純化水庫(kù)圍壩外側(cè)環(huán)境地質(zhì)評(píng)價(jià)

楊繼東楊亞茹

（1河南省水利勘測(cè)有限公司；2河南省特殊巖土環(huán)境工程控制技術(shù)中心；3河南省山水水利工程有限公司）

0 前言

水庫(kù)滲漏、水庫(kù)浸沒是水庫(kù)蓄水后主要水文地質(zhì)問題，不僅降低水庫(kù)效益，對(duì)周邊建筑物安全及生態(tài)環(huán)境也會(huì)造成一定影響形成環(huán)境地質(zhì)問題。純化水庫(kù)場(chǎng)區(qū)地層滲透系數(shù)較大，地下水水位埋深較淺，一般為2.00 m左右，加以當(dāng)?shù)卣舭l(fā)量為降水量3倍多，水庫(kù)滲漏對(duì)引水成本加大、效益降低影響嚴(yán)重，同時(shí)圍壩外側(cè)浸沒問題發(fā)生加劇周邊鹽漬化，環(huán)境地質(zhì)問題較為突出。文章在分析純化水庫(kù)庫(kù)壩區(qū)的水文、氣象及地質(zhì)條件等基礎(chǔ)上，對(duì)水庫(kù)滲漏量、浸沒范圍進(jìn)行計(jì)算，分析了水庫(kù)運(yùn)行后由于庫(kù)水位升高引起的庫(kù)水滲漏、圍壩外側(cè)浸沒影響，計(jì)算結(jié)果對(duì)水庫(kù)防滲設(shè)計(jì)及對(duì)水庫(kù)后期的運(yùn)行、監(jiān)測(cè)等具有一定指導(dǎo)意義。

1 水庫(kù)概況

純化水庫(kù)距東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)約24 km，位于東營(yíng)市與博興縣交界處的純化鎮(zhèn)魏家莊，東臨東營(yíng)～博興公路。該水庫(kù)由勝利石油管理局和博興縣政府?dāng)y手共建，主要為保障該地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水。純化水庫(kù)工程總占地面積6.59 km2，設(shè)計(jì)水位16.50 m，死水位8.00 m，設(shè)計(jì)總庫(kù)容3 341.49萬m3，死庫(kù)容363.35萬m3，興利庫(kù)容2 978.14萬m3，為一綜合性引黃蓄水三等中型平原水庫(kù)。該水庫(kù)平面上呈近正方形，壩體為碾壓式均質(zhì)土壩，圍壩總長(zhǎng)7 671.71m，四邊壩軸線長(zhǎng)：北壩1 849.61m、東壩1 983.40m、南壩1 855.22 m、西壩1 983.48 m。壩頂高程18.00 m，壩高約10 m。純化水庫(kù)為水資源短缺區(qū)平原圍壩供水工程，水庫(kù)庫(kù)壩區(qū)滲漏及圍壩外側(cè)浸沒范圍、程度及影響是水庫(kù)效益發(fā)揮主要制約因素。

2 場(chǎng)區(qū)氣象水文地質(zhì)概況

2.1 氣象水文

場(chǎng)區(qū)位于黃河三角洲沖積、海積平原上，氣候?yàn)榘敫珊导撅L(fēng)氣候，夏秋季節(jié)炎熱多雨，春冬季節(jié)多風(fēng)少雨，多年平均氣溫12.50℃，多年平均降雨量601.40 mm，多年平均蒸發(fā)量2 003.30 mm。

2.2 地層巖性

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)華北平原斷拗冀東～勃海斷陷東南部邊緣與魯西隆起之交接處，主要構(gòu)造線方向?yàn)楸睎|東向。在場(chǎng)區(qū)南約20 km 有一北東東向的濟(jì)南～博興斷裂，此斷裂為第三系以來有過活動(dòng)的斷裂。晚第三紀(jì)～第四紀(jì)的沉積厚度在1 200 m以上，場(chǎng)區(qū)附近目前未發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

2.4 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地下水類型為第四系松散層孔隙潛水。含水層主要為粉細(xì)砂、砂壤土；相對(duì)隔水層為中、重粉質(zhì)壤土層及粉質(zhì)粘土層。據(jù)室內(nèi)及野外試驗(yàn)，場(chǎng)區(qū)各土層的透水性為第①、③層屬中等透水性，第②、④、⑤、⑥、⑧層屬微～極微透水層。由于含水層與相對(duì)隔水層呈互層或透鏡體狀分布，因此局部具微承壓性，地下水主要接受大氣降水、黃河水、引黃渠水入滲補(bǔ)給，以蒸發(fā)、人工開采及側(cè)向逕流方式排泄。

地下水化學(xué)類型為CL-（K+Na）和CL-（K+Na）-Mg 型水，地表水化學(xué)類型為CL-（K+Na）-Mg型水。地下水對(duì)普通水泥具強(qiáng)腐蝕性；地表水對(duì)普通水泥具弱腐蝕性。地下水、地表水對(duì)抗硫酸鹽水泥不具腐蝕性。

3 環(huán)境地質(zhì)問題分析

3.1 水庫(kù)滲漏問題

3.1.1 水庫(kù)滲漏量的估算

計(jì)算水庫(kù)滲漏量可考慮兩個(gè)狀態(tài)：一是無防滲措施；二是采取防滲措施。無防滲措施，透水地基上土壩滲流的計(jì)算：水庫(kù)大壩在無防滲措施時(shí)邊界條件為“均質(zhì)土壩，沒有排水設(shè)備；壩體滲透系數(shù)小于或等于地基滲透系數(shù)的情況”計(jì)算時(shí)壩體和壩基按都透水考慮。假設(shè)壩體和壩基都是均質(zhì)的，圖1為透水地基土無排水設(shè)備均質(zhì)壩滲流計(jì)算圖。

圖1 透水地基土無排水設(shè)備均質(zhì)壩滲流計(jì)算圖

3.1.1.1 通過壩體的滲流量q1的計(jì)算

3.1.1.2 通過壩基的滲流量q2的計(jì)算

式中字母含義同上。

下游逸出點(diǎn)高度，a0近似按下式計(jì)算：

式中字母含義同上。

3.1.1.3 總滲流量的計(jì)算

式中字母含義同上。

這里計(jì)算的為單寬流量，圍壩總流量為單寬滲流量乘以圍壩長(zhǎng)度，即

式中：B為圍壩長(zhǎng)度（m）。

根據(jù)浸潤(rùn)線勘探斷面，代入數(shù)據(jù)可近似估算：Q=4 160×10-5cm/s =3 594.20 m3/d =1.31×106m3/a；a0=0.27，即逸出點(diǎn)基本上與地面相平。

經(jīng)計(jì)算，水庫(kù)在無防滲措施時(shí)滲漏量約為1.31×106m3/a。由估算滲漏量可知，如果不做防滲則一年損失水量約占總庫(kù)容量的4%，影響水庫(kù)發(fā)揮其效益。因此須進(jìn)行防滲處理?？刹捎娩佀芊罎B方案，以第②層粉質(zhì)粘土作為相對(duì)隔水層，一般垂直鋪塑到該層即可，但在第②層較薄處，可考慮鋪塑深度適當(dāng)加大到第④層粉質(zhì)粘土。

3.1.2 對(duì)于采取防滲狀態(tài)下滲漏

為減緩水庫(kù)滲漏量，需對(duì)水庫(kù)采取一定的工程防滲措施。如果對(duì)大壩及壩基進(jìn)行防滲處理（如采用鋪塑），壩基處理深度到第②層粉質(zhì)粘土，若防滲效果好，則水庫(kù)滲漏只有通過第②層粉質(zhì)粘土越流到第③層砂壤土中，然后通過砂壤土向下游滲漏。第②層平均厚度約1.50 m，換算成與第①層相同透水性等效厚度約1 000 m，也就相當(dāng)于無防滲措施條件下，滲徑增加了1 000 m，相當(dāng)于滲徑增加了20倍，即滲漏量減少了20倍，因此滲漏可以忽略不計(jì)。如果防滲施工不當(dāng)，或防滲體局部失效，則滲漏量難以估算。因此宜加強(qiáng)水庫(kù)運(yùn)營(yíng)前后地下水位及庫(kù)水位的監(jiān)測(cè)。

3.2 水庫(kù)浸沒問題

3.2.1 地下水臨界深度確定

由于場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)地下水埋深較淺，一般為2.00 m多一點(diǎn)。根據(jù)野外觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)值，場(chǎng)區(qū)地下水臨界深度（hcr）可確定為2.00 m。

3.2.2 無防滲情況下圍壩周圍浸沒范圍的預(yù)測(cè)

由滲漏計(jì)算可知，逸出點(diǎn)在外壩腳下幾乎與地面相平，取斷面1-1和2-2為計(jì)算斷面。其中2-2為預(yù)測(cè)地下水臨界深度的位置，圖2為壩后浸沒預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)示意圖。

圖2 壩后浸沒預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)示意圖

圖中壩后實(shí)線為壅水抬高后潛水位。假設(shè)第①層含水層為均質(zhì)的，通過1-1 斷面滲流量與通過2-2 斷面滲流量相同，則有下式：

式中字母含義同上。

根據(jù)勘探資料：地面高程8.00 m 左右，第①層底板高程約4.50 m。水庫(kù)蓄水后，1-1 剖面水位高程約8 m，2-2 剖面水位高程約6 m。則：h1=3.50 m，h2=1.50 m，根據(jù)前面計(jì)算滲漏量q值代入求得L≈13 m。即在確定地下水臨界深度2.00 m時(shí)，水庫(kù)浸沒范圍為壩腳外約13 m。

3.2.3 滲控措施下浸沒范圍預(yù)測(cè)

從場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件分析，工程采取滲控措施是必要的，可考慮鋪塑防滲，壩前坡與壩基垂直搭接。第②層粉質(zhì)粘土為相對(duì)隔水層，較為連續(xù)，且有一定厚度根，可作為防滲控制下限，局部地段第②層較薄時(shí)，可通過豎井觀察現(xiàn)場(chǎng)確定，必要時(shí)鋪塑到第④層粉質(zhì)粘土。由于防滲狀態(tài)下庫(kù)水位滲漏量較小，工程滲控有效情況下滲漏量有限，圍壩外側(cè)地下水補(bǔ)給和抬升不大，浸沒影響范圍較小，可以通過水庫(kù)運(yùn)營(yíng)期間大壩長(zhǎng)觀剖面觀測(cè)資料進(jìn)行判定。

3.3 運(yùn)行后監(jiān)測(cè)建議

基于以上分析，水庫(kù)運(yùn)行后監(jiān)測(cè)主要應(yīng)控制圍壩外側(cè)接近壩腳三分之一壩高位置設(shè)置壩體浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)設(shè)施，在壩腳外側(cè)10 m附近參照壩體監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置地下水監(jiān)測(cè)設(shè)施。根據(jù)水位監(jiān)測(cè)資料，考慮同期庫(kù)水位，定期分析滲漏量及水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為工程運(yùn)行優(yōu)化提供支撐。

4 結(jié)語

文章根據(jù)勘察成果，結(jié)合工程設(shè)計(jì)，針對(duì)純化庫(kù)區(qū)滲漏、圍壩外側(cè)浸沒等環(huán)境地質(zhì)問題，進(jìn)行了滲漏量與浸沒范圍估算。在無防滲措施下水庫(kù)蓄水后，存在壩體與壩基滲漏和壩外庫(kù)周浸沒問題，滲漏量較大，浸沒范圍可達(dá)圍堤外側(cè)13 m，可能導(dǎo)致局部鹽漬化加重。工程采取滲控措施是必要的，可考慮壩前坡采用鋪塑防滲和壩基采用垂直鋪塑相結(jié)合方法，滲控深度以第②層粉質(zhì)粘土為相對(duì)隔水層，局部地段第②層較薄時(shí)，建議通過豎井觀察確定，根據(jù)需要可鋪塑到第④層粉質(zhì)粘土。運(yùn)行前后應(yīng)加強(qiáng)庫(kù)水位和地下水位的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)成果合理調(diào)度，必要時(shí)圍壩壩腳外可設(shè)置截滲溝減壓、排水，減少浸沒范圍，降低鹽漬化等危害。