水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)影響因素分析

吳 平，彭德慧

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330029)

1 概述

水庫(kù)浸沒(méi)是水庫(kù)蓄水使水庫(kù)周邊地區(qū)地下水位壅高而引起土壤鹽漬化和沼澤化、建筑物地基沉陷或破壞、地下工程和礦井充水或涌水量增加等災(zāi)害現(xiàn)象的統(tǒng)稱。

江西省位于長(zhǎng)江中下游南岸，地貌多為低山丘陵和河谷平原交錯(cuò)分布，已建成水庫(kù)1.08萬(wàn)座，水庫(kù)類型多分為低水頭徑流式平原型水庫(kù)及中高水頭引水式山區(qū)型水庫(kù)。低水頭徑流式平原型水庫(kù)多為抬高水頭利用兩岸堤防擋水成庫(kù)，形成正常蓄水位高于兩岸階地的水庫(kù)，江西近期已建成的峽江水庫(kù)、石虎塘水庫(kù)均屬此類。中高水頭引水式山區(qū)型水庫(kù)為利用大壩上游周邊高地?fù)跛蓭?kù)，正常蓄水位一帶多無(wú)階地的水庫(kù)，江西近期已建或在建的山口巖水庫(kù)、倫潭水庫(kù)、四方井水庫(kù)均屬此類。

針對(duì)江西省上述兩種類型的水庫(kù)，由于其所處的地形地貌、地層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件及水庫(kù)回水位等不同，水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)影響因素亦有所區(qū)別。

2 水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)影響因素

根據(jù)某工程蓄水后預(yù)測(cè)的地下水位埋深值與工程所在地區(qū)的浸沒(méi)地下水埋深臨界值之間的關(guān)系可以判斷該地區(qū)是否屬于浸沒(méi)區(qū)。浸沒(méi)地下水埋深臨界值計(jì)算公式為：

Hd-Hw=Hyc

(1)

式中，Hcr—浸沒(méi)地下水埋深臨界值，m；Hk—地下水位壅高后，其上土壤毛細(xì)水上升帶高度，m；ΔH—安全超高值，m；Hyc—蓄水后某點(diǎn)地下水位埋深，m；Hd—某點(diǎn)地面高程，m；Hw—蓄水后某點(diǎn)地下水位高程，m。

當(dāng)式(1)成立時(shí)，該地區(qū)應(yīng)判定為浸沒(méi)區(qū)。由式(1)可知，蓄水后某點(diǎn)地下水位高程Hw、地下水位壅高后土壤毛細(xì)水上升帶高度Hk及安全超高值ΔH均直接或間接對(duì)水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)造成影響，均屬水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)影響因素?，F(xiàn)分別根據(jù)兩種不同類型的水庫(kù)，對(duì)上述浸沒(méi)評(píng)價(jià)影響因素進(jìn)行分析。

2.1 水庫(kù)蓄水后地下水位高程Hw

水庫(kù)蓄水后地下水位高程與水庫(kù)蓄水后地下水位壅水計(jì)算方法及水庫(kù)回水位直接相關(guān)。不同類型的水庫(kù)，由于其地層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件的不同，致使地下水位壅水計(jì)算方法及水庫(kù)回水位取值方法亦截然不同。

2.1.1水庫(kù)蓄水后地下水位壅水計(jì)算方法

平原型水庫(kù)浸沒(méi)區(qū)地層多為二元結(jié)構(gòu)，即上部為透水性弱～微的粘性土層，下部為透水性為中等～強(qiáng)的砂層或砂卵礫石層，水庫(kù)蓄水后地下水位壅水計(jì)算方法采用的是結(jié)合水動(dòng)力學(xué)方法。平原型水庫(kù)地下水壅高計(jì)算方法如圖1所示。

圖1 平原型水庫(kù)地下水壅高計(jì)算圖

首先根據(jù)下式計(jì)算起始水力坡度：

T=H0/(I0+1)

(2)

式中，T—初見(jiàn)水位距下伏含水層頂板距離，m；H0—水庫(kù)蓄水前由含水層頂板起算的下伏含水層測(cè)壓水位高度，m；I0—起始水力坡度。

然后根據(jù)下式計(jì)算水庫(kù)蓄水后粘性土層含水帶厚度，得到庫(kù)岸地下水壅高后的水位：

(3)

(4)

山區(qū)型水庫(kù)浸沒(méi)區(qū)地層多為單一結(jié)構(gòu)，即為具中等～強(qiáng)透水性的粘土質(zhì)礫、碎石層，水庫(kù)蓄水后地下水位壅水計(jì)算方法采用的是地下水動(dòng)力學(xué)教材中的解析法。山區(qū)型水庫(kù)壅水值方法如圖2所示。

圖2 山區(qū)型水庫(kù)地下水壅高計(jì)算圖

庫(kù)岸地下水壅高后的水位根據(jù)下式計(jì)算：

(5)

式中，h2—水庫(kù)蓄水前庫(kù)岸地下水，m。

2.1.2水庫(kù)回水位取值方法

平原型水庫(kù)一般位于大江、大河的中下游沖積平原地區(qū)，水庫(kù)庫(kù)岸長(zhǎng)，河床坡降較小，但入庫(kù)流量大，建庫(kù)后一般采用枯水期水輪機(jī)機(jī)組額定流量對(duì)應(yīng)的水面線來(lái)確定水庫(kù)回水位。由于水庫(kù)回水較長(zhǎng)，致使庫(kù)尾翹高值較大，一般比正常蓄水位高較多，如石虎塘水庫(kù)水庫(kù)回水長(zhǎng)38.19km左右，庫(kù)尾比正常蓄水位高4.01m。

山區(qū)型水庫(kù)一般位于河流的上游，水庫(kù)庫(kù)岸短，河床坡降較陡，但入庫(kù)流量小，建庫(kù)后一般按采用建庫(kù)后多年平均流量對(duì)應(yīng)的水面線來(lái)確定水庫(kù)回水位，由于水庫(kù)回水較短，致使庫(kù)尾翹高值較小，與正常蓄水位幾乎相當(dāng)，如四方井水庫(kù)回水長(zhǎng)8.02km，庫(kù)尾比正常蓄水位高出僅0.5m。

2.2 毛細(xì)水上升帶高度Hk

毛細(xì)水上升高度主要與土體的結(jié)構(gòu)相關(guān)，如土體的礦物成分、顆粒大小、顆粒級(jí)配、顆粒形狀等。上述因素決定了土體孔隙的大小、連通性及毛細(xì)管彎曲度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究可知：一般土的孔隙越小，毛細(xì)水上升高度就越大，即細(xì)粒土比粗粒土的毛細(xì)水上升高度大；而細(xì)粒土毛細(xì)水上升高度隨土的塑性而變化，粉土的毛細(xì)水上升高度隨土體自身的密實(shí)程度增大而增大，而粘土的毛細(xì)水上升高度隨土體自身的密實(shí)程度增大而減??；粗粒土的毛細(xì)水上升高度隨土體顆粒的變粗而變小，隨含粉細(xì)粒的增加而變大，隨自身的密實(shí)程度增加而增加。針對(duì)平原型水庫(kù)，表層一般為沖積形成的粘性土，一般較松散，其毛細(xì)水上升高度較大，如峽江水庫(kù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)挖坑觀測(cè)，第四系全新統(tǒng)沖積粘土、壤土的毛細(xì)水上升高度分別達(dá)1.5、1.1m；而山區(qū)型水庫(kù)表層一般為殘坡積形成的碎石土，粉細(xì)粒一般較多，密實(shí)程度多為稍密，如四方井水庫(kù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)挖坑觀測(cè)，第四系全新統(tǒng)殘積碎石土的毛細(xì)水上升高度為0.6m。

2.3 安全超高值ΔH

2.3.1農(nóng)業(yè)區(qū)

安全超高值即為當(dāng)?shù)刂脖桓祵拥暮穸?，根系層厚度越大，其安全超高值越大，在其他條件相同的情況下，可能產(chǎn)生的浸沒(méi)范圍就越大。

平原型水庫(kù)庫(kù)區(qū)一般種植水稻、玉米、花生等耐水性植物，其根系層厚度一般較薄，且浸沒(méi)范圍廣。如峽江水庫(kù)水稻、玉米、花生的安全超高值分別為0.2m。

山區(qū)型水庫(kù)庫(kù)區(qū)多種植杉樹(shù)、樟樹(shù)等，其地形較陡，一般不考慮浸沒(méi)問(wèn)題，局部靠庫(kù)尾山間沖溝分布植物為水稻、玉米、花生等耐水性植物，其根系層厚度一般較薄，浸沒(méi)范圍小。

2.3.2城鎮(zhèn)和居民區(qū)

安全超高值取決于建筑物荷載、基礎(chǔ)形式和砌置深度，其產(chǎn)生的浸沒(méi)的原理及地下水埋深臨界值計(jì)算如圖3所示。

圖3 建筑物區(qū)浸沒(méi)地下水埋深臨界值計(jì)算示意圖

根據(jù)前述臨界地下水位埋深概念，將h定義為“蓄水后地下水位上升對(duì)建筑物地基穩(wěn)定的影響臨界深度”，則臨界地下水位埋深公式中的安全超高△H=h+d，如圖3所示?；A(chǔ)埋深d根據(jù)庫(kù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)確定。影響臨界深度h通過(guò)采用GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的計(jì)算方法，分別試算出地下水位上升到不同高度處的附加應(yīng)力及其地基的承載力特征值，并繪制出地下水位上升到不同高度處自重應(yīng)力加土體附加應(yīng)力圖及土體飽和狀態(tài)下地基承載力特征值圖，兩圖交匯點(diǎn)對(duì)應(yīng)的埋深為浸沒(méi)地下水埋深臨界值Hcr，再根據(jù)2.2中確定的毛細(xì)水上升帶高度Hk值，即可得到安全超高值ΔH。對(duì)于平原型水庫(kù)庫(kù)區(qū)均多分布有1—3層的房屋，如峽江水庫(kù)庫(kù)區(qū)1—3層的房屋安全超高值為1.0m。而山區(qū)型水庫(kù)庫(kù)區(qū)多無(wú)房屋分布，故亦不考慮房屋浸沒(méi)問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)浸沒(méi)判定公式分析，確定水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)影響因素為水庫(kù)蓄水后地下水位高程、毛細(xì)水上升帶高度及安全超高值。浸沒(méi)評(píng)價(jià)影響因素受地形地貌、地層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件及水庫(kù)運(yùn)營(yíng)調(diào)度等條件影響極大，致使江西省境內(nèi)分布的平原型水庫(kù)及山區(qū)型水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)方法截然不同。

(2)平原型水庫(kù)浸沒(méi)分析中，水庫(kù)蓄水后地下水位壅水計(jì)算方法多采用結(jié)合水動(dòng)力學(xué)方法，一般采用枯水期水輪機(jī)機(jī)組額定流量對(duì)應(yīng)的水面線來(lái)確定水庫(kù)回水位，水庫(kù)回水位翹高值較大，不能直接采用正常蓄水位；表層多為沖積松散粘性土，毛細(xì)水上升高度較大；浸沒(méi)區(qū)多分布大范圍的居民區(qū)及農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)區(qū)一般分布耐水性植物，其根系層厚度一般較薄，居民區(qū)以1—3層民房居多。水庫(kù)浸沒(méi)對(duì)平原型水庫(kù)的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)影響較大。

(3)山區(qū)型水庫(kù)浸沒(méi)分析中，水庫(kù)蓄水后地下水位壅水計(jì)算方法多采用地下水動(dòng)力學(xué)教材中的解析法，按多年平均流量對(duì)應(yīng)的水面線來(lái)確定水庫(kù)回水位；水庫(kù)回水位翹高值較小，可直接采用正常蓄水位；表層多為殘坡積稍密粗粒土，其毛細(xì)水上升高度相對(duì)較小，浸沒(méi)區(qū)分布的居民區(qū)及農(nóng)業(yè)區(qū)范圍極小。水庫(kù)浸沒(méi)對(duì)山區(qū)型水庫(kù)的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)影響較小。