文章編號1000-5269（2024）06-0041-08

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.06.07

摘要：巖溶區(qū)管道-裂隙的發(fā)育特征影響著含水層水位面分布?？梢暬奈锢砟Ｐ?，是研究不同試驗條件下含水層的水位面特征，并揭示管道-裂隙發(fā)育特征影響規(guī)律的有效工具之一。為揭示不同裂隙組合、裂隙開度、裂隙發(fā)育程度、管道流量等因素對含水層水位面的影響規(guī)律，采用自主設(shè)計研發(fā)的管道-裂隙型雙重導(dǎo)水介質(zhì)物理模型，開展管道、裂隙發(fā)育特征對含水層水位面變化規(guī)律的影響研究。研究結(jié)果表明：在巖溶管道-裂隙發(fā)育地區(qū)，橫向裂隙的主要導(dǎo)水特征是運輸或傳輸，而豎向裂隙的主要導(dǎo)水特征是排泄；管道流量對含水層水位具有主控作用，而裂隙特征具有調(diào)控作用，且影響程度由大到小為橫、豎向裂隙差異性、橫向裂隙開度、裂隙發(fā)育程度、豎向裂隙開度；管道和裂隙發(fā)育特征對沿水流方向的水力坡降值產(chǎn)生影響，但裂隙特征的影響程度隨管道流量的減小逐漸降低。研究結(jié)果能夠為巖溶區(qū)管道、裂隙發(fā)育特征的揭露及區(qū)域地下水資源開發(fā)與保護提供參考。

關(guān)鍵詞：巖溶區(qū)；管道-裂隙介質(zhì)；地下水水位面；室內(nèi)模型試驗；裂隙發(fā)育程度

中圖分類號：P641.73

文獻標志碼：A

巖溶管道、裂隙的發(fā)育能夠影響含水巖層的非均質(zhì)性和各向異性，影響地下水的流動特征，從而在一定程度上影響著地下水的補給、徑流和排泄特征［1-3］，而地下水的補、徑、排特征控制著含水巖層的水位面分布。因此，揭示管道-裂隙的發(fā)育特征及導(dǎo)水特征對地下水位的影響尤為重要。

目前，采用室內(nèi)模型試驗［4-7］、數(shù)值模擬［8-9］、示蹤試驗［10-11］、水化學分析［12-13］等方法研究管道-裂隙型導(dǎo)水介質(zhì)的地下水交換［14-15］、溶質(zhì)運移［10-16］、漿液擴散機理［17-18］等方面的研究較多。但針對巖溶區(qū)發(fā)育管道-裂隙的含水層水位變化方面的研究較少，鄒成杰［19］根據(jù)提出的巖溶地下水位動態(tài)分析法，評價了區(qū)域內(nèi)的巖溶發(fā)育程度、巖體透水性以及水庫滲漏等問題。張春艷等［20］利用自主設(shè)計的裂隙-管道物理模型研究了不同工況下落水洞的水位變化。束龍倉等［21］通過建立管道-裂隙概化模型，結(jié)合數(shù)值軟件模擬，研究了管道和裂隙對模型系統(tǒng)出水口地下水位的影響規(guī)律。潘宗源等［22］通過降雨、水位監(jiān)測等方法，通過分析地下水位對降雨的響應(yīng)過程，研究了巖溶管道、裂隙補給的響應(yīng)特征。上述研究多利用個別觀測孔（落水洞）或多個觀測孔的水位變化評估了地下巖溶或區(qū)域巖溶的發(fā)育情況，但并未從區(qū)域水位面變化角度分析區(qū)域巖溶管道、裂隙的發(fā)育特征。

本文將西南巖溶典型的管道-裂隙型導(dǎo)水介質(zhì)概化為規(guī)則且正交的管道-裂隙，建立可視化的物理試驗?zāi)Ｐ?，研究不同裂隙開度、裂隙組合、管道流量、裂隙發(fā)育程度下巖溶含水層水位面的變化規(guī)律，分析了不同影響因素對含水層水位變化的影響規(guī)律和程度。研究結(jié)果能夠為巖溶區(qū)管道、裂隙發(fā)育特征研究及區(qū)域地下水資源開發(fā)與保護提供參考。

1管道-裂隙介質(zhì)試驗?zāi)Ｐ?/p>

1.1試驗?zāi)Ｐ透呕?/p>

巖溶發(fā)育地區(qū)，管道和裂隙發(fā)育交錯復(fù)雜，本文為簡化裂隙與管道的連接方式，將與管道連接的裂隙概化為豎向裂隙，將與管道不連接的裂隙概化為橫向裂隙，進而建立正交的管道-裂隙概念模型?？紤]到巖溶區(qū)地下水補給的多源性以及涌水或泉水出露的單一性，將上游段供水槽中的橫向裂隙設(shè)置為開口模式，即地下水可自由進出橫向裂隙。下游段集水槽中的橫向裂隙設(shè)置為閉口模式，地下水不可從橫向裂隙進出。因此，模型進水口為管道和橫向裂隙，出水口僅為管道。

1.2試驗裝置

本試驗是在一個主體長×寬×高為3.00 m×1.00 m×1.10 m的鋼化玻璃模型槽中進行的。模型槽中部設(shè)置長×寬×高約為1.50 m×1.00 m×0.90 m（根據(jù)設(shè)計工況長度和高度發(fā)生微小變化）的主體試驗區(qū)，該區(qū)域主要由若干模塊組成，模塊的材料為有機玻璃。模塊上設(shè)置不同直徑的圓形通道用以模擬水位觀測孔和巖溶管道。模型槽上游段為供水槽，長×寬×高約為1.00 m×1.00 m×1.10 m，其中一側(cè)設(shè)置木質(zhì)溢流板，以維持恒定的上游試驗水頭，溢流板的高度根據(jù)供水槽設(shè)計水位進行調(diào)節(jié)，本文取0.50 m。模型槽下游段為集水槽，長×寬×高約為0.50 m×1.00 m×1.10 m，其中一側(cè)亦設(shè)置木質(zhì)溢流板，溢流板高度設(shè)計為0.25 m，用以模擬地下水的涌出特征。試驗裝置示意圖及實物圖如圖1所示。

2試驗工況與試驗過程

2.1試驗工況設(shè)計

本次試驗設(shè)計工況主要分為兩種類型，A類裂隙間距為25 cm×15 cm，由36個小型模塊組成；B類裂隙間距為50 cm×30 cm，由9個大型模塊組成，其中，每個大型模塊分別由4個小型模塊緊密粘結(jié)組成，A類和B類模塊如圖2所示。橫向和豎向裂隙開度均設(shè)置3個等級，分別為1、3、5 mm，通過在模塊之間設(shè)置不同厚度的墊片，實現(xiàn)巖溶裂隙的模擬。管道直徑為10 cm，其橫截面積S為78.54 cm2，為揭示管道流量對水位曲面的影響規(guī)律，在管道出口處設(shè)置擋板，通過控制擋板的橫截面積，控制管道出口的流量，以此實現(xiàn)不同管道流量的模擬，墊片與擋板設(shè)置如圖3所示。設(shè)計工況見表1所示。其中，‘0S’表示管道出水口不設(shè)置擋板；‘1/4S’表示管道出水口設(shè)置擋板，該擋板能夠使1/4倍管道橫截面積的地下水通過；‘1S’表示管道出水口封堵?！瓾1V1’表示橫向裂隙為1 mm，豎向裂隙為1 mm。

2.2試驗步驟

（1） 模型裝置組裝

選取A0SH1V1工況，模塊按照從前往后，從下到上的順序依次進行模塊組裝，橫向裂隙與豎向裂隙處設(shè)置厚度為1mm的墊片，下游段集水槽處模塊間的裂隙采用防水膠帶進行封堵。試驗裝置組裝完成后靜置24 h，待玻璃膠完全凝結(jié)后開始下一步工作。

（2） 模型裝置安全試驗

注水至供水槽約1/3高度處，檢查主體試驗區(qū)模塊的穩(wěn)定性及下游段裂隙的密閉性，若無異常情況發(fā)生，則按照此過程，繼續(xù)注水至供水槽約2/3高度處以及設(shè)計高度處，若出現(xiàn)滲漏水及松動的模塊，則需進行封堵及加固，修補完成之后再重新開始安全試驗。

（3） 模型裝置試運行

持續(xù)注水至供水槽設(shè)計高度，檢查主體試驗區(qū)模塊的穩(wěn)定性及下游段裂隙的密閉性，若無異常情況發(fā)生，則模型裝置持續(xù)運行10 min后開始數(shù)據(jù)采集工作，若出現(xiàn)滲漏水及松動的模塊，則需進行封堵及加固，修補完成之后再重新開始安全試驗以及裝置試運行工作。

（4） 數(shù)據(jù)采集

在上述工作順利完成之后，開始正式試驗，持續(xù)注水至供水槽設(shè)計高度，待主體試驗區(qū)水流穩(wěn)定之后，開始采集觀測孔水位數(shù)據(jù)。

（5） 依次開展其他工況模型試驗及數(shù)據(jù)采集工作。

3試驗結(jié)果分析

考慮到整個模型裝置的對稱特性，對所得的觀測孔數(shù)據(jù)進行對稱擴展，繪制的各工況水位曲面圖形如圖4所示。繪制過程中對數(shù)據(jù)圖形進行了光滑處理，并未進行曲面擬合。

3.1裂隙影響分析

1） 橫向裂隙影響

對比分析圖4中H1V1和H5V1（A和B）、H1V5和H5V5（A和B）工況， H5V1和H5V5工況水位均高于H1V1和H1V5工況，即在地下水流動過程中，在相同豎向裂隙開度情況下，橫向裂隙開度較大時，地下水位曲面相對較高，說明在巖溶區(qū)地下水運動過程中，橫向裂隙的主要作用是運輸（補給）型導(dǎo)水（此導(dǎo)水過程水量并未減少或與補給量相比減少的水量可忽略不計）。橫向裂隙開度越大其運輸導(dǎo)水能力越強。因此，當?shù)叵滤a給充足時，地下水易運移到橫向裂隙延伸的區(qū)域，使得延伸區(qū)域水位抬升，并且橫向裂隙開度越大，地下水抬升越明顯。

2） 豎向裂隙影響

對比分析圖4中H1V1和H1V5（A和B）、H5V1和H5V5（A和B）工況， H1V1和H5V1工況水位均高于H1V5和H5V5工況，即在地下水流動過程中，相同橫向裂隙開度時，豎向裂隙開度越大，含水層中的地下水快速的匯入管道中，水位曲面越低，說明豎向裂隙作為管道和橫向裂隙之間的連接通道，促進了兩者之間的地下水交換，其主要作用是排泄型導(dǎo)水（此導(dǎo)水過程水量大幅減少）。豎向裂隙開度越大其排泄導(dǎo)水能力越強，致使地下水降低明顯。

3） 橫、豎向裂隙差異影響

對比分析圖4中H1V5、H5V1（A和B）工況，H5V1工況水位均高于H1V5工況，在地下水流動過程中，供水槽、橫向裂隙、豎向裂隙、管道及集水槽共同構(gòu)成了地下水的補給、徑流與排泄過程。當橫向裂隙開度大于豎向時，運輸導(dǎo)水能力大于排泄導(dǎo)水，水位較高；當橫向裂隙開度小于豎向裂隙時，則水位較低。此外，從圖4中H1V1、H3V3、H5V5工況可以看出，隨著橫向與豎向裂隙開度的增大，水位也逐漸升高。因此，橫向裂隙與豎向裂隙的差異性對水位變化具有明顯的調(diào)控作用。

4） 裂隙發(fā)育程度影響

對比各工況A、B兩類裂隙，A裂隙0S、1/2S、1/4S曲面的水位多高于B裂隙，但1S曲面的水位低于B裂隙，由于本文中上、下游段的邊界條件的差異，排泄能力始終小于補給能力，加之A、B兩類裂隙排泄能力相等，A類裂隙發(fā)育程度大于B類裂隙，其補給能力較強。因此，A裂隙0S、1/2S、1/4S曲面水位較高。而當?shù)叵滤o止時，由于地下水與裂隙面的接觸面積增大，導(dǎo)致水頭損失增大，因此，A裂隙1S曲面水位較低。此外，在地下水流動過程中，裂隙發(fā)育程度影響地下水的運輸及排泄，進而影響地下水位的分布特征，隨著裂隙開度的增大，影響程度逐漸增大。

3.2裂隙影響程度分析

對比圖5中各工況橫向裂隙開度、豎向裂隙開度、裂隙發(fā)育程度、橫、豎向裂隙差異性對地下水位差值變化的影響規(guī)律，隨著管道流量的減小，各工況中|Δmax|（相應(yīng)工況最大水位值差的絕對值）和|Δmin|（相應(yīng)工況最小水位值差的絕對值）快速降低，且逐漸趨近于相等，說明隨著流量的減小，上述4種因素對地下水位變化影響逐漸減小。當流量為0S及1/2S時，橫、豎向裂隙差異性引發(fā)的地下水位差值最大，而豎向裂隙開度引發(fā)的差值最小。可根據(jù)水位差值變化的大小判斷出各因素的影響程度。因此，各因素影響程度由大到小為橫、豎向裂隙差異性、橫向裂隙開度、裂隙發(fā)育程度、豎向裂隙開度。

3.3管道流量影響分析

對比分析圖4中所有工況，0S曲面水位最低，而1S曲面水位最高，隨著管道流量的減小，地下水位逐漸升高，但升高的幅度逐漸降低。此外，取管道上觀測孔水位數(shù)據(jù)，計算出沿水流方向的水力坡降值，如圖6所示，當流量最大時（如0S），沿水流方向的水力坡降值最大，且不同裂隙組合、裂隙開度下水力坡降值差異較大。隨著流量的逐漸減?。ㄈ?S），沿水流方向的水力坡降值迅速減小，不同裂隙組合、裂隙開度下水力坡降值趨近相等，說明管道流量相較裂隙對水力坡降的影響更加顯著。因此，流量對水位變化具有主控作用［21］，而裂隙對水位曲面變化具有調(diào)控作用，隨著管道流量的增大，裂隙的調(diào)控作用逐漸增強。

此外，從圖6中A類裂隙工況可以看出，大管道流量時，裂隙發(fā)育程度越高，地下水運輸與排泄迅速，隨著裂隙開度的增大，水力坡降迅速降低。而B類裂隙工況，由于裂隙數(shù)量較少，發(fā)育程度不高，整體裂隙的運輸及排泄能力不足，對于0S大管道流量時，當豎向裂隙開度增大時，豎向排泄能力增強，橫向裂隙的運輸能力不足，水力坡降迅速降低。隨著橫向與豎向裂隙開度的增大，裂隙的運輸導(dǎo)水能力增強，水力坡降逐漸增大。

4結(jié)論

在巖溶發(fā)育地區(qū)，管道、裂隙的不規(guī)則發(fā)育影響含水層的水位曲面的分布特征，本文通過將與管道連接的裂隙概化為豎向裂隙，與管道不連接的裂隙概化為橫向裂隙，建立規(guī)則正交的管道-裂隙室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ?，模擬了不同管道流量、裂隙組合、裂隙開度條件下地下水流動過程，獲得了不同工況下的水位曲面特征，研究了管道流量、裂隙對水位曲面特征的影響規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

1） 橫向裂隙在地下水運動過程中的主要作用是運輸（補給）導(dǎo)水，豎向裂隙的主要作用是排泄導(dǎo)水。橫向裂隙開度和豎向裂隙開度的差異性顯著影響地下水位的分布特征。在地下水流動過程中，裂隙發(fā)育程度大小與地下水位變化呈正相關(guān)，當?shù)叵滤o止時，兩者呈負相關(guān)。

2） 在巖溶管道和裂隙發(fā)育地區(qū)，管道對地下水位的變化具有主控作用，而橫向裂隙開度、豎向裂隙開度、裂隙發(fā)育程度、橫、豎向裂隙差異性對地下水位的變化具有調(diào)控作用，調(diào)控作用從大到小依次為橫、豎向裂隙差異性、橫向裂隙開度、裂隙發(fā)育程度、豎向裂隙開度。

3） 當巖溶區(qū)發(fā)育導(dǎo)水管道時，管道流量越大，沿水流方向的水力坡降值越大，裂隙發(fā)育程度對水力坡降產(chǎn)生影響，但隨著流量的減小，影響程度逐漸降低。

參考文獻：

[1]王海， 王永剛， 張雁， 等. 生態(tài)脆弱露天礦區(qū)截水帷幕下松散層水位演化規(guī)律［J］. 煤田地質(zhì)與勘探， 2022， 50（7）： 36-43.

［2］ 馮亞偉， 陳洪年， 賈德旺. 山東省巖溶地下水系統(tǒng)劃分及構(gòu)造模式［J］. 水文， 2020， 40（6）：83-88.

［3］ 周亞醒， 陳浩， 張飛， 等. 群孔抽水試驗方法求解含水層水文地質(zhì)參數(shù)［J］. 水文， 2022， 42（6）： 78-82.

［4］ FAULKNER J， HU B X， KISH S， et al. Laboratory analog and numerical study of groundwater flow and solute transport in a karst aquifer with conduit and matrix domains[J]. Journal of Contaminant Hydrology， 2009， 110（1/2）： 34-44.

［5］ GALLEGOS J J， HU B X， DAVIS H. Erratum： simulating flow in karst aquifers at laboratory and sub-regional scales using MODFLOW-CFP[J]. Hydrogeol Journal， 2013， 21， 1911-1912.

［6］ QIAN J Z， CHEN Z， ZHAN H B， et al. Solute transport in a filled single fracture under non-Darcian flow[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2011， 48（1）： 132-140.

［7］ LI T Y， FAN Q Y， YANG P S， et al. Study on the equivalent permeability coefficient of karst conduit with single conduit and multigroup fissures[J]. Mathematical Problems in Engineering， 2022， 4， 1-10.

［8］ 孫晨， 束龍倉， 魯程鵬， 等. 裂隙-管道介質(zhì)泉流量衰減過程試驗研究及數(shù)值模擬［J］. 水利學報， 2014， 45（1）： 50-57.

［9］ 董貴明， 束龍倉， 田娟， 等. 西南巖溶地下河系統(tǒng)水流運動數(shù)值模型［J］. 吉林大學學報（地球科學版）， 2011， 41（4）： 1136-1143， 1156.

［10］羅明明， 季懷松. 巖溶管道與裂隙介質(zhì)間溶質(zhì)暫態(tài)存儲機制［J］. 水科學進展， 2022， 33（1）： 145-152.

［11］BEISNER K， PARETTI N， JASMANN J， et al. Utilizing anthropogenic compounds and geochemical tracers to identify preferential structurally controlled groundwater pathways influencing springs in Grand Canyon National Park， Arizona， USA[J]. Journal of Hydrology： Regional Studies， 2023， 48： 101461.1-101461.15.

［12］黃榮， 王發(fā)， 陳洪松， 等. 不同類型表層巖溶泉水源劃分及對降雨的響應(yīng)［J］. 水文， 2022， 42（3）： 20-26.

［13］屈秋楠， 宋小慶， 唐娛杰， 等. 地下含水層水資源賦存條件及其水化學特征：以貴州省安龍縣幅為例［J］. 中國巖溶， 2019， 38（3）： 378-387.

［14］牛子豪， 束龍倉， 林歡， 等. 不同補給條件下裂隙-管道介質(zhì)間水流交換的示蹤試驗研究［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2017， 44（3）： 6-11.

［15］李琛亮， 沈振中， 趙堅， 等. 雙重介質(zhì)滲流水力特性試驗裝置研究及應(yīng)用［J］. 巖土力學， 2013， 34（8）： 2421-2429.

［16］楊楊， 趙良杰， 蘇春田， 等. 基于CFP的巖溶管道流溶質(zhì)運移數(shù)值模擬研究［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2019， 46（4）： 51-57.

［17］蘇培莉， 劉鋒， 賈毅飛， 等. 高水頭條件下管道裂隙漿液封堵機制試驗研究［J］. 科學技術(shù)與工程， 2021， 21（29）： 12513-12518.

［18］方剛， 梁向陽， 黃浩， 等. 巴拉素井田煤層富水機理與注漿堵水技術(shù)［J］. 煤炭學報， 2019， 44（8）： 2470-2483.

［19］鄒成杰. 巖溶地區(qū)地下水位動態(tài)分析［J］. 中國巖溶， 1995（3）： 261-269.

［20］張春艷， 束龍倉， 程艷紅， 等. 落水洞水位對水文情景響應(yīng)變化的試驗研究［J］. 人民黃河， 2020， 42（6）： 46-52.

［21］束龍倉， 張穎， 魯程鵬. 管道-裂隙巖溶含水介質(zhì)非均質(zhì)性的水文效應(yīng)［J］. 南水北調(diào)與水利科技， 2013， 11（1）： 115-121.

［22］潘宗源， 吳遠斌， 賈龍， 等. 湖南寧鄉(xiāng)大成橋巖溶地下水對暴雨響應(yīng)特征及多元回歸預(yù)測模型［J］. 中國巖溶， 2020， 39（2）： 232-242.

（責任編輯：于慧梅）

Abstract：

The development characteristics of conduit-fracture in karst areas affect the distribution of the aquifer water level surface. The visualized physical model is an effective way to study the water level surface characteristics of aquifers under different experimental conditions and to reveal the influence of conduit-fracture development characteristics. In order to investigate the impact of various fracture combinations， fracture aperture， degree of fracture development， conduit flow， and other factors on the water level of an aquifer， a self-designed and developed physical model of a conduit-fracture dual water-conducting medium was utilized to examine the effects of conduit and fracture development characteristics on the fluctuations in the water level of the aquifer. The results show that in the karst conduit-fracture development area， the main water-conducting characteristics of transverse fractures are transportation or transmission， while the main water-conducting characteristics of vertical fractures are excretion. The flow rate of the conduit has a significant impact on the water level of the aquifer， serving as the primary controlling factor. On the other hand， the fracture characteristics play a regulatory role with varying degrees of influence. The order of influence degree from large to small is as follows： the vertical conduit-fracture differences， the horizontal fracture aperture， the degree of fracture growth， and the vertical fracture aperture. The characteristics of conduit and fracture development impact the hydraulic gradient along the flow direction. However， the degree of influence of fracture characteristics decreases as the conduit flow rate decreases. The research results can provide a reference for understanding the development characteristics of pipelines and fissures in karst areas， as well as for the development and protection of regional groundwater resources.

Key words：

karst area; conduit-fissure medium; groundwater level surface; indoor model test; fracture growth degree

收稿日期：2023-11-28

基金項目：南方石山地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心開放課題資助項目（NFSS2023022）；2021年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升資助項目（2021KY1419）；廣西教育科學“十四五”規(guī)劃2022年度專項課題資助項目（2022ZJY504）

作者簡介：黃磊群（1982—），男，高級工程師，碩士，研究方向：巖土工程，E-mail：519398246@qq.com.

*通訊作者：梁家琿，E-mail：175036720@qq.com.