通化恒如水庫(kù)浸沒(méi)問(wèn)題評(píng)價(jià)與對(duì)策

盧長(zhǎng)偉，曹景峰，劉洪鋮

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 長(zhǎng)春130021）

浸沒(méi)問(wèn)題一般是指水庫(kù)尤其是平原的丘陵形水庫(kù)庫(kù)區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題之一， 浸沒(méi)范圍的準(zhǔn)確圈定一方面可有效保護(hù)受影響群眾的利益， 又可準(zhǔn)確控制工程造價(jià)， 對(duì)水庫(kù)工程建設(shè)投資精準(zhǔn)估算至關(guān)重要。

浸沒(méi)是指水庫(kù)蓄水后使庫(kù)區(qū)周圍地下水位相應(yīng)抬高，可能接近或高出地面，導(dǎo)致地面鹽漬化、沼澤化及建筑物地基條件發(fā)生惡化。 一般水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范和工程地質(zhì)手冊(cè)中均采用水庫(kù)蓄水后先預(yù)測(cè)地下水位雍高，再通過(guò)試驗(yàn)確定岸坡土的毛細(xì)管水上升高度，以及調(diào)查評(píng)估區(qū)作物的根系層深度及建筑物基礎(chǔ)埋深， 對(duì)浸沒(méi)范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)。而其中較特殊的一種水庫(kù)，圍堤型（懸河型）水庫(kù)應(yīng)用該種評(píng)價(jià)方法確往往會(huì)產(chǎn)生較大誤判，會(huì)使浸沒(méi)范圍遠(yuǎn)超實(shí)際發(fā)生的范圍，增加工程造價(jià)。

圍堤型（懸河型）水庫(kù)基礎(chǔ)在修建于平原或丘陵地區(qū)或山區(qū)存在較寬闊的漫灘階地區(qū)域。 即借助河流兩岸堤防擋水在河床上修建攔河壩， 兩側(cè)與堤防相接。兩側(cè)庫(kù)區(qū)借用堤防做為永久擋水建筑物，致使水庫(kù)蓄水后庫(kù)水面高于兩岸地面高程， 由于大部分河流兩岸河堤基基本上位于河漫灘上， 其組成巖性多為透水層，故蓄水后，按傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法，堤兩側(cè)大部分地面均被淹沒(méi)， 故產(chǎn)生淹沒(méi)及浸沒(méi)區(qū)域會(huì)很大，影響工程效益指標(biāo)。但由于該種水庫(kù)其特有的地形及工程特征， 水庫(kù)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的浸沒(méi)問(wèn)題與按傳統(tǒng)方法預(yù)測(cè)的范圍會(huì)大相徑庭。經(jīng)反復(fù)試踐探索，確定采用二次型地下水雍高計(jì)算法確定的浸沒(méi)問(wèn)題評(píng)價(jià)與實(shí)際情況較吻合。 通化恒如水電站工程即為此類型水庫(kù)，采用了二次型地下水雍高計(jì)算法，客觀、精確的圈定了水庫(kù)運(yùn)行可能產(chǎn)生的浸沒(méi)范圍， 為確定合理的設(shè)計(jì)方案奠定了基礎(chǔ)。

1 工程概況

通化恒如水電站位于通化縣西江鎮(zhèn)境內(nèi)， 是一座以發(fā)電為主的中型水力發(fā)電工程。 在渾江兩岸已建堤防的基礎(chǔ)上修建攔河閘及閘后河床式電站廠房等工程，拉河閘建于渾江主河床上，屬低水頭徑流式水電站工程。

閘址處河床寬408.00m，閘址左岸端點(diǎn)為沿江堤防，右側(cè)位于右岸堤防末端山體處，兩岸堤防填筑料均為卵礫石，兩岸堤防基礎(chǔ)全部坐于砂礫石層上，屬?gòu)?qiáng)透水層。 右岸堤防末端長(zhǎng)695m段堤身部分已進(jìn)行過(guò)防滲處理。 水庫(kù)正常蓄水位310.00m時(shí)高于堤防兩側(cè)大部分區(qū)域地面標(biāo)高。

1.1 主要工程地質(zhì)條件

1.1.1 地形地貌

主要存在人工堆積地形、 河漫灘和丘陵三個(gè)地貌單元。 人工堆積地形主要為沿江堤防， 呈線狀分布，堤頂高程312.48～322.35m，堤高0.6～8.8m；河漫灘分布于河流兩側(cè)，地面高程306.90～316.33m，高出江水面0.50～9.40m，寬度為73.0～1224.0m，總體平緩，傾向河床；丘陵分布于庫(kù)區(qū)兩岸河漫灘兩側(cè)，地面坡度15°～45°，局部略陡。 組成巖性以集安巖群荒岔溝組斜長(zhǎng)角閃變粒巖為主。

1.1.2 地層巖性

研究區(qū)表部為新生界第四系全新統(tǒng)松散堆積物。 由上至下依次為：

［1］人工填土：主要分布于沿江堤身。為松散～密實(shí)狀態(tài)的卵礫石。 卵石占25.3%，圓礫占36.6%，粗砂占11.5%，中砂占7.7%，細(xì)砂占6.3%，粉粒占12.6%。層厚0.60～8.80m。

［2-1］砂壤土：分布于渾江左岸河漫灘表層。 細(xì)砂占62.4%，粉粒占29.1%，黏粒占8.5%，層厚0.20～1.90。

［2-2］壤土：分布于渾江右岸河漫灘表層。 細(xì)砂占26%，粉粒占50.1%，黏粒占23.9%，層厚0.30～4.50。

［2-3］細(xì)砂：斷續(xù)分布于［2-1］之下。 礫石占1.1%，粗砂占17.3%，中砂占24.8%，細(xì)砂占43.7%，粉粒占13.1%，層厚0.50～2.30m。

［2-4］卵礫石：分布于河漫灘黏性土層之下。 卵石占30.7%， 礫石占38.3%， 粗砂占10.1%， 中砂占8.6%，細(xì)砂占5.9%，粉粒占6.4%。 層厚2.20～8.30m。

研究區(qū)基底由下元古界集安群荒岔溝組斜長(zhǎng)角閃變粒巖組成，全、強(qiáng)風(fēng)化巖體厚度3.0～10.0m。

1.1.3 水文地質(zhì)

研究區(qū)與研究問(wèn)題有關(guān)的地下水類型主要為第四系全新統(tǒng)沖積堆積細(xì)砂及卵礫石層孔隙潛水，埋深0.30～10.60m，右岸部分區(qū)段具有微承壓性，承壓水頭1.20～5.00m。 地下水位與江水位相近，形成直接水力聯(lián)系，洪水期與枯水期產(chǎn)生互相補(bǔ)給關(guān)系。

1.2 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

1.2.1 滲漏及滲透穩(wěn)定

形成庫(kù)區(qū)的兩側(cè)沿江堤防基礎(chǔ)巖性為卵礫石層，堤防填筑土料組成巖性也是卵礫石，滲透系數(shù)Kv=9.0×10-2cm/s，均為強(qiáng)透水層，僅右岸堤身樁號(hào)3+178.35～3+873.45.10m段已經(jīng)采取無(wú)紡布防滲處理措施，其他段均沒(méi)有采取防滲措施，水庫(kù)蓄水后將存在嚴(yán)重滲漏及滲透穩(wěn)定問(wèn)題。

由于堤身與堤基卵礫石層為強(qiáng)透水巖土體，堤基卵礫石層下伏斜長(zhǎng)角閃變粒巖表部風(fēng)化較強(qiáng)烈，也為強(qiáng)-中等透水巖體。故對(duì)堤身沿迎水側(cè)采用鋪設(shè)防滲膜， 外鋪混凝土板形式進(jìn)行防滲， 為了節(jié)省資金，堤基僅對(duì)卵礫石層布設(shè)混凝土截滲墻，以解決堤基滲透穩(wěn)定問(wèn)題。

1.2.2 浸沒(méi)

由于形成庫(kù)區(qū)的兩岸堤基斜長(zhǎng)角閃變粒巖未進(jìn)行防滲處理，存在嚴(yán)重滲漏問(wèn)題，當(dāng)水庫(kù)蓄水后，堤防兩側(cè)、尤其左岸地下水位將產(chǎn)生較大雍高，部分將出露于地表，產(chǎn)生較嚴(yán)重的浸沒(méi)問(wèn)題。

2 浸沒(méi)問(wèn)題分析

研究區(qū)兩岸地勢(shì)總體低平，向河床傾斜，局部地勢(shì)略有起伏。左岸地表巖性由上至下依次為砂壤土，層厚0.20～1.90m；細(xì)砂，層厚一般為0.5～1.0m，局部達(dá)2.3m；卵礫石，層厚一般2.20～6.0m，局部達(dá)8.3m。右岸地表巖性由下至下依次為壤土，層厚0.30～4.50m；卵礫石，層厚一般2.0～4.0m。 構(gòu)成本研究區(qū)基底的斜長(zhǎng)角閃變粒巖表部滲透系數(shù)k=8.75×10-2～7.0×10-3cm/s。

壤土層為弱透水巖土體， 砂壤土與細(xì)砂層為中等透水巖土體， 卵礫石層與斜長(zhǎng)角閃變粒巖層為強(qiáng)透水巖土體。 兩岸地下水位埋深0.30～10.60m，地下水位線高程一般為303.35～311.67m， 至河床處基本與庫(kù)水位持平，枯水季節(jié)地下水補(bǔ)給河水，豐水季節(jié)河水補(bǔ)給地下水。

當(dāng)水庫(kù)正常蓄水位310.00m時(shí)， 水庫(kù)回水長(zhǎng)度6.80km，閘址處最大水深7.45m，水庫(kù)水位遠(yuǎn)高于兩岸地下水位，且高于部分地表高程，且由于沿江堤防堤身及堤基均為強(qiáng)透水層， 兩岸尤其左岸將形成浸沒(méi)區(qū)。

2.1 勘察工作方法及工作量布置

經(jīng)初步分析兩岸地形及地層資料， 確定左岸浸沒(méi)問(wèn)題較嚴(yán)重， 右岸相對(duì)較輕， 但右岸地勢(shì)相對(duì)復(fù)雜，可能存在浸沒(méi)問(wèn)題的區(qū)域相對(duì)較分散，而左岸地貌單一，存在問(wèn)題基本為全域性的，故在全區(qū)工程地質(zhì)測(cè)繪及初步探明地層及地下水資料的基礎(chǔ)上選擇垂直河流方向（接近地下水流方向）在左岸布設(shè)了9條勘測(cè)剖面，右岸布設(shè)了11條勘測(cè)剖面?？碧绞侄沃饕獮榭犹?、鉆探、原位測(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)等手段，綜合對(duì)比分析。 毛管水上升智能識(shí)別系統(tǒng)為我院新近自主研發(fā)產(chǎn)品， 可在探坑內(nèi)原位測(cè)試不同土層及綜合全斷面土層的毛細(xì)管水上升上度，方便、精準(zhǔn)。共布置探坑42個(gè)（以見地下水位及預(yù)測(cè)水庫(kù)蓄水后地下水雍高線為設(shè)計(jì)深度），鉆孔116個(gè)（以深入地下水位以下3～5m為設(shè)計(jì)孔深，控制性鉆孔以可確定基巖面為終孔條件）。其原位測(cè)試毛細(xì)管水上升高度36次，取原狀樣室內(nèi)毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)32次。

2.2 傳統(tǒng)浸沒(méi)分析評(píng)價(jià)及存在的問(wèn)題

庫(kù)區(qū)左岸坡度較緩，地形坡度1°～3°。 組成巖性為砂壤土、細(xì)砂、卵礫石，地下水類型為孔隙潛水，現(xiàn)狀 （勘察期為枯水期） 地下水高程為303.38 ～308.45m，地下水水力比降為0.124%。 庫(kù)區(qū)右岸坡度較緩，地形坡度1°～3°。 組成巖性為壤土、細(xì)砂、卵礫石，地下水類型為孔隙潛水，局部具有承壓性，地下水高 程 為305.80 ～313.70m， 地 下 水 水 力比降 為0.144%。

兩岸堤防基礎(chǔ)及堤身均為強(qiáng)透水巖土體， 水庫(kù)至正常蓄水位310.0m后將發(fā)生嚴(yán)重滲漏問(wèn)題， 造成庫(kù)水大量補(bǔ)給地下水， 當(dāng)庫(kù)水補(bǔ)給兩岸漫灘地下水遇兩側(cè)山體向漫灘排泄地下水時(shí)， 地下水位迅速雍高，左岸大部分漫灘將被淹沒(méi)，右岸將存在少部分淹沒(méi)區(qū)。由于該段渾江上游水源補(bǔ)給充分，故兩岸水位基本與310.0m持平， 此地下水位雍高值進(jìn)行浸沒(méi)預(yù)測(cè)，左岸將90%左右將成為浸沒(méi)區(qū)，其中淹沒(méi)面積為2.424km2，浸沒(méi)面積為1.303km2。 由于右岸地勢(shì)相對(duì)較高，影響范圍較小，故本文僅以左岸為例進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

但研究區(qū)地勢(shì)總體向河床傾斜，在堤防內(nèi)側(cè)地勢(shì)最低。 以左岸為例，在靠堤防附近形成順江方向近似條帶狀的低洼地帶，當(dāng)庫(kù)水位升高時(shí)，庫(kù)水滲入到堤內(nèi)該低洼地帶，將在堤防外側(cè)順江方向形成地表徑流向下游排泄，即形成“堤內(nèi)河”，實(shí)際地下水位雍高值遠(yuǎn)低于按規(guī)范直接進(jìn)行計(jì)算值。 傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法關(guān)于地下水壅高值的計(jì)算公式只考慮正常高水位、原地下水線及地層巖性的影響，而沒(méi)有考慮“堤內(nèi)河”地表徑流的影響，將會(huì)導(dǎo)致淹沒(méi)及浸沒(méi)范圍擴(kuò)大，造成人為征地范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致工程造價(jià)提高。 故傳統(tǒng)的浸沒(méi)分析評(píng)價(jià)不適于此類工程項(xiàng)目。

針對(duì)上述情況，本文在充分考慮堤基滲漏量及“堤內(nèi)河”形成地表徑流的情況下，利用均質(zhì)土壩滲流理論和明渠恒定均勻流理論，計(jì)算出“堤內(nèi)河”各斷面水位，再進(jìn)行各斷面地下水壅高值的計(jì)算，求得各個(gè)剖面近于真實(shí)的地下水壅高值，即“采取二次型地下水位雍高計(jì)算模型”來(lái)評(píng)價(jià)庫(kù)區(qū)的浸沒(méi)問(wèn)題。

2.3 二次型地下水位雍高計(jì)算浸沒(méi)問(wèn)題評(píng)價(jià)

2.3.1 雍高后地下水位線確定

（1）堤基單寬滲流量計(jì)算：

式中 q1為堤基單寬滲流量（m2/s）；H1為正常高蓄水位與堤基距離（m）；h1為溢出點(diǎn)水位高度（m）；l1為堤防下底面寬度（m）；k為堤基土的滲透系數(shù)（m/s）；T為堤基距下浮隔水層的距離（m）。

（2）“堤內(nèi)河” 水位采用明渠恒定均勻流理論進(jìn)行計(jì)算：

式中 h1為“堤內(nèi)河”水位（m）；m為溢出點(diǎn)處的坡比；Q為溢出點(diǎn)處的滲流量（m3/s）；n為溢出點(diǎn)處的糟率；i為溢出點(diǎn)處的坡比；b為溢出點(diǎn)處的底寬（m）。

表1 各計(jì)算剖面“堤內(nèi)河”水位計(jì)算

（3）地下水雍高計(jì)算：

式中 y1為“堤內(nèi)河”水位與下伏隔水層的距離（m）；h1為蓄水前堤內(nèi)河處水位與下伏隔水層的距離（m）；hn為蓄水前計(jì)算點(diǎn)n處的地下水位與下伏隔水層的距離 （m）；yn為壅高后計(jì)算點(diǎn)n處地下水位與下伏隔水層的距離（m）。

2.3.2 毛細(xì)水上升高度確定

根據(jù)我院自主研發(fā)的松散層毛細(xì)管水上升高度自動(dòng)識(shí)別試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、 取樣試驗(yàn)毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)并結(jié)合附近類似工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查綜合確定：［2-1］砂壤土Hk=0.80m；［2-2］壤土Hk=1.20m；［2-3］細(xì)砂Hk=0.50m，［2-4］卵礫石Hk=0.20m。

2.3.3 作物根系層厚度及房屋基礎(chǔ)深度確定

作物根系層厚度（安全超高）主要參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站提供的資料， 并向現(xiàn)場(chǎng)土地承包人員調(diào)查復(fù)核，該區(qū)建筑物主要為平房，基礎(chǔ)埋深（安全超高）以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為主。 如表2。

表2 農(nóng)作物及建筑物安全超高值統(tǒng)計(jì)

2.3.4 地下水臨界埋深確定

Hcr=Hk+ΔH

左岸：左岸地層巖性以砂壤土為主，農(nóng)作物區(qū)以玉米為主，部分耕地為水稻、人參、當(dāng)歸。

右岸：地層巖性以壤土為主，農(nóng)作物區(qū)以水稻為主，部分耕地為玉米、貝母、五味子、人參、當(dāng)歸。

水稻是喜水作物，但地下水過(guò)高也會(huì)影響產(chǎn)量，相關(guān)資料及當(dāng)?shù)囟嗄杲?jīng)驗(yàn)（根據(jù)我院哈達(dá)山水利樞紐工程庫(kù)區(qū)浸沒(méi)研究經(jīng)驗(yàn)）， 水田的地下水埋深臨界值以0.70m為宜。 根據(jù)各實(shí)測(cè)斷面地下水臨界埋深及水庫(kù)運(yùn)行后計(jì)算雍高后的地下水位線即可圈定出浸沒(méi)范圍，如表3。

預(yù)測(cè)淹沒(méi)面積0.500km2， 預(yù)測(cè)農(nóng)作物浸沒(méi)面積1.2588km2，預(yù)測(cè)建筑物浸沒(méi)面積0.0212km2。

在考慮“堤內(nèi)河”地表徑流的情況下，預(yù)測(cè)淹沒(méi)面積和浸沒(méi)面積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法，更符合實(shí)際情況，能夠有效的節(jié)約土地資源，降低工程造價(jià)。

表3 地下水臨界埋深值統(tǒng)計(jì)

3 防治措施

針對(duì)以上庫(kù)水外滲及因水庫(kù)蓄水產(chǎn)生的浸沒(méi)問(wèn)題，擬在堤內(nèi)地勢(shì)低洼處修建泄渠，渠底高程設(shè)計(jì)綜合考慮排泄能力和降低研究區(qū)地下水位線雙重因素， 縱向至攔河閘以下發(fā)電尾水處通過(guò)涵洞排向下游江道。

以上措施一方面可有效規(guī)范水庫(kù)滲漏形成的“堤內(nèi)河”地表徑流向下游排泄，同時(shí)又可排泄地下水補(bǔ)給河道部分水流，有效降低地下水位線，防止浸沒(méi)問(wèn)題發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)浸沒(méi)問(wèn)題較復(fù)雜， 尤其懸河型水庫(kù)又有其特殊性， 在評(píng)價(jià)過(guò)程中應(yīng)在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上充分考慮其特殊的地質(zhì)環(huán)境條件。 采用二次型地下水位線雍高計(jì)算模型可有效解決此類問(wèn)題， 對(duì)淹沒(méi)浸沒(méi)區(qū)的預(yù)測(cè)更符合實(shí)際情況， 可減少浸沒(méi)對(duì)土地資源的損害，降低工程造價(jià)。