水庫浸沒及庫岸坍塌對北京風電場的影響

王進衛(wèi)

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

0 前言

國內(nèi)外對災(zāi)害的研究歷史非常久遠，20世紀60年代前，自然災(zāi)害研究主要限于災(zāi)害機理及預(yù)測研究，70年代，美國首先對加州的地震、滑坡10種自然災(zāi)害進行了風險評估（張梁等，1998）。我國對地質(zhì)災(zāi)害的研究起于70年代，主要對災(zāi)害分布規(guī)律、形成機理、趨勢預(yù)測等方面分析，評價類型有崩塌（危巖）、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂縫、海水入侵等。北京的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與研究可追溯到20世紀60年代，基本與國內(nèi)外同步，并按災(zāi)害動態(tài)特征（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008），按突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害中的崩塌、滑坡、泥石流、采礦塌陷、地震、砂土液化，以及緩變型的地面沉降和地裂縫等相對常見的地質(zhì)災(zāi)害類型進行分析研究，并采取預(yù)報預(yù)警等相應(yīng)措施。本文結(jié)合北京風電場災(zāi)害評估對北京及周邊不常見的水庫浸沒和庫岸坍塌等兩種災(zāi)害類型進行分析探討，分析了兩者對建設(shè)場址的現(xiàn)狀危害，并準確預(yù)測了水庫浸沒和庫岸坍塌對工程建設(shè)運行的影響，提出了適宜的危險性量化指標和經(jīng)濟合理的防治危害措施。經(jīng)多年運行監(jiān)測，北京風電場運行平穩(wěn)，不僅保障了2008年奧運項目順利召開，且長期為北京及周邊地區(qū)提供可靠的清潔能源。

1 概述

北京風電場是為改善北京能源結(jié)構(gòu)，為北京電網(wǎng)提供清潔可再生資源，減少大氣污染，保護生態(tài)環(huán)境使首都北京成為“宜居城市”而建設(shè)的。規(guī)劃裝機總?cè)萘繛?00MW，由數(shù)10臺高度約65m、單機容量為1250kW風力的風電機和一座專用變電站構(gòu)成。場址位于北京市西北端、河北省懷來縣狼山風口東南端官廳水庫南岸的狹長地帶，海拔高度在476～479m之間。由于場址地勢較低，西北方向的氣流通過官廳水庫的水面產(chǎn)生增速效應(yīng)，不易產(chǎn)生紊流，并且無明顯的破壞風速，狼山山口使西北氣流在這里具加速作用，使得該地區(qū)的風力資源非常豐富，多年最大平均風速為13.6m/s，這里風大且持續(xù)時間長。因此，官廳水庫沿岸是北京區(qū)域內(nèi)理想的風電場址。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

風電廠場地位于延慶盆地與懷涿盆地交匯部位，官廳水庫庫區(qū)南岸的山前傾斜平原（圖1）。地勢總體呈南高北低之勢，自山前沖洪積扇頂部向水庫中心傾斜。周邊主要斷裂為北東向的桑園堡—狼山—方家沖斷裂、大古城—康莊斷裂和北西向的狼山—新保安斷裂。地表為第四系覆蓋層，基底為太古界，第四系沉積厚度100～200m左右，地層巖性以砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土、粉砂、砂礫石為主（圖2），第四系孔隙水主要為潛水。

官廳水庫自1955年8月開始蓄水運行以來，水庫周圍地區(qū)地下水位抬高，從而引起土地鹽漬化，導(dǎo)致農(nóng)作物、果樹減產(chǎn)死亡，部分民房開裂、倒塌、道路翻漿等現(xiàn)象（河北省地礦局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，1987）。水庫庫岸周長約220km，庫岸坍塌幾乎年年發(fā)生，坍塌總長度約58.74km（魯桂春，2011）。

圖1 北京風電場及周邊地貌及第四系地質(zhì)圖Fig.1 The surrounding geomorphology and the fourth geological map of Beijing wind farm

圖2 北京風電場工程地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Engineering geological section schematic of Beijing Wind Farm

3 地質(zhì)災(zāi)害類型及特征

通過分析研究項目工程特點、規(guī)模及地質(zhì)環(huán)境條件，確定了除北京地區(qū)常見的活動斷裂及砂土液化災(zāi)害類型，還有北京地區(qū)并不常見的水庫浸沒、庫岸坍塌等兩種潛在地質(zhì)災(zāi)害類型。而后者在北京市現(xiàn)行規(guī)范中亦未對其評價和量化指標等有具體要求，故本文僅分析研究水庫浸沒、庫岸坍塌對風電廠場地的影響。

3.1 水庫浸沒

（1）浸沒危害及特征

①對民房破壞：水庫浸沒對民房的破壞作用主要表現(xiàn)在兩個方面，其一由于地下水位抬升，地基土層飽和，巖性相對變軟，強度降低，進而破壞民房的穩(wěn)定使其開裂甚至倒塌；其二由于地下水位上升，當?shù)叵滤簧仙恋乇韮鼋Y(jié)深度內(nèi)，在冬季的凍結(jié)過程中，凍土表現(xiàn)有明顯的凍脹性，春季凍土消融，巖性松軟，壓縮性急劇增大，強度降低，地基下沉，因而民房受到破壞甚至倒塌。

②土壤次生鹽漬化：水庫浸沒區(qū)范圍內(nèi)，使易溶鹽集聚，地表普遍出現(xiàn)土壤次生鹽漬化，易溶鹽含量一般為0.07%～0.18%，局部達到0.53%，超過鹽漬土0.5%的含鹽量標準；水化學(xué)類型有重碳酸鹽硫酸鹽型、硫酸鹽氯變物型、重碳酸鹽型等，陽離子中鉀、鈉、鈣居首位，其次為鈣鎂，土壤次生鹽漬化會導(dǎo)致農(nóng)作物、果樹減產(chǎn)甚至死亡，加速對建筑材料的腐蝕。

（2）水庫浸沒歷史危害情況

官廳水庫自1954年開始蓄水運用以來，水庫周圍地區(qū)地下水位升高，已造成過土壤鹽漬化、農(nóng)作物、果樹減產(chǎn)死亡，部分民房開裂、倒塌、道路翻漿等危害。據(jù)懷來縣和涿鹿縣水利局1983年5月調(diào)查報告，浸沒涉及眾多鄉(xiāng)鎮(zhèn)（表1），僅懷來縣浸沒479m線以上耕地191930.5畝，涿鹿縣受官廳水庫浸沒影響范圍總面積140km2，占全縣耕地面積的19%。原建于水庫岸邊482m高程處懷來縣東花園鄉(xiāng)太師莊村，先后歷經(jīng)兩次搬遷，先是由于1954年修建水庫全村280多戶900多口人已全部搬遷至即現(xiàn)在的太師莊舊村(高程490～492m)，1956年春季浸沒災(zāi)害嚴重，村內(nèi)外翻漿，土地沼澤化，層內(nèi)地面潮濕，爐坑內(nèi)冒泉，地基下沉，墻壁裂縫的房屋占房屋總數(shù)的70%，1957年促使40多戶160多口人進行再次搬遷至即現(xiàn)在的太師莊新村。1961年以后，庫水位后退，浸沒狀況逐漸好轉(zhuǎn)。

表1 1983年調(diào)查浸沒危害統(tǒng)計情況Tab.1 Investigation of the statistics of immersion hazards in 1983

（3）水庫浸沒現(xiàn)狀分析

官廳水庫供水運用原則：為保證汛期水庫及下游防洪安全，汛期水庫水位不超過汛限水位(死水位)476m，其它月份不超過正常蓄水位479m。據(jù)官廳水庫多年運行資料，水庫運用水位低于473.5m的月份占統(tǒng)計月份的27.66%，運用水位低于死水位476m的月份占統(tǒng)計月份的76.24%，，歷年最高運用水位478.83m，未超過水庫汛后最高蓄水位479m。1985年后庫水位一直在473～474m附近運行，隨后庫水位呈下降趨勢。且由圖3 知，地下水位與庫水位聯(lián)系密切，水位曲線升降變化即基本一致。

圖3 官廳水庫水位與地下水位變化曲線圖Fig.3 Graph of variation of Guanting reservoir and groundwater

由于連年降水量的減少，懷涿盆地氣候干旱，地下水位不同程度下降，浸沒區(qū)范圍縮小。通過調(diào)查了解到：原浸沒區(qū)現(xiàn)狀水位下降了4～5m，原由于沼澤化被迫棄耕的土地現(xiàn)均已恢復(fù)了生產(chǎn)，糧食平均畝產(chǎn)由300斤最高增加到1200 斤。浸沒范圍主要分布于水庫南岸定州營以東—太師莊一帶高程473.5m現(xiàn)狀河漫灘局部地區(qū)，而建設(shè)場地位于476～479m間，目前水庫浸沒災(zāi)害現(xiàn)象較輕微。

（4）水庫浸沒預(yù)測分析及評價

水庫浸沒的標準取決于地下水的臨界深度。地下水臨界深度，對于建筑物來說就是建筑物的基礎(chǔ)的砌置深度加上基礎(chǔ)下土的毛細上升高度；對于農(nóng)作物來說，就是農(nóng)作物的根系深度加根系下土的毛細上升高度。如果地下水位的實際埋深小于或等于這個臨界深度則產(chǎn)生浸沒，否則就不產(chǎn)生浸沒。

根據(jù)相關(guān)試驗成果表明（表2），不同巖性的土層，具有不同的毛細上升高度，土的顆粒細，毛細上升高；顆粒粗則毛細上升低。工作區(qū)包氣帶巖性主要是粘性土，且多為單層結(jié)構(gòu)，毛細上升高度粘性土按1.5m左右，砂性土按0.5m左右。

表2 水庫浸沒地區(qū)土壤毛細上升高度(單位：m)Tab.2 The height of soil capillary rise in the area of reservoir immersion

發(fā)生水庫浸沒的地下水臨界深度常按下式計算（水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范，2006）：

式中：Hcr為浸沒的臨界地下水位埋深（m）；Hk為地下水位以上，土壤毛管水上升帶的高度（m）；ΔH為安全超高值（m）。對農(nóng)業(yè)區(qū)，該值即根系的厚度；城鎮(zhèn)和居民區(qū)，取決于建筑物荷載，基礎(chǔ)形式和砌置深度。

根據(jù)官廳水庫庫區(qū)浸沒工程地質(zhì)勘察報告成果，庫區(qū)以粉土和砂土為主，毛細水上升高度Hk取0.50m；農(nóng)作物以玉米及少量豆類為主，根系埋深0.15～0.30m，偏于安全考慮，安全超高值ΔH取0.5m。地下水臨界深度范圍值為0.50～1.50m。結(jié)合工程建設(shè)場地情況，經(jīng)測算當庫水位達到475.5m高程，地下水位埋深小于或等于0.5m時，建設(shè)用地(標高476～479m)將達到嚴重浸沒程度，水庫浸沒對建設(shè)用地的危險性為“中等—大”（表3）。

表3 建設(shè)場地水庫浸沒程度及危險性分區(qū)標準表Tab.3 Zoning standard talbe of reservoir immersion degree and risk in construction site

3.2 庫岸坍塌

（1）水庫塌岸因素

根據(jù)調(diào)查分析，官廳水庫塌岸的原因主要為以下幾個方面：

①地形因素：水庫沿岸局部地段岸高坡陡，易坍塌。

②地層巖性：水庫岸坡以第四系沖洪積層為主，巖性為粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土等。該種土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，水理性差，遇水易崩解，抗沖(淘)刷能力差，是造成水庫塌岸的主要原因。

③風浪作用：水庫水面寬，吹程大，風向以北風、西北風為主，在迎風岸和凸岸，風大浪高，水庫庫岸水流沖刷和風浪淘刷嚴重，是產(chǎn)生塌岸的重要原因。

④庫冰凍融：庫區(qū)冬季氣溫低，結(jié)冰時間較長、厚度大，凍融剝蝕和冰的擠壓破壞是造成水庫塌岸的另一個重要原因。

（2）庫岸坍塌歷史危害情況

官廳水庫庫岸周長約220km,自1954年官廳水庫投入運行以來，庫岸連年不斷發(fā)生不同程度坍塌，尤其是水庫蓄水初期庫水位驟然抬升至1956年汛后水位477.9m，以及1979—1980年、1995—1996年在477～478m水位長時間運行，庫岸坍塌現(xiàn)象最為活躍和嚴重（圖4）。據(jù)1999年3月張家口水利水電設(shè)計院調(diào)查結(jié)果，建庫時，估計累計塌地面積3497畝，共損失百年海棠樹25株，棗樹20株、山杏4770株、成材楊柳樹3400余株，毀壞楊水站8座、林場專用路2 km左右。

圖4 庫岸(受水淘蝕)坍塌示意圖Fig.4 Schematic diagram of reservoir banks collapse（affected by water erosion）

（3）塌岸現(xiàn)狀分析

調(diào)查發(fā)現(xiàn)水庫南岸沿岸地帶存在著不同程度塌岸情況，小七營—太師莊舊村沿線累計塌岸長度為12214m（表4）。根據(jù)庫岸形態(tài)、地層結(jié)構(gòu)、風力風向、庫岸流等自然因素，我們按塌岸程度將塌岸劃分為三類：即嚴重塌岸地段、中等塌岸地段、輕微塌岸地段（圖5、表4）。

①重塌岸地段：岸坡多為土質(zhì)中—高坡型岸坡（高度大于4m），土體抗沖(淘)刷能力差，遇水易崩解，岸前水上淺灘窄，水下淺灘不穩(wěn)定。多分布在迎風岸或凸岸，一般水面寬，吹程大，風浪及庫岸流強。塌岸段主要分布在水庫南岸小七營西北、佟莊—定州營舊村、定州營舊村—段莊以北局部地段。該段地處河流階地前緣部位，庫岸岸頂?shù)孛娓叱?79～482m，坡角高程475～477m，坡高一般4～6m，坡度多為60°～90°，屬中低型岸坡。岸前淺灘（高程476m以上）不發(fā)育，且多為磨蝕淺灘，坡度1°～3°。庫岸主要受北、西向風浪作用，在風浪作用下，有較強的庫岸流產(chǎn)生，對淺灘及庫岸沖刷作用明顯，可看到淺灘再造作用形成的水蝕階坎，說明淺灘再造作用仍在繼續(xù)。

表4 建設(shè)場地及周邊地區(qū)現(xiàn)狀塌岸分類及塌岸長度統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table of classi fication and length of bank collapse in construction site and surrounding area

②中等塌岸地段：庫岸多為中等高度的土質(zhì)岸坡(高度2～4m)，也包括一部分碎石(砂礫石)及土與碎石(砂礫石)組成的多元結(jié)構(gòu)的高岸坡，岸前發(fā)育有形態(tài)完整且趨于穩(wěn)定的淺灘，但灘后緣高程低于479m。塌岸段主要分布在小七營—佟莊局部及定州營舊村以北京包鐵路橋兩側(cè)，岸上多為耕地或經(jīng)濟林。地處河流階地前緣，沖溝較發(fā)育。受沖溝切割影響，凸岸、岸咀、岸灣相間分布。岸頂高程一般為480～482m，部分岸頂高程低于479m。岸灣地帶岸坡坡度相對較緩，為30°～40°左右，凸岸及岸咀地帶多為近直立型岸坡。定州營舊村以東淺灘寬度較小，一般3.5～7m，最大28m，其它岸段淺灘寬度相對較大；淺灘坡度一般為2°左右，岸灣及沖溝內(nèi)淺灘坡度3°～5°。

圖5 北京風電場用地及周邊塌岸現(xiàn)狀及預(yù)測范圍圖Fig.5 Current situation and prediction range of land and surrounding bank collapse in Beijing wind farm

③輕微塌岸地段：庫岸較低(高度小于2m)，岸坡坡度較緩，風浪對庫岸作用微弱，僅沿岸和局部沖溝地段有一定程度的塌岸。塌岸段主要分布在水庫南岸段莊—太師莊舊村段及小七營—佟莊舊村西段局部地區(qū)，地處山前洪積扇前緣斜坡地帶，地勢呈寬緩斜坡狀，地面坡度1.5°～3°，該區(qū)庫岸相對穩(wěn)定，塌岸較輕微。

雖然現(xiàn)狀水庫沿岸有不同程度的塌岸現(xiàn)象，但多是由于歷史上高庫水位時形成的，而現(xiàn)狀庫水位僅473～474m，且岸邊淺灘多已形成并趨于穩(wěn)定，僅凸岸、岸咀部位受風浪作用有輕微坍塌外，而建設(shè)用地范圍內(nèi)大部分岸坡相對較穩(wěn)定?，F(xiàn)狀庫岸坍塌危險性小。

(4)庫岸坍塌影響預(yù)測分析評價

塌岸的預(yù)測現(xiàn)在比較常用的卡丘金公式（聶文波等，2010），里面E·Г·卡丘金于1949年提出的庫岸最終塌岸預(yù)測寬度計算公式為：

式中：S為最終塌岸寬度（m）；N為與土的類型有關(guān)的系數(shù)，按粘土取值為1；A為水位變化幅度（m），現(xiàn)狀庫水位473m左右，按上限水位476m考慮，取3m；hp 為波浪影響深度（m），設(shè)計低水位以下波浪影響深度一般取1～2倍浪高，浪高取0.5m時波浪影響深度取1m；hb為浪爬高度（m），設(shè)計高水位以上浪爬高度可按下式計算

式中：K為岸坡粗糙系數(shù)，取0.6；h為浪高（m），取0.5m。

hs 為正常高水位以上岸坡的高度（m），取4m；α為水庫水位變動和波浪影響所涉及的范圍內(nèi)，形成均一的磨蝕淺灘的坡角（°），粘土夾塊碎石層水上穩(wěn)定坡取值20°；β為水上岸坡的穩(wěn)定坡角（°）；γ為原岸坡坡角（°）。

根據(jù)卡丘金公式預(yù)測結(jié)果（表5），當庫水位達到汛限水位476m時，水庫發(fā)生庫岸坍塌寬度將達12.13m?？梢?，庫岸坍塌對建設(shè)用地危險性較大，雖然卡丘金公式預(yù)測偏于安全，但為保障工程建設(shè)，風機及變電站場地宜遵守相關(guān)堤防工程建設(shè)規(guī)范或標準要求，盡量遠離堤岸，保證護堤地寬度不小于20m為宜。

4 危險性量化指標的選擇

目前尚無一個成熟的量化指標對水庫浸沒的危險性進行量化，根據(jù)官廳水庫庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征、庫水位情況，結(jié)合歷史上已發(fā)生浸沒災(zāi)害的情況，以及本場地實際情況進行量化，即：

（1）水庫浸沒危險性量化指標

①危險性中等—大：庫水位大于等于475.5m，地下水位埋深小于或等于0.5m時。

②危險性小—中等：庫水位大于等于474.5m并小于475.5m，地下水位埋深大于0.5m，小于或等于1.0m時。

③危險性?。簬焖淮笥诘扔?73.5m并小于474.5m，地下水位埋深大于1.0m，小于或等于1.5m時。

（2）庫岸坍塌危險性量化指標

庫岸坍塌受地質(zhì)條件、地形、風浪和庫水位等因素影響，根據(jù)庫區(qū)基本為土質(zhì)岸坡的特點及庫岸形態(tài)、風力風向、庫岸流等自然因素、現(xiàn)狀塌岸情況，針對建設(shè)項目特點將建設(shè)用地塌岸危險性程度做如下劃分：

①危險性大的地段：土質(zhì)岸坡高度大于4m，坡度60°～90°。

②危險性中等的地段：土質(zhì)岸坡高度為2～4m，坡度30°～60°。

表5 庫岸塌岸預(yù)測計算表Tab.5 Calculation table for prediction collapse of reservoir bank

③危險性小的地段：土質(zhì)岸坡高度小于2m，坡度小于30°。

5 綜合評價

結(jié)合水庫浸沒和庫岸坍塌現(xiàn)狀和預(yù)測分析評價，根據(jù)危險性量化指標對北京風電場建設(shè)用地地質(zhì)災(zāi)害危險性進行了綜合分區(qū)（圖6），北京風電廠用地范圍內(nèi)西部和東部屬危險性中等，基本適宜工程建設(shè)，而中部定州營村一帶危險性大，適宜性差。

（1）場地現(xiàn)狀水庫浸沒危害輕微，但當庫水位達到475.5m高程運行時，建設(shè)場地(標高476～479m范圍)將達到嚴重浸沒程度，浸沒危險性為“中等—大”。為保證風電廠順利建設(shè)并安全運行，工程建設(shè)位置因地制宜，在其周邊筑防護堤或采取架空(高架)措施，抬高(±0)，并加強建筑物基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和強度。

圖6 北京風電場建設(shè)用地地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合分區(qū)圖Fig.6 Comprehensive zoning map of geological hazard risk in the construction land of Beijing wind farm

（2）場地周邊的庫岸邊凸岸、岸咀等部位受波浪作用有不同程度的坍塌外，現(xiàn)狀岸坡相對較穩(wěn)定；但當庫水位抬高為476m時，塌岸表現(xiàn)將趨于活躍，部分岸坡將產(chǎn)生塌岸，危險性為“小—中等，局部為大”。風力發(fā)電機組及變電站的建設(shè)用地盡量避開陡坎，地形高差較大的地段;若須臨近庫岸，可采取漿砌石護坡或抗滑樁、坡頂和坡角開挖截、排水溝等支擋措施，并須加固建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)或采用樁基，基礎(chǔ)埋置深度進入下伏密實度相對較好的地層。

6 結(jié)語

經(jīng)過多年運行監(jiān)測，官廳水庫庫水位一直在473m以下運行，北京風電場平穩(wěn)運行，未發(fā)生相應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害，為首都藍天計劃提供了保障和清潔能源。通過對北京風電場用地的評估，為今后水庫浸沒和庫岸坍塌等規(guī)范沒有提到的災(zāi)害類型評估提供了借鑒，針對不同工程項目評估時仍須具體問題具體分析，確保工程建設(shè)順利進行。

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