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渗透系数作为表征裂隙岩体含水层渗透性的主要指标,是在构建裂隙岩体等效连续介质渗流模型时重要的模型参数。由于裂隙岩体受到各种地质作用,使得裂隙发育具有随机性和结构性,从而影响渗透系数的空间分布特征,例如,在裂隙岩体中,渗透系数在同一深度上是随机的,但是渗透系数由地表向深部总体呈负指数规律变化,具有结构性特征。裂隙岩体这些特征说明其渗透系数是区域化变量,具有随机性和结构性。
本文主要利用空间变异理论来分析锦屏一级电站坝区右岸组合岩层的渗透系数空间变异性,同时进行了组合岩层的渗透系数场的模拟。具体来说,通过对裂隙几何参数的分析,利用渗透系数张量理论计算出了研究区渗透系数张量值和3个渗透主方向;引用Surpac软件的三维地质建模功能,圈定出模拟范围和构建模拟岩层的空间形态;应用空间变异函数理论对渗透系数的区域化变量进行了空间变异性和结构性分析;在此基础上,通过运用序贯指示模拟方法,获得了研究区岩层渗透系数场的多种实现。
通过以上研究和分析,笔者获得了如下结论:
1.锦屏一级电站坝区右岸各级次结构面发育方向具有较高的一致性。
从宏观上来说,坝区构造应力场控制着坝区各级次结构面的发育,主要表现在区域性大断裂(带)、局部小断层及节理裂隙这三个级次结构面在发育方向上有较高的一致性:区域性大断裂(带)的构造线方向主要有NNE和NNW;局部小断层发育方向主要有NNE~NE、NEE~EW和NW~NWW;节理裂隙发育方向主要为N50~80°E及N50~70°W,其次是NNE及NNW。通过分析,笔者还揭示出了顺岩层面发育的290~340°∠25~45°和顺局部小断层(带)发育的135~170°∠60~85°这两组裂隙分布最为广泛。
2.坝区右岸岩体渗透系数具有区域化变量特征,可以利用地质统计学理论进行空间变异性分析。
渗透系数是具有区域化变量特征的一个重要的水文地质参数,裂隙岩体渗透系数包含重要的地质信息的特异值,可以采用指示变异函数作为空间变异分析的工具。空间变异理论(又称地质统计学)可以很好地描述渗透系数在空间上的随机性和结构性,通过该理论的运用得出:坝区右岸渗透系数变异强度为中等程度;坝区右岸高渗透性的岩体(指示变异函数中阈值较大者)空间自相关性较好,变程也较大;通过定量化计算验证了最大和中间主渗透方向上的渗透连续性最好。此外,通过理论变异函数的拟合,笔者获得了用于下一步模拟所需要的变异函数参数,如块金值、基台值和变程等。
3.Surpac软件具有强大的三维地质体建模功能,可以应用于水电工程地质体的建模。
目前,国内外水电工程地质体三维可视化研究的商业化程度不高。Surpac是在数据库基础上建立的强大的三维空间信息软件。Surpac提供了*.dxf文件接口,可以将坝区的大量CAD工程图直接导入到Surpac中去转化成Surpac中通用的*.str文件;通过“段相连法”连接这些地质界线来构建地质体的三角网面(dtm),再由三角网面构成实体(3dm)。块模型是Surpac中一个重要的概念,它是一个全新的动态数据库,里面储存着通过插值获得的数据。总之,Surpac强大的三维建模功能完全适用于水电工程地质建模。
4.运用序贯指示模拟方法探讨了研究区岩体渗透系数场的模拟方法。
序贯指示模拟是条件模拟中的一种,是以指示变异函数为基础的一种模拟方法,它企图恢复的是变量的非均质性及空间连续性特征。在构建裂隙岩体渗透系数场时,必须用这些特异值来反映波动性。本文利用单孔压水实验获得的数据,将渗透系数按照概率分布的3个四分位数(25%、50%和75%)作为阈值,采用序贯指示模拟的方法获得坝址区右岸渗透系数场。通过30次模拟,其结果显示:在那些有实测值的点位,模拟结果与真实结果完全相同,符合条件模拟的特征,而在那些没有实测值的点(区),虽然每次条件模拟方法得出的模拟值不尽相同,但是能保持与Z(x)数学期望、方差、分布函数和变异函数等的一致性,如果经过若干次模拟,总能在统计意义上获得该点的确定值,这个确定值会无限逼近该点的真实值。渗透系数场的序贯指示模拟可以反映并再现渗透系数场的波动性,通过多次模拟获得渗透系数场的多次实现,再加上坝区采样数据的进一步丰富,这种模拟出来的渗透系数场可以更加逼近真实渗透系数场。
本文创新性主要体现在:(1)首次将三维地质建模功能强大的矿山软件Surpac引进水利水电工程研究中,本文以Surpac作为载体,分析了三维地质体建模、空间变异性、以及序贯指示模拟各个环节的应用,拓展了该软件的应用领域;(2)利用序贯指数模拟方法对锦屏一级电站坝区右岸渗透系数场进行了模拟,探讨了刻画裂隙岩体渗透系数的非均质性和不确定性方法。