Inversion of Hydrogeological Parameters of Landslides in Water-Rich Coal-Bearing Strata Based on Numerical Simulation
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摘要:
由于连续降雨导致广东省某地区高速交汇处发生滑坡险情，滑坡导致高速局部边坡挡墙顶面泥浆水漫流，边坡挡墙存在开裂、倾斜等病害.该滑坡区地层为典型的富水煤系地层，不均匀性高，遇水易软化.地下水及水文地质参数是滑坡防治的重要因素，为探究该滑坡区水文地质参数，在滑坡治理期间，进行了水文地质试验.将通过不同井的试验数据对其进行建模，再运用数值反演法，采用Visual MODFLOW 3D对水文地质试验过程进行数值模拟，通过反演水文地质参数，使各个不同位置的观测井水位实时变化规律的模拟结果和实测结果相一致，从而优选确定该参数为最接近场地实际的水文地质参数，便于更准确地预测和分析滑坡的发生、发展和影响范围.
Abstract:Taking a landslide area in Guangdong Province as the research object, Visual MODFLOW is used to process the elevation data of landslide area and establish an accurate 3D model combined with the geological exploration report of landslide area. After the three-dimensional landslide model is established, the corresponding model parameters are calculated and input through the field hydrogeological test data. Then, the numerical inversion method is used to simulate the hydrogeological test process. By inversion of hydrogeological parameters, the numerical simulation results of observed well water level at different positions are consistent with the actual measurement results. Thus, the hydrogeological parameters closest to the actual site are determined. In this paper, the hydrogeological parameters of the landslide area are obtained from both numerical simulation and theoretical calculation, and the results obtained by the two methods are not very different. Therefore, the numerical simulation method adopted in this paper can more conveniently obtain the hydrogeological parameters of the landslide area. The obtained data can be used to accurately evaluate the influence of groundwater on landslide, and provide scientific basis for landslide prevention and control and improvement of regional hydrogeological conditions.
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图 2 滑坡区降雨-水位-抽水量关系
数据来源：中国铁道科学院铁建所抽排水报告
Fig. 2. Rainfall-water level-pumping relationship diagram in landslide area
图 3 滑坡4-4断面地质剖面图（比例尺：1∶500）
数据来源：中国铁道科学院铁建所地质勘查资料
Fig. 3. Geological profile of 4-4 section of landslide (scale: 1∶500)
图 4 滑坡区域水位地质孔平面布置及初始水位等值线
数据来源：中国铁道科学院铁建所对滑坡区地质孔水位监测
Fig. 4. Geological hole layout and initial water level contour diagram of landslide area water level
图 9 CS-4#抽水井数值模拟水位降深等值线（单位: m）
Fig. 9. Pumping well numerical simulation of water level drawdown contour of CS-4# (unit : m)
图 10 CS-7#抽水井数值模拟水位降深等值线（单位: m）
Fig. 10. Pumping well numerical simulation of water level drawdown contour of CS-7# (unit : m)
图 11 CS-5#抽水井数值模拟水位降深等值线（单位: m）
Fig. 11. Pumping well numerical simulation of water level drawdown contour of CS-5# (unit : m)
表 1 常见地层滑坡成因
Table 1. Common formation landslide causes
常见滑坡地层类型 滑坡成因 煤系地层滑坡 地层岩性软、强度低、不均匀性高、遇水易软化，在降水丰富、地下水系发育地区容易发生失稳 松散沉积物地层滑坡 地层颗粒松散，抗剪强度低，在降雨、地震作用下容易失稳 黄土滑坡 具有透水性好、孔隙结构大以及易受水侵蚀等特点，由于黄土湿陷性的特点，降雨会导致土体发生破坏，诱发滑坡 红层滑坡 红层多为泥岩、砂岩互层，风化后易形成膨胀土，持续降雨会使泥岩饱水软化，抗剪强度下降，诱发滑坡 风化层滑坡 岩石风化后形成的风化层结构疏松，裂隙较为发育，降雨导致风化层浸水软化，诱发滑坡 冻土滑坡 降雨或冰雪融水通过裂隙渗入冻土层，润滑滑动面，诱发滑坡或埋藏冰层、冰楔融化形成滑带，使得上覆岩土体更容易沿着该界面滑动，从而诱发滑坡 
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表 2 抽水井渗透系数及影响半径
Table 2. Permeability coefficient and influence radius of pumping well
钻井编号 $ {K}_{x} $（m/d） $ {K}_{y} $（m/d） $ {K}_{z} $（m/d） R(m) CS-1# (沟谷的中上部) 0.175 0.23 1.03e-01 35 CS-2# (中间沟谷中上部) 0.65 0.915 1.03e-01 91 CS-3# (中间沟谷中部) 0.66 1.68 1.03e-01 124 CS-4# (中间沟谷中下部) 0.75 2.04 1.03e-01 136 CS-5# (滑坡体前缘) 2.02 3.33 1.03e-01 145 CS-6# (GJ-5)（沟谷出沟口坡底） 0.19 0.22 1.03e-04 52 GJ-7#（坡体中上部的沟谷中游） 1.15 1.21 1.03e-01 84
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表 3 CS-5#抽水井水文地质参数设置
Table 3. Hydrogeological parameter setting of CS-5# pumping well
位置 东西向渗透系数$ {K}_{x} $（m/d） 南北向渗透系数$ {K}_{y} $（m/d） 垂直渗透系数$ {K}_{z} $（m/d） 贮水系数$ {S}_{S} $ 给水度$ {S}_{y} $ 有效孔隙度 总孔隙度 上层 2.02 3.33 0.103 4 5.00e-5 0.17 0.25 0.40 中层 0.008 0.001 1.03e-4 1.00e-5 0.05 0.20 0.40 下层 2.02 3.33 0.103 4 5.00e-5 0.17 0.25 0.40
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表 4 CS-5#抽水井常水头边界设置
Table 4. Pumping well constant head boundary setting of CS-5#
初始时间(d) 停止时间(d) 初始水头(m) 停抽时水头(m) 0 0.694 204 204
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表 5 CS-5#抽水井及观测井参数设置
Table 5. Pumping well and observation well parameter settings of CS-5#
类型 初始时间（d） 停止时间（d） 抽水速率(m3/d) 停抽时水头（m） CS-5#抽水井 0 0.694 -607.2 194 观测井1(obs1) 0 0.694 / 204 观测井2(obs2) 0 0.694 / 204
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表 6 CS-4#、CS-7#抽水井水文地质参数计算结果
Table 6. Calculation results of hydrogeological parameters of CS-4# and CS-7# pumping wells
井位 东西向渗透系数$ {K}_{x} $（m/d） 南北向渗透系数$ {K}_{y} $（m/d） 垂直渗透系数$ {K}_{z} $（m/d） 贮水系数$ {S}_{s} $ 给水度$ {S}_{y} $ CS-4 0.368 1.10 0.103 4 5.00e-5 0.17 CS-5 0.100 0.15 0.103 4 5.00e-5 0.17
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表 7 CS-5#抽水井水文地质参数计算结果
Table 7. Calculation results of hydrogeological parameters of CS-5# pumping well
地层 东西向渗透系数$ {K}_{x} $（m/d） 南北向渗透系数$ {K}_{y} $（m/d） 垂直渗透系数$ {K}_{z} $（m/d） 贮水系数$ {S}_{s} $ 给水度$ {S}_{y} $ 粉砂岩 1.200 0 1.500 0 0.103 4 5.00e-5 0.17 碳质页岩 0.000 6 0.000 8 1.03e-04 5.00e-5 0.05
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表 8 CS-5#抽水井碳质页岩渗透系数计算结果
Table 8. Calculation results of permeability coefficient of carbonaceous shale in CS-5# pumping well
地层 东西向渗透系数$ {K}_{x} $（m/d） 南北向渗透系数$ {K}_{y} $（m/d） 垂直渗透系数$ {K}_{z} $（m/d） 碳质页岩 0.000 568 0.000 838 1.14E-04
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表 9 水文地质参数反演结果
Table 9. Inversion results of hydrogeological parameters
井位 地层 东西向渗透系数$ {K}_{x} $（m/d） 南北向渗透系数$ {K}_{y} $（m/d） 垂直渗透系数$ {K}_{z} $（m/d） 贮水系数$ {S}_{s} $ 给水度$ {S}_{y} $ CS-4#（潜水井） 粉砂岩 0.368 1.1 0.103 4 5.00e-5 0.17 CS-5#（承压井） 粉砂岩 1.2 1.5 0.103 4 5.00e-5 0.17 碳质页岩 0.000 6 0.000 8 1.03e-04 5.00e-5 0.05 CS-7#（潜水井） 粉砂岩 0.1 0.15 0.103 4 5.00e-5 0.17
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