豫東平原調(diào)蓄水庫(kù)地質(zhì)問(wèn)題導(dǎo)析

周子?xùn)|，張利濱,韓志浩

(1.河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省特殊巖土環(huán)境控制工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450008)

建設(shè)大型引調(diào)水工程能緩解缺水地區(qū)對(duì)水資源的需求。近年來(lái)為解決人多水少的問(wèn)題，河南省豫東地區(qū)興建了引江濟(jì)淮工程(河南段)、河南省引江濟(jì)淮供水配套工程(鄲城、淮陽(yáng)、太康、夏邑、永城等)、南水北調(diào)受水區(qū)周口供水配套工程(淮陽(yáng)、項(xiàng)城、沈丘)等國(guó)家、省重點(diǎn)引調(diào)水項(xiàng)目，均布置有調(diào)蓄水庫(kù)。本文以豫東地區(qū)調(diào)蓄水庫(kù)地質(zhì)特性為例，論述其存在的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，并提出相應(yīng)地質(zhì)建議及處理措施，為類似工程設(shè)計(jì)、建設(shè)提供參考。

1 地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

河南省東部屬黃淮沖積平原，地勢(shì)平坦、開(kāi)闊，地勢(shì)總體由西北高向東南緩傾，平均坡降一般0.2‰～0.4‰。場(chǎng)區(qū)較多河流，走向一般由西北至東南，主要有：渦河、賈魯河、惠濟(jì)河、清水河、鹿辛運(yùn)河、大沙河等。場(chǎng)區(qū)多為耕地、林地，分布較多民井。

1.2 地層巖性

工程區(qū)在大地構(gòu)造單元上為淮河臺(tái)向斜，長(zhǎng)期下沉，該區(qū)發(fā)育有巨厚的第三系、第四系地層，厚度一般500～1000m，每個(gè)統(tǒng)、組一般下部的顆粒較粗，由下向上逐漸變細(xì)，從而組成不完整的沉積旋回，本區(qū)地殼沉降頻繁，但沉降幅度各異。其中第四系地層鉆孔揭露厚度多在150～300m之間，分布廣泛，以沖積和洪積為主，多具二元結(jié)構(gòu)，具有明顯的沉積韻律。同一地層順?biāo)鞣较蝠ちＶ饾u增加；同一時(shí)期上部顆粒相對(duì)較細(xì)，下部顆粒相對(duì)較粗。

尤其第四系全新統(tǒng)上段沖積層，多為新近黃河、淮河支流沖積而成，屬黃泛區(qū)，具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)、巖相變化快、巖層多而薄、層厚差異大等特點(diǎn)。

場(chǎng)區(qū)揭露第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖積層巖性主要為輕粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、砂壤土、粉細(xì)砂等。工程區(qū)典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

1.3 水文地質(zhì)條件

影響工程建設(shè)的含水層主要為淺層地下水，地下水主要類型為第四系松散層孔隙水，下部砂層中地下水具微承壓性。砂壤土、砂層為主要含水層，含水層分布厚度不均。地下水自西北向東南流動(dòng)，流向總體與地形傾向一致，水力坡降一般為1/5000～1/2500。地下水位埋深一般為3.0～6.0m，局部6.0～10.0m。地下水具動(dòng)態(tài)變化特征，年變幅一般1～3m。

砂性土層一般屬中等透水性，壤土層一般屬微-弱等透水性，見(jiàn)表1。地下水主要補(bǔ)給自大氣降水、灌溉回滲、河渠入滲及側(cè)向逕流，主要消耗于蒸發(fā)、人工開(kāi)采及側(cè)向逕流排泄。地下水與渠水、河水水力聯(lián)系密切，在不同地段互相補(bǔ)給。

表1 場(chǎng)區(qū)主要土體滲透性試驗(yàn)建議值表

2 地質(zhì)問(wèn)題分析

2.1 滲漏問(wèn)題

豫東地區(qū)上部地層多分布有砂壤土、輕粉質(zhì)壤土、粉砂等少黏性土，具中等透水性，故水庫(kù)庫(kù)底或庫(kù)周多存在滲漏問(wèn)題。另，庫(kù)區(qū)內(nèi)分布的水井(民井、降水井等)均揭露下部砂層，成為天然的滲漏通道。

長(zhǎng)距離引調(diào)而來(lái)的水源彌足珍貴，需采取合適的防滲處理措施。防滲處理措施應(yīng)從施工工藝、工程投資、防滲效果、完工后影響等方面綜合分析比較。主要有下列幾種情況：

(1)庫(kù)底位于相對(duì)不透水的黏土層中、庫(kù)底下伏黏性土厚度足夠、庫(kù)區(qū)開(kāi)挖料中可利用防滲土料儲(chǔ)量及質(zhì)量指標(biāo)滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)等相關(guān)要求，則可采用水平防滲：黏性土換填的方式進(jìn)行防滲處理。如引江濟(jì)淮工程(河南段)試量、后陳樓、七里橋調(diào)蓄水庫(kù)均采用此類防滲方式：設(shè)計(jì)對(duì)庫(kù)周砂壤土層進(jìn)行換填處理，雖然黏性土換填需要將可利用的黏性土專門(mén)存放、晾曬，工序較多，但投資較低，優(yōu)勢(shì)較大，只需合理安排好施工工序即可，故選擇黏性土置換對(duì)岸坡滲漏夾層進(jìn)行防滲處理；在庫(kù)周遇到砂壤土?xí)r，將砂壤土在水平向挖除厚度不小于2.5m、向下進(jìn)入黏性土不少于0.5m，然后換填為重粉質(zhì)壤土，壓實(shí)度不小于0.98。

(2)庫(kù)底位于相對(duì)透水的砂性土層中、且?guī)斓紫路靶酝凛^厚時(shí)，則可采用垂直防滲：如高壓噴射灌漿防滲墻、塑性混凝土防滲墻等方式進(jìn)行防滲處理；若施工降排水問(wèn)題突出、降水量大且工期較長(zhǎng)時(shí)，亦可考慮垂直防滲處理措施。采用垂直防滲措施時(shí)，場(chǎng)區(qū)下部需具備適宜的相對(duì)不透水層作為隔水底板。如引江濟(jì)淮工程(河南段)新城調(diào)蓄水庫(kù)則采用此類防滲方式：庫(kù)底位于砂壤土層中，且?guī)熘苓吰路植加猩叭劳?、輕粉質(zhì)壤土層；現(xiàn)有水庫(kù)開(kāi)挖的重粉質(zhì)壤土厚度較薄、開(kāi)挖難度大、儲(chǔ)量不足，需從土料場(chǎng)借土；場(chǎng)區(qū)地下水位較高，庫(kù)底截水槽開(kāi)挖深度較深存在較大的施工期降排水難度，長(zhǎng)期降排水對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響；投資對(duì)比壤土鋪蓋防滲雖少于塑性混凝土防滲墻防滲，但減少幅度不大；塑性混凝土防滲墻防滲墻施工時(shí)，對(duì)庫(kù)區(qū)土方開(kāi)挖影響不大，且在防滲墻閉合后，再開(kāi)挖地下水位以下部分土方時(shí)，可減少施工期降排水的難度；綜合考慮選擇塑性混凝土防滲墻防滲墻方案。下部重粉質(zhì)壤土層分布相對(duì)較穩(wěn)定，作為垂直防滲處理隔水層。防滲墻沿堤防軸線布置，設(shè)計(jì)厚度為0.4m，其深度深入重粉質(zhì)壤土層深度不少于1m，墻體滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s。

(3)當(dāng)庫(kù)底位于相對(duì)不透水的黏土層中，但下伏黏性土厚度不夠、且黏性土下部分布有承壓含水層時(shí)，在檢修工況下存在承壓水頂托破壞問(wèn)題，則需采取垂直防滲處理措施，且需用更深處黏性土作為隔水底板；庫(kù)區(qū)開(kāi)挖料中可利用防滲土料儲(chǔ)量及質(zhì)量指標(biāo)不滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)等相關(guān)要求時(shí)，建議采取垂直防滲處理措施。

另外，庫(kù)區(qū)內(nèi)分布的水井(民井、降水井等)需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行回填處理，防止成為天然的滲漏通道。在維護(hù)期庫(kù)水放空時(shí)，封堵不牢的水井亦是天然的涌水通道。

2.2 施工降排水問(wèn)題

工程涉及地下水主要為淺層地下水，地下水主要類型為第四系松散層孔隙水，水位埋深一般為3.0～6.0m。地下水具動(dòng)態(tài)變化特征，隨大氣降水量的增大而升高，多在7—9月份因集中降雨，水位多處于高值，因農(nóng)業(yè)灌溉開(kāi)采地下水在5—6月份水位多達(dá)到低值，地下水位年變幅一般1～3m。故工程施工過(guò)程中多存在施工降排水問(wèn)題。

為保證干地施工，需采取合適的降排水措施?？刹扇【c(diǎn)降水、明溝排水等降排水措施。庫(kù)底地層巖性為砂性土?xí)r不宜采取明溝排水，因在降排水過(guò)程中砂性土易形成流砂現(xiàn)象，破壞庫(kù)底、護(hù)腳基面及坡腳的穩(wěn)定；庫(kù)底下伏黏性土較薄時(shí)，因下部砂層中地下水多具承壓性，深挖排水溝會(huì)減少承壓水頂板上覆不透水層厚度，當(dāng)不透水層厚度減少到臨界點(diǎn)時(shí)，會(huì)造成承壓水頂托破壞，造成突涌現(xiàn)象，進(jìn)而破壞地基強(qiáng)度，并給施工帶來(lái)很大困難，故不宜采取明排法降排水；當(dāng)采取垂直防滲施工時(shí)，在防滲墻閉合后，再開(kāi)挖地下水位以下部分土方，可減少施工期排水的難度及排水量，并降低因降排水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

宜在場(chǎng)區(qū)合理布置若干長(zhǎng)觀井，在不同的勘察階段、不同季節(jié)進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)，以便更全面、準(zhǔn)確的查明場(chǎng)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化特征。

2.3 浸沒(méi)問(wèn)題

調(diào)蓄水庫(kù)蓄水后將不同程度造成庫(kù)周地下水位的雍高，可能引起庫(kù)周浸沒(méi)問(wèn)題。浸沒(méi)地下水埋深臨界值可按下式確定：

Hcr=Hk+ΔH

式中,Hcr—浸沒(méi)地下水埋深臨界值,m；Hk—土的毛管水上升高度,m；ΔH—安全超高值，m。

Hk測(cè)定方法可采用以下2種：①觀測(cè)法：選擇水位長(zhǎng)期穩(wěn)定的天然坑塘的朝陰面，然后剝離表層浮土，進(jìn)行觀測(cè)；②試坑法：如果場(chǎng)區(qū)無(wú)合適的坑塘，則可利用人工開(kāi)挖的試坑進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得，試坑開(kāi)挖→灌水→保持水位穩(wěn)定足夠的時(shí)間→自水面向上每間隔10cm取1組試樣→含水率試驗(yàn)→繪制含水率與試樣高度曲線，當(dāng)含水率線與該層試樣的塑限相交所對(duì)應(yīng)的試樣高度則為該土層的毛細(xì)水上升高度。

對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)，ΔH為所種植農(nóng)作物的根系層的厚度；對(duì)城鎮(zhèn)和居民區(qū)，ΔH由建筑物基礎(chǔ)形式、荷載、砌置深度決定。

當(dāng)Hcr大于調(diào)蓄水庫(kù)設(shè)計(jì)水位埋深時(shí)，則調(diào)蓄水庫(kù)運(yùn)行一定時(shí)期后會(huì)產(chǎn)生浸沒(méi)問(wèn)題。影響的大小由場(chǎng)區(qū)地層、農(nóng)作物種類、建筑物類型、庫(kù)水位等綜合決定。為消除浸沒(méi)對(duì)庫(kù)周農(nóng)田、建筑物的影響，在庫(kù)周可設(shè)截滲暗溝，深度需大于Hcr，暗溝內(nèi)設(shè)軟式透水管，周?chē)靥钪写稚?，中粗砂周?chē)佋O(shè)土工布，其上回填砂壤土或壤土。截滲暗溝將庫(kù)內(nèi)滲水引至周邊河、溝內(nèi)排走。

2.4 邊坡穩(wěn)定問(wèn)題

該區(qū)調(diào)蓄水庫(kù)開(kāi)挖深度一般5～7m，組成邊坡巖性主要為砂壤土、輕粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土，局部為粉砂。砂壤土、輕粉質(zhì)壤土、粉砂結(jié)構(gòu)疏松，抗沖刷能力差，重粉質(zhì)壤土呈可塑狀(局部軟塑狀)，強(qiáng)度偏低，自穩(wěn)能力偏差。蓄水時(shí)水位升降和沖刷作用下易造成邊坡坍塌，存在邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。

為保證水庫(kù)邊坡的安全，需采取相應(yīng)的護(hù)砌措施。若采取現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，需考慮冬季施工、混凝土面板上排水孔容易淤堵、易裂縫等問(wèn)題；若采取砌石護(hù)坡，則需考慮石料采購(gòu)難易問(wèn)題等。預(yù)制混凝土塊：雖然預(yù)制的難度比較大、投資也相對(duì)較大，但施工工期短，可以不受季節(jié)影響；容易養(yǎng)護(hù)，維修管理方便；透水性較好，整體穩(wěn)固性好；而且砌塊的尺寸可根據(jù)需要控制，生產(chǎn)過(guò)程可工廠化和標(biāo)準(zhǔn)化，大大縮短工期；整體美觀、環(huán)保。如引江濟(jì)淮工程(河南段)調(diào)蓄水庫(kù)岸坡防護(hù)材料選用0.18m厚的預(yù)制六邊形C25混凝土砌塊，整體效果較好。

根據(jù)地層揭露情況，結(jié)合工程類比，建議蓄水池邊坡坡比采用1∶2.00～1∶2.50。開(kāi)挖較深時(shí)宜采用分級(jí)開(kāi)挖，并設(shè)置馬道。施工時(shí)避免在水庫(kù)坡頂附近施加堆載，并加強(qiáng)基坑監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，確保邊坡穩(wěn)定。

2.5 環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題

(1)地形地貌的改變。場(chǎng)區(qū)地處黃淮沖積平原，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，修建調(diào)蓄水庫(kù)需要移動(dòng)大量的土方，而場(chǎng)區(qū)周邊多為耕地，水庫(kù)開(kāi)挖及堆放渣土勢(shì)必會(huì)改變庫(kù)區(qū)一定范圍內(nèi)的地形地貌。

對(duì)于工程多余的土方可與城市建設(shè)及附近在建的高速公路、鐵路等項(xiàng)目相結(jié)合，最大限度的減少對(duì)耕地的侵占。

(2)水文地質(zhì)條件的改變。水庫(kù)蓄水后，若庫(kù)水位高于庫(kù)周地下水位，則存在庫(kù)水補(bǔ)給附近地下水，從而引起附近地下水為抬升；若庫(kù)水位低于庫(kù)周地下水位，則存在附近地下水補(bǔ)給庫(kù)水，從而引起附近地下水為下降。同時(shí)，工程運(yùn)行后會(huì)阻斷上部含水層的徑流，引起局部地段地下水的繞排、抬升；庫(kù)水對(duì)場(chǎng)區(qū)地下水予以不同程度的補(bǔ)充產(chǎn)生浸沒(méi)問(wèn)題等。對(duì)此需采取相應(yīng)的處理措施，如對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)原有河、溝、渠改建，盡量保持其效能；在庫(kù)周布置排水溝，排泄地表水及涌高的地下水。

(3)水庫(kù)邊岸再造。邊坡重粉質(zhì)壤土(局部為粉質(zhì)黏土)黏粒含量較高，失水易干裂；砂壤土、粉砂、輕粉質(zhì)壤土結(jié)構(gòu)較疏松。邊坡在庫(kù)水沖刷及上部土層失水干裂等因素作用下，邊坡易產(chǎn)生塌岸，且在庫(kù)水的長(zhǎng)期作用下，逐漸向庫(kù)外延伸，危害庫(kù)周的土地、公路及房屋建筑。對(duì)此需對(duì)邊坡采取相應(yīng)的護(hù)砌措施。

(4)水庫(kù)淤積問(wèn)題當(dāng)引調(diào)水的水源含泥砂量大時(shí)，來(lái)水進(jìn)入調(diào)蓄水庫(kù)后流速突然減慢，水流的搬運(yùn)能力會(huì)下降，所挾泥砂在庫(kù)口堆積，形成水庫(kù)淤積。影響水庫(kù)的正常使用，縮短水庫(kù)使用壽命。對(duì)此類水庫(kù)宜前置沉砂池，減少泥砂的流入量，并根據(jù)淤積情況及時(shí)進(jìn)行清淤。

3 結(jié)論

豫東平原因其獨(dú)特的地質(zhì)特性，在該地區(qū)興建調(diào)蓄水庫(kù)具有相似的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)對(duì)在建工程勘察成果總結(jié)，對(duì)本地區(qū)建設(shè)調(diào)蓄水庫(kù)可能存在的地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行歸納，為類似平原水庫(kù)工程建設(shè)提供參考。本文未包含豫東地區(qū)調(diào)蓄水庫(kù)施工和運(yùn)行中存在的所有地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，具體到某個(gè)工程需根據(jù)自身特點(diǎn)按相關(guān)規(guī)范、規(guī)程嚴(yán)格進(jìn)行勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理，以保障調(diào)蓄水庫(kù)的總體安全平穩(wěn)運(yùn)行。