].西部探矿工程2007,6:84-86.
　　[2]周星魁,王忠科,蔡强国.植被和坡度影响入渗过程的试验研究[J].山西水土保持科技,1996(6):10-13.
　　[3]康绍忠,张书函,聂光镛等.内蒙古敖包小流域土壤人渗分布规律的研究[J].土壤侵蚀与水土保持学报,1996,2(2):38-46.
　　[4]吴继敏,郑建青,高正夏,汤瑞凉.次降雨入渗补给系数的模型研究[J].河海大学学报,1999,11(6):7-11.
　　[5]许坤.降水量与地下水补给量的关系分析[J].地下水,2004,12(4):272-274.