松原壅水壩庫(kù)區(qū)左岸浸沒分析與評(píng)價(jià)

王俊杰，趙年德，梁滿福

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 13000）

1 工程概況

松原壅水壩工程位于第二松花江干流下游河段，哈達(dá)山水利樞紐工程的下游，壩址位于市區(qū)前扶公路橋下游4.5 km處（松原市城區(qū)左岸防洪標(biāo)準(zhǔn)100年一遇防洪堤下游端部）。介于2020年城市規(guī)劃邊線與現(xiàn)城市邊線之間。

松原壅水壩工程是為提高主城區(qū)河段枯水期水位，改善城市水環(huán)境，塑造松原“三江水城”的城市形象。工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物的級(jí)別為3級(jí)。其正常蓄水位為131.5 m，庫(kù)容為0.38×108m3。

1.1 水庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1.1 地形地貌

水庫(kù)區(qū)兩岸分屬不同的地貌單元，右岸為沖積湖積平原，地面高程140～155 m，與河床以陡坎接觸，城區(qū)筑有護(hù)岸擋墻。左岸屬于河谷沖積平原的高、低漫灘。庫(kù)區(qū)河谷開闊，總體呈NW向展布,第二松花江經(jīng)上游哈達(dá)山流入后，經(jīng)庫(kù)區(qū)西北部流出，沿程多沙洲、淺灘，其平均水力坡降約0.2‰。兩岸防護(hù)堤間河道寬1 500～2 500 m，地面高程129～135 m，江水深1.5～4.0 m。

1.1.2 地層巖性

庫(kù)區(qū)及兩岸地層主要為第四系地層，勘察區(qū)范圍內(nèi)揭露的地層及巖性詳見表1。

1.1.3 水文地質(zhì)條件

庫(kù)區(qū)及其左岸地下水分布區(qū)在地貌形態(tài)上屬于河谷沖積平原，地面高程130～136 m之間，地勢(shì)平坦，其邊緣距河床10～25 km。鹽堿化與沼澤化廣泛分布，人工渠系縱橫全區(qū)，為東北著名的前郭灌區(qū)。

表1 庫(kù)區(qū)地層簡(jiǎn)表

庫(kù)區(qū)及其左岸地下水按其埋藏條件主要分為：全新統(tǒng)河谷砂層潛水和下更新統(tǒng)砂礫石承壓水。

1）全新統(tǒng)河谷砂層潛水。分布于庫(kù)區(qū)左岸河谷沖積平原，含水層主要由全新統(tǒng)沖積砂和粉土質(zhì)砂組成，厚17～22 m，為孔隙潛水，受大氣降水和農(nóng)田灌溉水補(bǔ)給。

據(jù)前郭市水利局潛水觀測(cè)井2007年地下水位觀測(cè)成果，全年最低水位在4月份，灌區(qū)水田灌溉后，潛水位迅速抬高，最高水位在7、8月份，年變幅1～2 m。地下水徑流滯緩，以蒸發(fā)為主要排泄形式，屬降水滲入～蒸發(fā)型。

2）下更新統(tǒng)砂礫石承壓水。下更新統(tǒng)砂礫石承壓水迭置在上第三系承壓水之上，由中更新統(tǒng)湖相低液限粘土構(gòu)成承壓含水層頂板，受區(qū)域地下水徑流補(bǔ)給。

2 庫(kù)區(qū)浸沒分析與評(píng)價(jià)

2.1 水庫(kù)浸沒

2.1.1 工作思路及過程

由于庫(kù)區(qū)左岸屬于大面積的河谷沖積平原，地面高程130～136 m，其東、南、西三面有明顯陡坎，形成一由近代河流沉積物組成的馬蹄形小盆地，地下潛水埋藏淺，且徑流滯緩，以蒸發(fā)為主要排泄方式，因此蓄水后庫(kù)區(qū)左岸的浸沒問題便比較突出。針對(duì)此問題，自可研階段起，便投入大量人力、物力和財(cái)力，并分階段、循序漸進(jìn)地開展了大量地質(zhì)工作：可研階段，對(duì)庫(kù)區(qū)左岸進(jìn)行了大范圍的水文地質(zhì)調(diào)查工作（374 km2），并繪制了地下水等水位線圖，對(duì)地下水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了初步分析和認(rèn)識(shí)；初設(shè)階段，根據(jù)可研階段的初步認(rèn)識(shí)，于庫(kù)區(qū)左岸布置了3條長(zhǎng)5～6 km的實(shí)測(cè)斷面，進(jìn)行水文地質(zhì)勘察工作，并繪制成剖面圖，據(jù)對(duì)3條剖面上地下水位線的二維解析法雍高計(jì)算結(jié)果，地下水雍高的水平距離達(dá)到5～6 km，這與可研階段人為認(rèn)為的2～3 km差距較大，考慮到解析法考慮的因素簡(jiǎn)單，實(shí)用性差，為慎重起見，專門委托河海大學(xué)對(duì)庫(kù)區(qū)左岸的浸沒問題進(jìn)行了三維的專題研究。由于專題研究報(bào)告中預(yù)測(cè)的浸沒范圍包含了前郭灌區(qū)和非灌區(qū)，但結(jié)合該工程實(shí)際情況，考慮到前郭灌區(qū)，有完整的排水系統(tǒng)，應(yīng)不受壅高地下水影響，不存在水庫(kù)浸沒問題。確定浸沒影響范圍應(yīng)在前郭灌區(qū)邊線與庫(kù)岸之間，寬度3.5～6.5 km。故對(duì)專題研究報(bào)告中預(yù)測(cè)的浸沒面積，在扣除了灌區(qū)內(nèi)的水田面積后重新進(jìn)行了預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

2.1.2 三維浸沒范圍預(yù)測(cè)

分析庫(kù)區(qū)左岸天然狀態(tài)下的地下水三維滲流場(chǎng)特征，預(yù)測(cè)水庫(kù)蓄水后地下水三維滲流場(chǎng)特征變化，進(jìn)而確定出浸沒影響的范圍。

特點(diǎn)：

1）以往庫(kù)區(qū)浸沒的分析和評(píng)價(jià)通常采用傳統(tǒng)的解析法，通過對(duì)二維剖面上水位的計(jì)算來評(píng)價(jià)、分析庫(kù)區(qū)浸沒問題，但解析法考慮的因素簡(jiǎn)單，實(shí)用性差。這次計(jì)算以地下水滲流理論為基礎(chǔ)，采用真三維數(shù)學(xué)模型，整體反映和模擬了地下水系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)和滲流特征。

2）綜合分析研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，首次建立了代表第四紀(jì)松散沉積層的松原壅水壩左岸浸沒預(yù)測(cè)三維數(shù)值模型，模擬預(yù)測(cè)了松原壅水壩左岸地下水的動(dòng)態(tài)變化，計(jì)算了松原壅水壩左岸天然工況和蓄水工況的浸沒范圍。

3）將壅水壩左岸第四系含水系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)一的水文地質(zhì)系統(tǒng)，結(jié)合研究區(qū)地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給、徑流、排泄特征及地下水水位動(dòng)態(tài)變化特征，采用三維數(shù)值模型將潛水含水層和承壓含水層之間的黏土層作為弱含水層直接參與計(jì)算，與將其概化為越流層相比，更貼近實(shí)際，克服了以往分層單獨(dú)計(jì)算所造成的水量重復(fù)或缺失，極大地提高了模型計(jì)算的置信度。

4）在對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分別按照研究區(qū)天然工況和四種蓄水工況方案進(jìn)行松原壅水壩左岸浸沒范圍的預(yù)測(cè)，尤其是天然工況和無防滲墻蓄水工況方案，分別按月計(jì)算了各自的浸沒范圍，并通過對(duì)比分析，確定了本次工程給浸沒帶來的影響，使計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)、可信，為工程設(shè)計(jì)提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

浸沒范圍預(yù)測(cè)：

1）浸沒標(biāo)準(zhǔn)。水田臨界水位0.70 m，其中埋深小于0.30 m為嚴(yán)重浸沒區(qū)，埋深0.30～0.70 m為輕微浸沒區(qū)；旱田臨界水位1.00 m，其中埋深小于0.50 m為嚴(yán)重浸沒區(qū)，埋深0.50～1.00 m為輕微浸沒區(qū)。

2）預(yù)測(cè)方案。以2006年12月31日作為預(yù)測(cè)的初始時(shí)刻，區(qū)內(nèi)地下水的開采狀態(tài)保持在2007年的水平不變，分水庫(kù)天然工況和蓄水工況共五種方案按月進(jìn)行預(yù)測(cè)[2]。

①天然工況方案（方案一）：扶余站位于壩址上游4.50 km處，由于受上游豐滿水庫(kù)調(diào)蓄影響，多年逐月平均水位變化不大。根據(jù)扶余站監(jiān)測(cè)的1951年至2005年的逐月平均水位，按河道梯度1/10 000插值得到河流邊界上各點(diǎn)的逐月水位值，以此作為未來河流邊界的天然水位變化。

②蓄水工況方案（方案二～方案五）：每年3月中旬到10月底正常蓄水位達(dá)到131.50 m后，相應(yīng)的回水長(zhǎng)度為14.00 km，該回水河段水位按131.50 m處理，10月底到次年3月中旬整個(gè)計(jì)算區(qū)河水位按天然情況處理。分無防滲墻蓄水工況方案和以松原壅水壩壩址左岸為起點(diǎn)，沿松花江上游方向，在潛水含水層內(nèi)分別布置長(zhǎng)為4.05 km、8.05 km和12.05 km三種不同防滲墻蓄水工況方案。

3）預(yù)測(cè)結(jié)果。經(jīng)模型預(yù)測(cè)，計(jì)算區(qū)內(nèi)每年4月底地下水位最低，8月底地下水位最高，和以往實(shí)際觀測(cè)的地下水位動(dòng)態(tài)變化相一致，對(duì)應(yīng)4月底的浸沒范圍最小，8月底浸沒范圍達(dá)到最大。

根據(jù)天然工況和無防滲墻蓄水工況方案，分別計(jì)算獲得了全區(qū)4月底到10月底逐月的潛水含水層地下水位等值線分布，并根據(jù)計(jì)算區(qū)內(nèi)地形等高線分布，獲得了相應(yīng)的地下水位埋深等值線分布，最終結(jié)合浸沒標(biāo)準(zhǔn)，確定出了浸沒范圍的分布，根據(jù)其結(jié)果得出，除4月份以外，無論是嚴(yán)重浸沒范圍還是輕微浸沒范圍，水田均高于旱田。天然工況下的浸沒范圍相對(duì)較大，由蓄水引起的浸沒范圍相對(duì)較小，尤其是水田，由蓄水引起的浸沒范圍占天然工況下的浸沒范圍的百分?jǐn)?shù)較小，相對(duì)來說旱田由蓄水引起的浸沒范圍占天然工況下的浸沒范圍的百分?jǐn)?shù)較大，但絕對(duì)數(shù)量也較小，8月份浸沒范圍達(dá)到最大時(shí)，由蓄水引起的水田和旱田的嚴(yán)重浸沒范圍分別為36.35×104m2和38.74×104m2，輕微浸沒范圍分別為 15.98×104m2和49.20×104m2。由蓄水引起的水田嚴(yán)重浸沒范圍要比輕微浸沒范圍大一些，旱田的輕微浸沒范圍要比嚴(yán)重浸沒范圍大一些。

根據(jù)各防滲墻蓄水工況方案的要求，計(jì)算獲得了全區(qū)5月底和8月底潛水含水層的地下水位等值線分布，并根據(jù)計(jì)算區(qū)內(nèi)地形等高線分布，獲得了各方案5月底和8月底潛水含水層地下水位埋深等值線分布情況，最終結(jié)合浸沒標(biāo)準(zhǔn)，確定出了各方案5月底和8月底浸沒范圍：以松原壅水壩壩址左岸為起點(diǎn)，沿松花江上游方向，在潛水含水層內(nèi)分別布置長(zhǎng)為4.05 km、8.05 km和12.05 km的三種不同防滲墻，雖然隨著防滲墻的加長(zhǎng)，浸沒范圍逐漸減少，但減少幅度不大，和無防滲墻蓄水工況相比，起到的作用也不大，尤其是水田，這是因?yàn)榉罎B墻并沒有在庫(kù)區(qū)內(nèi)完全切斷松花江和左岸地下水的水力聯(lián)系，僅是在一定程度上阻擋了地下水的運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了地下水的滲流途徑而已。各防滲墻蓄水工況5月底的防滲效果比8月底的防滲效果相對(duì)要好，這是因?yàn)?月份庫(kù)區(qū)左岸地下水位比8月份相對(duì)較低，防滲墻兩側(cè)的水位相差較大，防滲墻起到的作用相對(duì)大一些。

2.1.3 浸沒評(píng)價(jià)

浸沒形式：

由于庫(kù)區(qū)左岸屬于大面積的河谷沖積平原，其東、南、西三面有明顯陡坎，形成一向該區(qū)呈開口狀由近代河流沉積物組成的馬蹄形小盆地，地下潛水埋藏淺，且徑流滯緩，以蒸發(fā)水主要排泄方式。據(jù)前期水文地質(zhì)調(diào)查及本次勘察結(jié)果，水位埋深一般1～4 m，水力梯度0.25‰～1‰，由于受江水位變化和前郭市區(qū)及松原市熱電廠用水影響，沿江1～2.5 km范圍內(nèi)和城區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜，遠(yuǎn)離河床和市區(qū)地帶，地下水流方向基本上沿河谷展布方向流動(dòng)，即與河流方向一致，由東南流向西北，同時(shí)，水平運(yùn)移滯緩，地下水水力坡降0.2‰～0.3‰。沿江和市區(qū)地帶，河流低水位時(shí)段，地下水補(bǔ)給江水，地下水流方向總體呈由南向北流向，水力梯度亦向靠近河床方向逐漸增大。由于地下潛水水力梯度較小，含水層顆粒細(xì)（主要為中細(xì)砂，間夾有粉土和粘土等），水流不暢，在靠近庫(kù)岸2～3 km范圍內(nèi)受庫(kù)水頂托，地下水壅高明顯，據(jù)6組水質(zhì)分析試驗(yàn)，地下潛水類型為重碳酸鈉鈣型水，礦化度104.7～531.1 mg/L，屬低礦化度淡水，呈弱堿性，不會(huì)發(fā)生鹽漬化浸沒。水庫(kù)蓄水后可能發(fā)生的主要為物理性浸沒（濕地、澇漬、沼澤化）。

浸沒標(biāo)準(zhǔn)：

規(guī)范規(guī)定：浸沒的臨界地下水位埋深,應(yīng)根據(jù)地區(qū)具體水文地質(zhì)條件，農(nóng)業(yè)科研單位的田間實(shí)驗(yàn)觀測(cè)資料和當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定，也可按下式計(jì)算求得：

式中：Hcr——浸沒的臨界地下水位埋深，m；Hk——地下水位以上，土壤毛細(xì)水上升帶的高度，m；△H——安全超高值，m。對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)，該值即根系層的厚度；城鎮(zhèn)和居民區(qū)，該值取決于建筑物荷載、基礎(chǔ)型式和砌置深度

1）浸沒評(píng)價(jià)有效水位的確定方法。根據(jù)專題研究成果，結(jié)合水庫(kù)運(yùn)行方式和土層結(jié)構(gòu)與滲透性，選擇全年維持時(shí)間八個(gè)月以上的五月末的地下水位做為地下水壅高計(jì)算的起始水位獲得的地下水壅高值作為浸沒評(píng)價(jià)的有效水位。

2）毛細(xì)水有效高度的確定。庫(kù)區(qū)左岸浸沒區(qū)的表部地層主要為全新統(tǒng)漫灘相沖積層（），為一套黑色含有機(jī)質(zhì)土的低液限粘土，厚度1～3 m，結(jié)構(gòu)松散，有利于毛管水的運(yùn)移，表部1.5 m以內(nèi)，受生物活動(dòng)影響大，孔隙結(jié)構(gòu)不均一。下部地層主要為沖洪積的中細(xì)砂層，間夾有粉土質(zhì)砂和低液限粘土，據(jù)6組鉆孔注水試驗(yàn)和6組試坑注水試驗(yàn)，該砂層最大滲透系數(shù)4.65×10-2，最小滲透系數(shù)6.6×10-3。據(jù)室內(nèi)18組粘性土層毛細(xì)管水上升高度試驗(yàn)：最大毛細(xì)管水上升高度149 cm，最小毛細(xì)管水上升高度23 cm，毛細(xì)管水上升高度的平均值50.8 cm，此外，據(jù)毛細(xì)管水上升高度野外觀測(cè)試驗(yàn)，野外觀測(cè)毛細(xì)管水平均上升高度45 cm，綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，這次有效毛細(xì)管水上升高度取為50 cm。

①浸沒臨界水位和浸沒影響程度及影響后果。農(nóng)田：水田臨界水位0.70 m，其中埋深小于0.30 m為嚴(yán)重浸沒區(qū)（影響農(nóng)作物種植，嚴(yán)重減產(chǎn)或絕收），埋深0.30～0.70 m為輕微浸沒區(qū)（可能影響農(nóng)作物種植，少量減產(chǎn)）；旱田臨界水位1.00 m，其中埋深小于0.50 m為嚴(yán)重浸沒區(qū)（影響農(nóng)作物種植，嚴(yán)重減產(chǎn)或絕收），埋深0.50～1.00 m為輕微浸沒區(qū)（可能影響農(nóng)作物種植，少量減產(chǎn)）。

②建筑物（一般民用建筑）：臨界水位2.00 m，其中埋深小于1.50 m為嚴(yán)重浸沒區(qū)（地面翻漿、地基軟化、墻體開裂，居住環(huán)境嚴(yán)重惡化或不能居?。?，埋深1.50～2.00 m為輕微浸沒區(qū)（地面經(jīng)常潮濕，影響居?。?。鑒于本工程正常蓄水位僅在非冰凍期運(yùn)行，冰凍期水位恢復(fù)天然水位，運(yùn)行上對(duì)建筑物無凍害影響。

浸沒范圍：

根據(jù)專題研究報(bào)告的成果，采用5月底潛水含水層水位作為壅高預(yù)測(cè)的起始水位。考慮遠(yuǎn)處水田屬前郭灌區(qū)，有完整的排水系統(tǒng)，應(yīng)不受壅高地下水影響，不存在水庫(kù)浸沒問題。確定浸沒影響范圍應(yīng)在前郭灌區(qū)邊線與庫(kù)岸之間，寬度3.5～6.5 km。故對(duì)專題研究報(bào)告中預(yù)測(cè)的浸沒面積在扣除了灌區(qū)內(nèi)的水田面積后重新進(jìn)行了預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

扣除灌區(qū)水田后預(yù)測(cè)結(jié)果，天然條件下，即存在86.45×104m2的浸沒面積。水庫(kù)蓄水后預(yù)測(cè)總的浸沒面積為140.04×104m2，其中水田嚴(yán)重浸沒面積為1.22×104m2，旱田嚴(yán)重浸沒面積為15.59×104m2，水田輕微浸沒面積為27.88×104m2，旱田輕微浸沒面積為95.35×104m2。

3 綜合評(píng)價(jià)及建議

3.1 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)勘察和專題研究對(duì)松原壅水壩工程庫(kù)區(qū)左岸得出如下綜合評(píng)價(jià)：

1）庫(kù)區(qū)左岸地勢(shì)低洼，存在水庫(kù)浸沒問題。

2）在潛水含水層內(nèi)設(shè)置防滲墻時(shí)，隨著防滲墻的加長(zhǎng)，浸沒面積逐漸減少，當(dāng)防滲墻的長(zhǎng)度8.05 km時(shí)，使浸沒影響面積基本恢復(fù)到天然狀態(tài)。

3）浸沒范圍主要分布于前郭灌區(qū)邊線與庫(kù)岸之間。

4）城區(qū)及其沿河上游方向由于地勢(shì)相對(duì)較高，基本沒有浸沒影響。

3.2 建議

正常水庫(kù)蓄水條件下，在可能發(fā)生的浸沒范圍內(nèi)，農(nóng)田區(qū)根據(jù)其浸沒影響程度選擇種植物，比如豆類以及喜水的植物，可減少作物的經(jīng)濟(jì)損失；一般的民用建筑區(qū)，若采用天然地基，其受浸沒后，強(qiáng)度降低，變形增加，會(huì)造成不均勻沉降，甚至墻體開裂及倒塌，所以應(yīng)盡量以柱基礎(chǔ)為主，對(duì)有地下車庫(kù)或商場(chǎng)的建筑需做防水、抗浮處理。