科研管理　水利规划与设计　２０１４年第４期　
引水隧洞三维渗流场分析研究　
王连广　刘　阳　
（吉林省水利水电勘测设计研究院　吉林长春　１３００２１）　
【摘　要】　根据工程水文地质条件，建立引水隧洞渗流有限元计算模型。确定数值模拟边界条件，结　
合区域内的抽水和压水试验数据，采用反演分析算法计算初始渗流场，分析了引水隧洞开挖前后各区域　
段的初始渗流场分布规律并进行初步分析。　
【关键词】　隧洞　三维渗流场　有限元计算　分析　
【ＤＯＩ编码】　１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７２—２４６９．２０１４．０４．０１６　
【中图分类号】　Ｔｖ１３９．１４　【文献标识码】　Ｂ　【文章编号】　１６７２．２４６９（２０１４）０４．００５２．０３　

１　工程概况　
某引水隧洞工程工作区位于松辽平原东南　
侧，是平原和山区过渡地带，中部为北东向分布　
的伊兰一伊通盆地。区内地势总体上为两侧高，　
中间低，东北高，西南低。　
地貌单元主要有河谷堆积地形（漫滩阶地）、　
剥蚀堆积地形（波状台地）和构造剥蚀地形（中低　
山丘陵１。区内海拔高度一般为２００－－４００ｍ，最高　
峰海拔９３４．２ｍ。河谷海拔一般２００ｍ左右，在山　
区和丘陵区，山脊以浑圆状或宽缓状无较大起伏　
为主要特征。区内自然植被不发育，多为次生林　
及人工林。　
２　地质条件　
２．１　地形地貌　
地貌为丘陵与沟谷相间，本段洞长１５ｋｍ。　
区内地势总体上为南高北低，灰岩段地势东北高，　
西南低。本段线路走向南西。地貌单元属低山丘　
陵和河谷漫滩。高低起伏，山顶见基岩裸露，沟　
谷中为耕地。最高峰海拔４８４ｍ，河谷海拔２００ｍ，　
相对高差２７０ｍ。一般山峰海拔２００￣４１０ｍ。植　
被相对不发育。在山区和丘陵区，山脊以浑圆状　
或宽缓状无较大起伏为主要特征。区内自然植被　
不发育，多为次生林及人工林。穿越沟谷处水量　

・５２・　

随季节变化大。隧洞埋深４４－１８６ｍ。本段线路穿　
越的地层出露较齐全，上古生界、中生界、新生　
界均有出露。岩性主要为石炭系与泥盆系灰岩、　
石炭系凝灰岩、三叠系凝灰岩、侏罗系凝灰岩等。　
工程区地下水的类型为松散岩类孔隙水、碳酸盐　
岩类岩溶裂隙水和基岩裂隙水。　
２．２地下水补、径、排条件　
工程区地下水主要靠大气降水补给，枯水期　
地表径流接受地下水补给，丰水期河水短时补给　
地下水，地下水以浅循环为主。受地形切割影响，　
地下水往往以短途径流为主，且常以泉的形式排　
出地表，补给河水，抽水试验成果见表１，岩体　
透水性成果见表２。　
根据压水试验结果分析，一般岩体（非构造　
破碎带、节理密集带、溶蚀带）地表浅部岩体的　
透水性较强，基本为弱透水～中等透水，分析认　
为这主要是表部岩体受风化卸荷节理裂隙的影　
响；深部岩体透水性以弱透水为主，说明岩体透　
水性有随深度增加而变弱的趋势。洞室部位岩体　
透水性以弱透水为主。构造破碎带及节理密集带　
压水表明，其透水性也是中等透水为主，这也符　
合实际规律。　

作者简介：王连广（１９８２年一）男，工程师。　
科研管理　水利规划与设计　２０１４年第４期　
４　计算边界条件及计算参数　
４．１　边界条件　
假定模型垂直于上下游面的两侧面、高程　
２０３．８ｍ的水平底面均为不透水面；上游边界位　
于某水库附近，上游边界地下水位以下按第一类　
边界计算，取位置水头为水库附近实测水位３０３ｍ：　
下游边界位于河道附近，地下水位以下同样按第　
一
类边界计算，取位置水头为河道附近实测地下　
水位２２７．２ｍ。地表面按地下水和实测的井、泉　
水位监测数据作为反演目标；河流、水库按第一　
类已知水头边界考虑；上游边界的地下水位和下　
游边界地下水位之间的地表面为渗流可能的溢　
出面，实际溢出点由迭代计算最终确定。　
计算的主要工况包括：　
（１）引水隧洞开挖前的初始渗流场；　
（２）引水隧洞开挖后的渗流场分析。　
４．２　初始渗流场计算结果分析　
可以看出，压力水头等值线分布均匀，该区　
域地势起伏变化较小，位置水头范围为２２９．１ｍ　
至３５５．９ｍ，其水头随山体地势起伏变化。　

表４渗流场反演井、泉监测点拟合情况表　
序号　编号　观测水头　计算水头　计算观测　差值／观测　
１　Ｃ０８　２８０．１８　２８５．９７　５．７９　２．０７％　
２　ＭＪ２６　３０２．８ｌ　３１４．５８　１１．７７　３．８９％　
３　ＭＪ３７　２４７．４６　２５１．３０　３．８４　１．５５％　
４　Ｑ１９　２５７．Ｏ０　２４７．０７　—９．９３　—３．８６％　
５　ＭＪ３６　２４９．０２　２４９．５３　Ｏ．５１　０．２０％　
６　ＭＪ３４　２３９．２２　２４６．９３　７．７ｌ　３．２２％　
注：上表中拟合误差为水位计算值减去水位监测值：所有水头及误差单位为ｍ。　

５　引水隧洞开挖后三维渗流场　
引水隧洞开挖后，将隧洞内边界作为溢出边　
界处理，重新计算开挖后区域内的渗流场分布。　
隧洞开挖后的渗流场计算结果具体分析如下：　
由图２可以看出，隧洞开挖后隧洞附近区域　
压力水头和位置水头等值线相比初始渗流场变　
化较大，隧洞顶部水面下降明显，形成一定范围　
的“漏斗区”。此断面隧洞局部部位压力水头和　
位置水头变化均较大，见图３、图４。由于隧洞　
开挖后的强排水作用，隧洞外围位置水头等势线　
分布密集，水头势较大，隧洞周围大约２０～４０ｍ　

・５４・　

范围，洞室上部一定范围内压力水头降低极为明　
显，４０ｍ以外地下水面线逐渐变得平缓。　

６　结语　
（１）区域内初始渗流场分布较好，地下水　
面随山体起伏有变化明显，位置水头势较大的地　
方主要分布在水面变化较大的范围。　
（２）从初始渗流场反演拟合的井、泉测点　
误差来看，误差总体较小，除少数测点的误差较　
大，达到８～１２ｍ外，其余测点误差均很小。选　
用井、泉测点的最大误差为１１．７７ｍ，最小误差　
为０．８９０ｍ。由此可知，反演拟合程度接近，拟　
合较好，反演所得初始渗流场较好地反应了初始　
地下水、井、泉测点的分布规律。　
（３）隧洞开挖后，区域内渗流场分布规律　
随着隧道开挖分布规律有一定变化。受隧洞开挖　
的强排水影响，隧洞附近一定范围内地下水面有　
一
定下降，压力水头和位置水头等值线分布规律　
和初始渗流场相比均有较大变化。隧洞局部部位　
下降特别明显，在隧洞上方一定范围内形成明显　
的“漏斗区”。隧洞局部部位水头势也较大，排　
水效果明显，影响较明显的范围主要分布在离隧　
洞１０～４０ｍ范围内，大约在５０～ｌＯＯｍ左右的范　
围以外影响逐渐减小，在较远处基本不受引水隧　
洞开挖的影响。　（下转第５１页）　
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图３隧洞附近区域压力水头等值线分布图　

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图４隧洞附近区域位置水头等值线分布图