洱海灌區(qū)末端攔截調(diào)蓄帶浸沒問題初步研究

王玉川， 翟衛(wèi)紅， 賈 鑫， 楊立立， 余建光

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

水庫蓄水使水庫周邊地下水位壅高，引起土壤鹽漬化或沼澤化、建筑物地基沉陷或破壞、地下工程充水或涌水量增加、居住環(huán)境惡化等現(xiàn)象統(tǒng)稱為浸沒[1]。浸沒問題會(huì)影響水庫正常蓄水位的選擇，甚至影響大壩的選址，因此浸沒問題的研究具有重要意義。水庫浸沒問題多發(fā)生在庫尾地形平緩地段，對于一般庫壩型水庫來說，其浸沒計(jì)算方法和相關(guān)研究均較成熟，總體思路是：在調(diào)查水庫區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對可能浸沒的地區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定態(tài)潛水回水預(yù)測計(jì)算，并根據(jù)浸沒區(qū)土壤毛細(xì)水上升高度確定農(nóng)業(yè)區(qū)和建筑物區(qū)的臨界地下水位埋深，進(jìn)而計(jì)算浸沒區(qū)的范圍[2-6]。調(diào)蓄帶浸沒評價(jià)方法不同于一般庫壩型水庫，其相關(guān)研究較少。對于調(diào)蓄帶，尤其是地形平緩、地下水位埋深淺的調(diào)蓄帶來說，采用常規(guī)水庫浸沒地下水埋深臨界值計(jì)算判別方法，往往會(huì)造成浸沒范圍和影響程度的判別結(jié)果偏大，與實(shí)際偏差較多。調(diào)蓄帶浸沒計(jì)算方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較水庫浸沒不同，對其開展研究具有一定的工程意義。

洱海灌區(qū)分為灌區(qū)工程和末端攔截調(diào)蓄帶工程，前者包括上關(guān)、喜洲、下關(guān)、鳳儀、海東和挖色等6個(gè)片區(qū)，后者包括海西片A-M段和海東片挖色段、海東段等15段。末端攔截調(diào)蓄帶工程通過對農(nóng)田灌溉回歸水和初期雨水進(jìn)行末端攔截，并利用回用泵站將調(diào)蓄帶內(nèi)凈化后的水用于農(nóng)田灌溉。調(diào)蓄帶總長38.71 km，總?cè)莘e557.89萬m3，有效容積472.23萬m3。根據(jù)現(xiàn)狀地形，調(diào)蓄帶采用半挖半填形式，正常蓄水位水深2 m，兩側(cè)填筑寬度為15～20 m的堤防，堤防高度2.5 m。調(diào)蓄帶臨近洱海，地下水位埋深淺，正常蓄水位時(shí)調(diào)蓄帶水補(bǔ)給地下水，造成地下水位壅高，存在浸沒問題。本文對該調(diào)蓄帶進(jìn)行浸沒范圍預(yù)測和評價(jià)，結(jié)合工程布置提出相應(yīng)的防治措施，可為合理開展調(diào)蓄帶工程建設(shè)提供相關(guān)參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 地形地貌與地層巖性

工程區(qū)為斷陷盆地堆積地貌，地形總體呈四周高、中間低的特點(diǎn)，最低點(diǎn)為洱海北端河尾村，海拔為1 963.5 m。調(diào)蓄帶環(huán)洱海周邊布設(shè)(圖1)，地形坡度為1°～3°，周圍農(nóng)田密布，局部居民建筑物較為集中。

圖1 洱海灌區(qū)末端攔截調(diào)蓄帶分布示意圖Fig.1 Distribution of interception and storage zoneat the end of Erhai Irrigation District

調(diào)蓄帶沿線主要發(fā)育第四系全新統(tǒng)沖湖積物(Qhal+l)，巖性以粉質(zhì)粘土和粉土為主，含淤泥質(zhì)，一般呈深灰色，單層厚度為15～20 m，總厚度>50 m，地質(zhì)結(jié)構(gòu)不均勻，層間局部夾厚度0.1～0.3 m的粉砂、礫砂透鏡體。根據(jù)現(xiàn)場測試及室內(nèi)試驗(yàn)，地基土主要物理指標(biāo)見表1。

表1 地基土物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Physical indexes of foundation soil

1.2 水文地質(zhì)條件

調(diào)蓄帶沿線水文地質(zhì)條件受地形地貌和地層巖性控制。地下水類型主要為松散層孔隙水，以潛水為主，局部有承壓水。地基土富水性弱，其中粉質(zhì)粘土屬于弱透水—微透水，粉土屬于中等透水—弱透水，粉砂、礫砂等夾層多屬于中等透水。地下水埋藏較淺，一般為0.3～1.5 m，主要受大氣降水補(bǔ)給，通過孔隙徑流向洱海排泄。

調(diào)蓄帶受限于地形、村莊及蒼山十八溪分布的影響，在村鎮(zhèn)集中處和穿越十八溪處斷開，海西片包括A-M段共13段，海東片分挖色段和海東段。調(diào)蓄帶設(shè)計(jì)正常蓄水位多高于現(xiàn)狀地下水位(表2)，一般為調(diào)蓄帶水補(bǔ)給地下水。

表2 調(diào)蓄帶浸沒面積和影響程度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of submerged area and influence degree of storage belt

2 浸沒范圍預(yù)測和評價(jià)

2.1 浸沒初判

工程區(qū)是由第四系沖湖積層組成的平緩地帶，分布大量的農(nóng)田及村莊。調(diào)蓄帶開挖范圍地基土主要為粉質(zhì)粘土及粉土，根據(jù)原狀土樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，其滲透系數(shù)一般為1×10-6～1×10-4cm/s，屬弱透水—微透水，總體為相對不透水層。但該區(qū)地層結(jié)構(gòu)不均勻，層間局部夾粉砂、礫砂等夾層，屬中等透水，可能構(gòu)成調(diào)蓄帶滲漏的通道。因調(diào)蓄帶設(shè)計(jì)正常蓄水位一般高于地下水位，會(huì)造成周邊地下水位雍高，加上毛細(xì)水的上升，可能存在農(nóng)作物區(qū)和建筑物區(qū)浸沒問題。

工程區(qū)地下水礦化度為165～725 mg/L，屬于淡水。另外工程區(qū)現(xiàn)有排水設(shè)施完善，浸沒區(qū)為不可能次生鹽漬化地段。

2.2 浸沒復(fù)判

浸沒地下水臨界埋藏深度計(jì)算公式為：

Hcr=Hk+ΔH

(1)

式中：Hcr為浸沒地下水埋深臨界值；Hk為土壤毛細(xì)水上升高度；ΔH為安全超高值。

2.2.1地下水臨界深度的選取

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)工程區(qū)粉質(zhì)粘土毛細(xì)水上升高度一般為0.42～0.90 m，平均為0.66 m；粉土毛細(xì)水上升高度一般為0.70～0.99 m，平均為0.81 m。基于安全考慮，取地基土毛細(xì)水上升高度為1.0 m。調(diào)蓄帶周邊農(nóng)作物大多為水稻，其根系深度一般為0.2～0.3 m，取農(nóng)作物區(qū)安全超高值為0.3 m。按公式(1)計(jì)算得出攔蓄工程周邊農(nóng)作物區(qū)地下水位臨界深度為1.3 m。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，調(diào)蓄帶沿線地下水位埋深一般為0.5～1.5 m，而水稻田等地勢稍低地段的地下水埋深多<1.0 m，因此地下水臨界埋深取值1.3 m對于水稻來說是偏于保守的。地下水位長期過高會(huì)影響水稻產(chǎn)量；另根據(jù)廣東、江蘇等省的試驗(yàn)，水稻在分蘗末期曬田期間，地下水埋深以0.3～0.6 m為宜[7]。因此綜合考慮，取攔蓄工程周邊農(nóng)作物區(qū)地下水位臨界深度為0.5 m。

調(diào)蓄帶周圍居民區(qū)建筑物多為磚混結(jié)構(gòu)，一般不超過3層，為條形基礎(chǔ)，埋深一般為1～2 m，取居民區(qū)安全超高值為2.0 m，根據(jù)公式(1)算出攔蓄工程周邊居民區(qū)地下水臨界埋深為3.0 m。工程區(qū)現(xiàn)狀地下水位埋深淺，建筑物地基持力層多已處于飽和狀態(tài)，因此調(diào)蓄帶蓄水后，地下水位壅高一般不會(huì)造成建筑物基礎(chǔ)沉降變形，但會(huì)使建筑物地面和墻體經(jīng)常處于潮濕狀態(tài)而無法居住。此時(shí)地下水臨界埋深取3.0 m對于工程周邊建筑物區(qū)來說是偏于保守的。建筑物區(qū)因地下水上升引起地面經(jīng)常處于潮濕狀態(tài)，表明地下水位或毛管水帶到達(dá)地面，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，應(yīng)判定為浸沒區(qū)，這種情況的浸沒地下水埋深臨界值應(yīng)為地下水的毛管水上升高度[7]。因此綜合考慮，取攔蓄工程周邊建筑物區(qū)地下水位臨界深度為1.0 m。

2.2.2浸沒計(jì)算

調(diào)蓄帶兩側(cè)堤防采用沿線挖方土填筑，巖性以粉質(zhì)粘土和粉土為主，滲透系數(shù)一般為1.0×10-6～1.0×10-4cm/s。根據(jù)滲流計(jì)算(圖2)，在正常蓄水位時(shí)，調(diào)蓄帶堤防背水側(cè)堤腳地下水位于地面高程以下0.1～0.2 m處， 接近地表?；诎踩紤]，調(diào)蓄帶堤防背水側(cè)堤腳地下水位按地面高程計(jì)算。

圖2 調(diào)蓄帶滲流計(jì)算水頭等值線圖Fig.2 Water head contour map of seepage calculationin regulation and storage zone

根據(jù)調(diào)蓄帶兩側(cè)水文地質(zhì)條件的不同，浸沒計(jì)算方法也不同。調(diào)蓄帶蒼山側(cè)地形較為平坦，地下水位與堤防背水側(cè)堤腳地下水位基本相當(dāng)，因此堤防背水側(cè)堤腳地下水位與臨界埋深之和即為調(diào)蓄帶外側(cè)可能產(chǎn)生浸沒的臨界地面高程。調(diào)蓄帶洱海側(cè)地下水壅高后，地下水位埋深≤1.0 m的范圍即為調(diào)蓄帶內(nèi)側(cè)的浸沒范圍。

地下水壅高計(jì)算模型見圖3，其計(jì)算公式[8]為：

圖3 浸沒計(jì)算示意圖Fig.3 Schematic diagram of immersion calculation

(2)

式中：h為調(diào)蓄帶蓄水前計(jì)算斷面處的含水層厚度；H1為調(diào)蓄帶正常蓄水位；h1為蓄水前調(diào)蓄帶位置的含水層厚度；h2為洱海位置的含水層厚度；x為計(jì)算斷面與調(diào)蓄帶的距離；L為調(diào)蓄帶—洱海的距離。

調(diào)蓄帶正常蓄水后，農(nóng)作物和建筑物在壅高后的地下水位埋深分別為<0.5 m和1.0 m時(shí)，將受浸沒影響，末端攔截工程浸沒臨界地面高程統(tǒng)計(jì)見表2。根據(jù)1∶2 000地類地形圖顯示，在調(diào)蓄帶正常蓄水位時(shí)，農(nóng)田浸沒范圍總計(jì)約431.11 hm2，其中蒼山側(cè)浸沒面積193.04 hm2，洱海側(cè)浸沒面積238.07 hm2；調(diào)蓄帶兩側(cè)附近村莊受浸沒影響，除江上村部分居民點(diǎn)外，其余大多集中在調(diào)蓄帶和洱海之間，主要包括沙村、馬久邑、洱濱村以及海東片的康廊村和挖色村等。典型段浸沒范圍示意圖見圖4。

圖4 海西片E段調(diào)蓄帶浸沒范圍示意圖Fig.4 Schematic diagram of submergence range ofregulation and storage zone in section E of Haixi

浸沒區(qū)按照影響程度可分為嚴(yán)重浸沒影響區(qū)和輕微浸沒影響區(qū)。根據(jù)浸沒區(qū)的地形地質(zhì)特征、蓄水后的地下水位及可能的危害程度等，將調(diào)蓄帶各段的浸沒影響程度進(jìn)行劃分(表2)，結(jié)果顯示海西片D-H段為嚴(yán)重浸沒影響區(qū)，其余地段為輕微浸染影響區(qū)。

2.3 浸沒評價(jià)

調(diào)蓄帶兩側(cè)地形平緩，地下水埋深淺，處于正常蓄水位時(shí)周圍農(nóng)田和建筑物均存在浸沒問題。

調(diào)蓄帶兩側(cè)農(nóng)田均受浸沒影響，主要集中在海西片D-H段，占總浸沒面積的68%。調(diào)蓄帶周圍農(nóng)作物大多為水稻，僅下關(guān)片南部局部為蔬菜，植物根系深度小。考慮到調(diào)蓄帶工程任務(wù)主要為收集高污染濃度的初期雨水并進(jìn)行回灌，并非永久保持高水位運(yùn)行，因此認(rèn)為調(diào)蓄帶周圍農(nóng)作物受浸沒危害程度較小。

受浸沒影響的居民區(qū)建筑物地基土持力層多已經(jīng)處于飽和狀態(tài)，調(diào)蓄帶蓄水后地下水位壅高一般不會(huì)造成建筑物基礎(chǔ)沉降變形，但會(huì)使建筑物地面和墻體經(jīng)常處于潮濕狀態(tài)而無法居住。

綜合分析認(rèn)為，在現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)下，農(nóng)作物受浸沒影響較小，浸沒區(qū)建筑物受浸沒影響較大，主要包括江上村、沙村、馬久邑、洱濱村以及海東的康廊村和挖色村等。

3 浸沒防治措施分析

根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件，并結(jié)合工程布置，提出了防治調(diào)蓄帶浸沒問題的排水、防滲和填高措施[9-11]。建議對浸沒影響程度嚴(yán)重區(qū)進(jìn)行填高和排水處理，對浸沒影響程度輕微區(qū)進(jìn)行排水、防滲處理。

3.1 排水措施

在堤防外側(cè)設(shè)置排水溝，溝底高程應(yīng)與現(xiàn)狀地下水位基本一致。但排水溝深挖后，滲透水流的動(dòng)水壓力增大，地基土可能產(chǎn)生滲透變形破壞，影響堤防安全運(yùn)行。

據(jù)參考文獻(xiàn)[7]附錄G顯示，工程區(qū)粉質(zhì)粘土和粉土滲透變形類型為流土，臨界水力比降計(jì)算公式為：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(3)

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土的比重；n為土的孔隙率(以小數(shù)計(jì))。

臨界水力比降除以安全系數(shù)(一般為1.5～2.0)即為允許水力比降。安全系數(shù)取值為2，則地基土允許水力比降為0.39～0.43(表3)。排水溝挖深按2 m考慮，調(diào)蓄帶正常蓄水位水深為2 m，堤防寬度一般為15～20 m，則調(diào)蓄帶蓄水后的實(shí)際水力比降為0.20～0.26 m，小于地基土的允許水力比降，因此一般不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。

表3 地基土允許水力比降Table 3 Allowable hydraulic gradient of foundation soil

3.2 防滲措施

按照洱海保護(hù)基本要求，原則上不允許調(diào)蓄帶內(nèi)的水滲入洱海?？紤]到調(diào)蓄帶蓄水后的浸沒問題，建議采用防水毯對末端攔截調(diào)蓄帶安全超高高程以下部位進(jìn)行全斷面防滲處理。

3.3 填高措施

末端攔截工程位于洱海保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，無法設(shè)置棄土場。建議采用填高復(fù)耕的方法，使用工程開挖料進(jìn)行土地平整，將浸沒區(qū)填高至一定高程再作復(fù)耕，填高的高程以保證復(fù)耕耕植土不再產(chǎn)生浸沒影響為原則。該方法既解決了調(diào)蓄帶浸沒問題，又解決了棄土問題，實(shí)現(xiàn)了挖填平衡。

4 結(jié)論

(1) 調(diào)蓄帶沿線地形平緩，地下水位埋深淺，在調(diào)蓄帶處于正常蓄水位時(shí)，周圍農(nóng)作物區(qū)和建筑物區(qū)都存在大面積的浸沒問題。調(diào)蓄帶兩側(cè)農(nóng)田浸沒面積約431.11 hm2，受浸沒影響建筑物區(qū)主要為沙村、馬久邑、洱濱村和海東片的康廊村、挖色村。

(2) 調(diào)蓄帶沿線受浸沒影響程度嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在海西片D-H段，浸沒區(qū)農(nóng)作物受浸沒危害較小，建筑物受浸沒危害較大。

(3) 結(jié)合調(diào)蓄帶地質(zhì)條件，提出排水、防滲和填高三種處理措施。建議根據(jù)浸沒危害程度的不同，對浸沒影響嚴(yán)重的區(qū)域采取填高和排水結(jié)合的措施，對浸沒影響程度輕微的區(qū)域采取排水和防滲結(jié)合的措施。