降雨入滲對地下廠房涌水量的影響
　　高正夏張香玲
　　(河海大學土木工程學院南京210098)
　　
　　[摘要]：地下工程與地表水體存在直接的水力聯(lián)系時，降雨入滲也是涌水量的補給來源之一。以惠州抽水蓄能電站地下廠房為例，分析降雨入滲的影響因素，確定降雨入滲補給系數(shù)，并計算因降雨入滲補給增加的地下廠房涌水量。
　　[關鍵字]：降雨入滲；地下廠房；影響因素；降雨入滲系數(shù)；涌水量
　　1引言
　　地下工程涌水量可分為地下水靜儲量和動儲量。前者為地下工程圍巖空隙中所賦存的地下水，后者則以地下徑流形式存在于含水圍巖中。地下工程涌水初期水量由這兩部分水量組成，隨著時間推移，巖體空隙水逐步減少，最后趨向一個相對穩(wěn)定值，涌水量與補給量持平。此時補給量主要為地下水動儲量，它與地表水體或其它地下水體有直接的水力聯(lián)系，其大小取決于含水圍巖規(guī)模、補給條件、徑流條件和排泄條件等。
　　抽水蓄能電站地下廠房為大面積集中的地下洞室群體工程，置于相對完整的巖體內(nèi)，廠房地表地形較平緩，植被發(fā)育，有利于降雨入滲；所處巖體裂隙發(fā)育，有利于地表水及淺層地下水下滲到巖體深部，并通過斷層等涌水通道進入地下廠房，因此降雨入滲也是地下廠房涌水的補給來源之一。以惠州抽水蓄能電站地下廠房為例，分析影響降雨入滲的因素，并確定因降雨入滲補給增加的地下廠房涌水量。
　　2電站區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況
　　2.1水文氣象
　　惠州抽水蓄能電站位于廣東省惠州市博羅縣郊區(qū)，地處北回歸線。工程區(qū)范圍為北緯23°16′00″～23°19′00″，東經(jīng)114°17′30″～114°22′30″，屬亞熱帶季風性氣候。區(qū)內(nèi)雨量豐沛，陽光充足，日照時間長，蒸發(fā)量大，受臺風影響較大。多年平均降雨量在1710～2800mm之間。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月主要為鋒面雨，7~9月主要為臺風雨，其特點是降雨強度大，次數(shù)頻密。
　　工程區(qū)降雨在地區(qū)上的分布受地形地貌影響，呈東南向西北遞減的趨勢，在羅浮山一帶包括象頭山因地形影響形成一個暴雨中心。
　　2.2地形地貌
　　電站區(qū)內(nèi)地形由中低山和丘陵盆地組成，地面坡度5°～25°。地下廠房區(qū)地表地形較平緩，占據(jù)面積約200×350m2，處在北東向和近南北向條形山脊所夾持的匯水地形下部，有利于降雨下滲。地表水及地下水往廠房區(qū)方向匯集，流經(jīng)廠房區(qū)后往下庫排泄。
　　2.3地層巖性
　　廠房區(qū)山坡及山脊坡殘積層不太發(fā)育，厚度為0～2.75m，部分位置厚達5.5～7.6m，主要分布在山坡及坡腳。坡殘積層（Qdl）為主要為粉土、砂質(zhì)粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土,多含植物根系，母巖為花崗巖或混合巖，含少量強風化狀碎石。地表可見強~弱風化花崗巖基巖出露，出露程度約為30％。
　　2.4植被
　　地表植被發(fā)育，廠房區(qū)山坡非基巖裸露區(qū)均被植被覆蓋，以雜草及灌木、雜木為主，部分為杉樹、松樹。
　　2.5地質(zhì)構造
　　廠房區(qū)地質(zhì)構造以裂隙、斷層、巖脈為主。裂隙主要為NNW、NE、NW組，有利于地表水下滲至巖體深部。f304斷層為廠房區(qū)的控制性斷層，寬度達10～15m，為地下水的主要“輸水廊道”。
　　2.6地下水埋深
　　根據(jù)鉆探終孔穩(wěn)定地下水位及沖溝地表水位，山坡、山頭上地下水位埋深不大于45m，地下廠房洞室群在地下水位以下250-350m，地下廠房埋深320～340m。
　　3影響降雨入滲的因素分析
　　降雨入滲受到多種因素影響，影響結(jié)果綜合反映在地下水位的變化上，影響主要因素包括：
　　3.1降雨因素
　　降雨量的多少、降雨強度、降雨歷時直接影響地下水的補給量。降雨量與相應的入滲補給量和入滲補給系數(shù)呈正比關系。降雨強度小于入滲速度時，雨強增大，入滲量增加，反之入滲量減小，當雨強與入滲速度相近時，補給地下水為最佳。在降雨量相近情況下，降雨歷時越長，消耗于蒸發(fā)的降雨量越多，所以降雨歷時較短，降雨入滲補給量和入滲補給系數(shù)較大。在兩次降雨間隔時間較短時，補給過程重疊，在第二次降雨消耗于包氣帶中的雨量要小，這樣也會增大入滲補給量和降雨入滲補給系數(shù)[1]。
　　3.2地形地貌
　　隨著坡度增加，降雨所形成的坡面水流流速越大，水流厚度愈小，水流正壓力也愈小，入滲能力降低[2]。一般情況下，山地、丘陵入滲較快，低平地區(qū)入滲有快有慢，但以慢者居多。在同一坡向上，坡頂?shù)某跏既霛B率大，而入滲率隨時間衰減較快；坡腳的初始入滲速率小于坡頂?shù)模�但坡腳的入滲速率隨時間下降較慢，且穩(wěn)定入滲率要大于坡頂[3]。
　　3.3地層巖性
　　地層巖性，特別是包氣帶巖性決定降雨入滲能力和滲透系數(shù)，從而影響地表產(chǎn)流以及土壤水的運動，進而影響降雨入滲補給量。包氣帶中土壤顆粒越粗，磨圓及分選性越好，滲透性越強，濕潤性越強，濕潤峰面下移越快，入滲補給量就大，反之入滲補給量小。
　　3.4植被
　　植被有利于降雨補給地下水，一方面植被阻滯了地表坡流，另一方面植被土壤有機質(zhì)多，結(jié)構性好，植物根系使地表土透水性加強。同時植被使水分蒸發(fā)加快，相對減少入滲補給，其結(jié)果取決于二者起主導作用的一面。
　　3.5地下水埋深
　　在降雨因素及其他條件相近的情況下，地下水埋深小易形成地面徑流，入滲量�。宦裆钤龃�，下滲雨量大部分充填于非飽和帶土壤,使補給量逐漸減小,所以存在最佳埋深范圍,在此埋深范圍內(nèi)，入滲補給量最大。這時可入滲水量和重力水庫容相等,即為降雨入滲的最佳埋深。因重力水庫容曲線不變,雨量(可入滲水量)越大,最佳埋深也越大。
　　這些影響因素根據(jù)其隨時間變化的特征分為是時變因素和相對時不變因素。如降雨因素，是一個隨時間變化的隨機變量；而另一些因素，如地形地貌、地層巖性，是在漫長的地質(zhì)年代里形成的，一旦研究區(qū)域確定，這些因素當作不變因素。降雨入滲補給系數(shù)受這些因素的共同作用，變化規(guī)律十分復雜，但隨著研究時段的加長，這些因素往往又具有周期性變化的特點[4]。
　　4降雨入滲補給系數(shù)分析
　　降雨對地下水的垂直入滲補給可以用降雨入滲補給系數(shù)來表征其強弱，表達式為：
　　式中，—降雨入滲補給系數(shù)，—降雨入滲補給量(mm)，—降雨量(mm)。
　　有次、年、多年降雨入滲補給系數(shù)之分，的大小直接反映了不同次降雨量、不同地下水埋深對地下水的補給差異及變化規(guī)律，同時也表明不同地層條件及巖性結(jié)構與降雨入滲補給量的關系。
　　由于降雨入滲補給系數(shù)與地下水位變幅有關，可以利用降雨后地下水位上升大小來計算次降雨入滲補給系數(shù)。選取地下水水平徑流微弱的地下水井孔資料,在地下水位動態(tài)過程線上摘取由次降雨量引起的地下水位升幅值，由單井雨量升幅值求得：
　　(1)
　　式中：—次降雨入滲補給地下水量(mm)；—次降雨量(mm)
　　由于地下水動態(tài)觀測資料受各種因素影響，單井資料難以確定年內(nèi)各次降雨引起的地下水位升幅值。選用相同巖性的群井資料，按埋深分級進行分析計算。通過實測點據(jù)回歸建立關系：
　　(2)
　　式中：—所取次雨量，—前期影響雨量。其中，—本次降雨前i天的雨量，k—遞減系數(shù)，一般在0.8～0.9之間，取k=0.85，i=15(日)[5]
　　借助上述關系插補了實測不到的，將所求代入(1)式中得到次降雨入滲補給系數(shù)。
　　根據(jù)(1)式，利用不同降雨量地下水位上升大小計算次降雨入滲補給系數(shù)(表1和表2)。
　　表1降雨量為83mm時不同觀測點的次降雨入滲補給系數(shù)大小
　　觀測孔 次降雨量
　　(mm)
　　水位埋深
　　(m) 水位上升
　　(m)
　　次降雨入滲補給系數(shù)
　　入滲補給系數(shù)
　　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降雨量為45mm時不同觀測點的次降雨入滲補給系數(shù)大小
　　觀測孔 次降雨量
　　(mm)
　　水位埋深
　　(m) 水位上升
　　(m)
　　次降雨入滲補給系數(shù)
　　入滲補給系數(shù)
　　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 
　　從表1和表2可以看出，由于每次降雨量不同，即使對同一觀測點而言，所計算也不等。因此為了便于應用，通常采用有效降雨入滲補給系數(shù)來表示。將降雨量大小分成不同等級，在不同降雨量等級上計算降雨入滲補給系數(shù)。本研究將降雨量分為如下5個等級：即mm、mm、mm、mm、mm，計算每個降雨時段對應的有效降雨入滲補給系數(shù)，大小分別為0.102、0.131、0.165、0.198、0.244。
　　5考慮降雨入滲補給時地下廠房涌水量的計算
　　降雨入滲補給量指降雨滲入到地層中并在重力作用下下滲補給地下水的量,其計算式為：
　　(3)
　　式中：—降雨入滲補給量(m3)，—降雨入滲補給系數(shù)，—計算區(qū)降雨量(mm/d)，—計算區(qū)面積(km2)
　　惠州抽水蓄能電站地下廠房，分為2個互相獨立的地下廠房A廠和B廠，主要洞室群包括主副廠房、主變洞、母線洞、尾水閘門廊道、尾閘運輸洞、高壓電纜洞、交通洞、通風洞、排水廊以及自流排水洞等組成(圖1)。
　　圖1地下廠房洞室群平面布置示意圖
　　當計算地下廠房涌水量，考慮降雨入滲補給對地下廠房涌水量的影響：
　　(4)
　　式中：－因降雨入滲增加的涌水量（）；－涌水系數(shù)；－有效降雨入滲補給系數(shù)；P0－降雨量（mm/d）；－降雨入滲補給面積（）
　　利用(4)式計算出在不同有效降雨入滲系數(shù)條件下因降雨入滲增加的地下廠房涌水量(表3）
　　表3不同有效降雨入滲系數(shù)條件下因降雨入滲增加的地下廠房涌水量（m3/d）
　　有效降雨入滲系數(shù) 0.102 0.131 0.165 0.198 0.244
　　A廠房 100.9392 259.2752 489.852 832.7484 1207.312
　　B廠房 99.4908 255.5548 482.823 820.7991 1189.988
　　A、B廠房交通洞 25.2348 64.8188 122.463 208.1871 301.828
　　參考文獻
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