減輕潮州城區(qū)浸沒影響的工程措施及效果分析

曹 洪，李 俊，符能江，孫子鈞

1 工程概況

潮州供水樞紐工程位于韓江下游潮州市區(qū)南郊兩溪口附近（圖1），樞紐功能以供水為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧航運(yùn)和改善水環(huán)境。正常蓄水位10．5 m（珠基，以下同），最低運(yùn)行水位8．5 m。水庫蓄水后，由于庫水位持續(xù)高于兩岸地面高程，可能對兩岸城區(qū)、農(nóng)田造成浸沒影響。當(dāng)韓江汛期流量超過一定值時(shí)，樞紐水閘全開。按50年一遇洪水位，壩上游為12．93 m，下游為12．7 m，因洪水歷時(shí)短，不需考慮浸沒問題。

浸沒問題已有很多研究成果［1－3］，但潮州城區(qū)有其特殊性。本文重點(diǎn)討論位于水庫西岸的潮州城區(qū)在樞紐正常運(yùn)行情況下的浸沒問題。

該區(qū)域可分為兩個地貌單元：竹竿山以北為低山丘陵區(qū)，以南為韓江三角洲沖積平原。水庫兩岸由人工填筑的防護(hù)堤組成，東岸有意東堤、東廂堤；西岸有北堤、城堤、南堤。潮州城區(qū)堤后地面平坦開闊，地勢總體上自北東向南西側(cè)微斜。岸邊高程約12 m，城區(qū)地面高程大多7～8 m，西南方向有榕江的支流楓溪，地面逐漸降低到4 m。該區(qū)域第四系地層很厚，約45～90 m，地層結(jié)構(gòu)多為“黏－砂－黏－砂”雙透水層結(jié)構(gòu)。①表層雜填土下為灰黃色粉質(zhì)黏土，厚一般為3～4 m，基本呈連續(xù)分布；②淺層砂層為中砂，局部粉細(xì)砂層，厚約3～7 m，基本呈連續(xù)分布；③中間黏性土為三角洲相灰黑色淤質(zhì)土及淤泥層，厚約7～10 m；④下層為深厚的砂卵礫石層和含卵礫砂層，一般厚約40～50 m，靠近壩址較厚，達(dá)60 m以上。城堤大部分堤段和南堤首段在堤后約200～800 m范圍內(nèi)，缺少中間兩層，地表雜填土下直接是河流相沖積粗砂、礫砂層，厚約34～59 m，地質(zhì)勘探推測該堤段為古決口段。圖2為城堤－南堤的地質(zhì)剖面。城區(qū)北面的北堤段表層的人工填土和黃色粉質(zhì)黏土、黏土較厚，砂層位于地面10～20 m以下。建庫之前，北堤和城堤按防汛標(biāo)準(zhǔn)沿堤做了懸掛式高噴防滲墻。

圖1 潮州供水樞紐平面圖Fig．1 Plan of Chaozhou Water Supply Project

圖2 城堤－南堤地質(zhì)剖面Fig．2 Typical geological section of South Levee in city levee

浸沒影響在城區(qū)各個區(qū)域會有差別。①北堤段將以單純承壓水的形式出現(xiàn)；②城堤大部和南堤首段由于古決口段的存在，懸掛式防滲不可能將砂層圍封，地下水位勢必會升高至接近地表甚至在地表低洼處溢出；③南堤段地層基本為雙透水層結(jié)構(gòu)，若沿堤作防滲處理將上部透水砂層截滲，理應(yīng)會有較好效果，但水會從上游古決口段繞滲過來，導(dǎo)致局部地下水位上升，產(chǎn)生浸沒影響。

2 浸沒問題的研究、工程處理措施及實(shí)施情況

建庫前針對浸沒問題進(jìn)行較大范圍的鉆探、抽水試驗(yàn)、地下水滲流方向流速測試、民用水井調(diào)查等工作。通過有限元計(jì)算，對各個區(qū)域地下水滲流特性有了清晰的認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上提出控制或減低浸沒影響的處理方案。

2．1 蓄水后滲流場的特性分析

通過分析地質(zhì)、地形資料，采用有限元方法分析計(jì)算滲流情況。圖3為按庫區(qū)水位10．5 m，不作工程處理，采用有限元方法計(jì)算得到的滲流等水頭線［4］。計(jì)算區(qū)域包括西岸的北堤、城堤、南堤和東岸的東廂堤。由圖可見，若不作工程處理，老城區(qū)大片區(qū)域水頭高于9 m，而城區(qū)地面高程除沿江一帶外，一般在7～8 m，顯然會有嚴(yán)重的浸沒影響。

圖3 未作工程處理的滲流等水頭線Fig．3 Isograms of water head in seepage without engineering treatment

從該地區(qū)的地質(zhì)、地形條件以及滲流場趨勢可以看出：整個庫區(qū)地形是韓江邊高，向兩邊傾斜，西岸向西南傾斜，且有榕江的支流楓溪，是很好的滲流通道，這與常見的庫區(qū)浸沒條件不一樣。工程處理措施應(yīng)充分考慮這一特點(diǎn)。東岸也有相似特點(diǎn)。

2．2 工程處理措施及效果預(yù)測

通過論證［4］并考慮工程措施的可操作性，提出了以截堵和疏排相結(jié)合的處理措施：

（1）沿南堤施工多頭小直徑攪拌樁和部分高噴防滲墻，目標(biāo)是截住上層透水層的滲流。

（2）在城堤和南堤北段（范圍1．4 km）原有的懸掛式高噴墻后布置68個減壓井，井底高程為－16 m，井徑300 mm，井口高程北面46個為8 m，南面12個為7 m，中間10個漸變過渡。目的是在庫水位較高時(shí)，減低老城區(qū)的地下水位。

有限元計(jì)算預(yù)測庫水位達(dá)到10．5 m時(shí)的滲流場情況見圖4（僅顯示庫區(qū)西岸）。由于有了減壓井和防滲墻，城堤段堤后600 m范圍大部分地區(qū)水頭在8．0～8．5 m，低于地表約0．7 m，基本滿足工程要求。南堤段自北向南由8 m降到6．5 m。減壓井出水量見圖5。庫水位10．5 m時(shí)單井出水量最大為22．7 L／s，總出水量 830 L／s。

圖4 城區(qū)設(shè)計(jì)預(yù)測等水頭線Fig．4 Designed isograms of water head in city zone

2．3 工程實(shí)施情況

水庫2005年8月開始蓄水，減壓井開始工作則是在2006年下半年，水庫蓄水到一定水位（最高達(dá)到9 m）之后。減壓井的出水原擬排入市政管網(wǎng)，后因舊管網(wǎng)老化需改造，改為在城堤與南堤結(jié)合部古樹廟設(shè)泵站將出水抽回庫區(qū)。

減壓井施工期間同步進(jìn)行了抽水試驗(yàn)。試驗(yàn)以達(dá)到抽水量為控制標(biāo)準(zhǔn)，沒有加測井外測點(diǎn)。由于沒有排除井中水頭損失，其測值僅作為參考。將試驗(yàn)中各井的單位降深流量（出水量／降深）整理列于圖6。圖中可見各井的出水能力是有較大差異的，68個井的平均值為5．75（L／s）／m。

防滲墻施工在水庫蓄水以后完成。因此，我們可以通過設(shè)置工程措施前后的測試數(shù)據(jù)對比來判別工程效果。

圖5 設(shè)計(jì)預(yù)測減壓井出水量Fig．5 Predicted water yield of relief wells

圖6 減壓井檢測結(jié)果Fig．6 Measured results of relief wells

2．4 監(jiān)測系統(tǒng)的建立

在各個可能受浸沒影響的區(qū)域布置了55支測壓管，對地下水進(jìn)行長期監(jiān)測。圖7顯示了水庫西岸的部分測點(diǎn)布置。監(jiān)測從2005年8月30日開始，經(jīng)歷了主要蓄水過程，包括減壓井施工前、后及防滲墻施工前、后的變化過程。

3 對工程處理措施的效果初步評價(jià)

隨著水庫水位增高，積累了大量測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)，也顯露出一些浸沒現(xiàn)象：如右壩頭附近（圖1中標(biāo)注①）的農(nóng)田滲水；廈寺村（圖1中標(biāo)注②）內(nèi)地表溢水；北堤JK01測壓管及老城區(qū)有幾只測壓管承壓等。以下根據(jù)測壓管數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元分析，對各區(qū)域的浸沒影響作初步評價(jià)。

3．1 減壓井出水量統(tǒng)計(jì)

減壓井的出水由泵站的開機(jī)時(shí)間可以粗略估計(jì)。泵站的單機(jī)抽水能力為0．43 m3／s，5臺機(jī)輪換工作。設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)測在庫水位9．5 m時(shí)減壓井總出水量為0．49 m3／s。圖8為依據(jù)值班記錄統(tǒng)計(jì)出的日抽水量（銘牌數(shù)），時(shí)段為2008年4月1日至4月25日、2008年5月24日至7月31日。在此期間壩前水位基本穩(wěn)定在9．5 m。圖中的4條粗水平線為按月統(tǒng)計(jì)的日均抽水量，平均值為52 068 m3／d，換算為0．6 m3／s?？紤]到泵的實(shí)際擔(dān)水能力與銘牌的誤差，實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)略小，與預(yù)測的0．49 m3／s應(yīng)該是很接近的。當(dāng)然，這種統(tǒng)計(jì)方法是很粗略的，從圖中可見個別數(shù)據(jù)分散度很大，因此結(jié)論也只能是定性的，但仍基本達(dá)到原設(shè)計(jì)所需出水量。

圖7 城區(qū)測壓管在壩前水位10．1 m時(shí)的測值Fig．7 Measured values of piezometric tubes at upstream water level of 10．1 m

圖8 由泵站記錄近似估算日抽水量Fig．8 Approximately daily pumpage according to the pumping station record

3．2 測壓管監(jiān)測資料分析

將圖7測值與圖4的預(yù)測值比較，除了北堤附近和南堤靠近樞紐壩頭處較預(yù)測值高外，其余均與預(yù)測值相差在0．5 m以內(nèi)。

由圖可見有8個測壓管的水頭值高于或接近于管口。其中JK01位于北堤，JK22和JK28位于南堤，其余5個位于老城區(qū)。老城區(qū)這幾個測點(diǎn)，從測值看，與原預(yù)測水位差別并不太大，主要是因測孔所在位置地面較低。從埋設(shè)資料看，這些測孔地表覆蓋層都較厚，屬于微承壓狀態(tài)，測點(diǎn)附近地表暫時(shí)未見有滲水等浸沒現(xiàn)象。

圖9為位于減壓井保護(hù)范圍的一組典型測壓管過程線（缺2007年1月～6月資料）。由圖可見，當(dāng)庫水位低于8 m（低于減壓井口高程）時(shí)，各測點(diǎn)水頭隨庫水位變化，相關(guān)性很好。庫水位高于8 m，各測點(diǎn)水頭與庫水位拉開了距離，且?guī)焖惠^大的變化只引起測壓管較小的跟隨變化。如庫水位由9．5上升到10m，各測點(diǎn)變化僅為0．1～0．2m。這顯然是減壓井在起作用。

圖9 JK22、JK23、JK18水位過程曲線Fig．9 Hydrographs at measuring point JK22，JK23 and JK18

右岸壩頭附近（圖1中標(biāo)注①，圖7中測壓管JK38）是一片地勢較低的農(nóng)田，在蓄水初期未修建防滲墻時(shí)有較大滲水，防滲墻修建后滲水明顯減少，JK38測值為6．21 m，與預(yù)測計(jì)算的6～6．5 m（見圖4）吻合。這也說明了防滲墻的作用效果。

廈寺村（圖1中標(biāo)注②）緊靠南堤，預(yù)測計(jì)算當(dāng)庫水位10．5 m時(shí)，該區(qū)域水頭應(yīng)為7．5～8 m（圖4），實(shí)際測壓管JK28在庫水位9 m時(shí)已超過管口7．52 m，出現(xiàn)溢水，其后測壓管損壞，未能測到較高庫水位時(shí)的數(shù)據(jù)。與鄰近稍偏上游的JK25測值8．13 m比較，應(yīng)該在8 m左右，與預(yù)測還是相合的。但由于廈寺村地勢較周邊低，加上地表弱透水覆蓋層薄，出現(xiàn)了地面滲水?，F(xiàn)已采取疏通排水方法進(jìn)行了處理。

北堤后的測壓管JK01有較大承壓，與庫水位接近。該測壓管的濾管位于較深的砂層中，是原有懸掛式高噴墻處理到的層面。目前未發(fā)現(xiàn)地表有浸沒跡象。

4 結(jié) 論

對潮州城區(qū)地形、地貌、施工期間減壓井試驗(yàn)記錄、運(yùn)行期管理和檢測資料分析，并與預(yù)測結(jié)果比較，可得如下結(jié)論：

（1）城區(qū)滲流場具有兩河之間單向滲流的特性，可以利用減壓井和懸掛式截滲墻減輕城區(qū)的浸沒影響。

（2）為重點(diǎn)保護(hù)老城區(qū)而采用的減壓井，工作效果與預(yù)測吻合達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，主城區(qū)基本未出現(xiàn)浸沒危害。

（3）對右壩頭和廈寺村等處溢水問題有了清楚的認(rèn)識，并已作出相應(yīng)的解決措施。

水庫蓄水引起的浸沒問題，包括工程措施的長期有效性，以及隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對浸沒判別標(biāo)準(zhǔn)的變化等，是需要長期研究的課題，本文介紹的僅是一個初步成果。

［1］ 凌開瓊．水庫浸沒問題初步探討［J］．東北水力水電，1992，11（7）：26－29．

［2］ 曹政之．對江南地區(qū)水庫浸沒預(yù)測評價(jià)的淺見［J］．水力發(fā)電，1986，（1）：27－30．

［3］ 李劍強(qiáng)，周 建．趙山渡引水工程庫區(qū)浸沒調(diào)查研究［J］．水利水電技術(shù)，2001，32（2）：14－15．

［4］ 曹 洪，尹小玲，魏旭輝，等．潮州供水樞紐工程庫區(qū)浸沒影響初探［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（5）：862－866．