哈達(dá)山水利樞紐工程左岸防護(hù)區(qū)浸沒(méi)治理研究

崔永建

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

1.1 地理位置

哈達(dá)山水利樞紐工程（一期）位于第二松花江干流的下游，大壩壩址位于吉林省松原市東南向20 km 左右處，下距離第二松花江與嫩江匯合口60 km 左右處，是第二松花江流域最末一級(jí)控制性樞紐工程，工程由壩區(qū)樞紐工程、防護(hù)區(qū)防護(hù)工程和輸水工程組成。

哈達(dá)山水利樞紐工程（一期）為低壩方案，為了減少移民占地，水庫(kù)庫(kù)區(qū)控制在二松河道內(nèi)，利用現(xiàn)有的二松堤防加高加固措施來(lái)滿足水庫(kù)運(yùn)行要求。根據(jù)水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)回水水面線，工程完工蓄水到140.50 m 后，庫(kù)區(qū)左岸將有約21.5 km 受到影響，對(duì)沿岸的防洪排水工程帶來(lái)不利影響、并將浸沒(méi)堤后的耕地。

本工程項(xiàng)目區(qū)位于前郭縣王府站鎮(zhèn)及哈拉毛都鎮(zhèn)境內(nèi)，距哈達(dá)山水利樞紐電站南約9 km，緊鄰二松堤防西側(cè)。

1.2 浸沒(méi)處理實(shí)施情況及現(xiàn)狀

哈達(dá)山浸沒(méi)處理自蓄水以來(lái)，由于各種原因，浸沒(méi)處理方案一直沒(méi)有全面實(shí)施，截至目前針對(duì)浸沒(méi)處理已實(shí)施的工程主要包括：強(qiáng)排站5 座（分別為哈瑪I 強(qiáng)排站、哈瑪II 強(qiáng)排站、郭家店強(qiáng)排站、下園子強(qiáng)排站和橋南強(qiáng)排站）和浸沒(méi)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)堤后縱向排水溝，以及浸沒(méi)Ⅳ區(qū)橋南強(qiáng)排站前池上下游共535 m 長(zhǎng)堤后縱向排水溝。

5 座強(qiáng)排站現(xiàn)運(yùn)行良好，堤后縱向排水溝整體運(yùn)行較好，但浸沒(méi)Ⅰ區(qū)堤防左岸最北端哈瑪爾村地塊排水溝淤積嚴(yán)重，已無(wú)排滲排澇能力。浸沒(méi)Ⅳ區(qū)哈拉毛都敬老院地塊和浸沒(méi)Ⅳ區(qū)前哈拉毛都村北側(cè)地塊堤后無(wú)縱向排水溝，浸沒(méi)和內(nèi)澇問(wèn)題嚴(yán)重。

1.3 工程建設(shè)范圍

浸沒(méi)區(qū)以哈瑪回水堤、郭家店回水堤和卡拉木回水堤為分界共分四個(gè)區(qū)?，F(xiàn)未種及受影響較大地塊可分為四塊：第一塊為浸沒(méi)Ⅰ區(qū)堤防左岸最北端（哈瑪爾村）地塊，整片地塊約31.4 hm2；第二塊為浸沒(méi)Ⅰ區(qū)哈瑪回水堤北側(cè)和浸沒(méi)Ⅱ區(qū)地塊，為不連續(xù)零散地塊，約26.4 hm2；第三塊為浸沒(méi)Ⅳ區(qū)哈拉毛都敬老院地塊，整片地塊約27.8 hm2；第四塊為浸沒(méi)Ⅳ區(qū)前哈拉毛都村北側(cè)地塊，約44.4 hm2。

哈達(dá)山浸沒(méi)處理自蓄水以來(lái)，由于各種原因浸沒(méi)處理方案一直沒(méi)有全面實(shí)施，實(shí)施難度大情況復(fù)雜，選定一浸沒(méi)影響地塊作為試驗(yàn)段先期治理，積累成功工程技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)后，再對(duì)其他地塊綜合治理。本次以第三塊浸沒(méi)Ⅳ區(qū)哈拉毛都敬老院地塊為試驗(yàn)段，先期治理。

2 工程地質(zhì)

2.1 地形地貌

本區(qū)位于松遼平原之松嫩平原的東南部。在差異性升降運(yùn)動(dòng)等新老的構(gòu)造控制作用下，形成了以臺(tái)地為代表的剝蝕堆積地形和以崗地漫灘為代表的堆積地形兩大成因類型。而河流侵蝕與堆積、風(fēng)蝕與風(fēng)積等近代地質(zhì)作用則塑造了目前的地貌形態(tài)，并由此構(gòu)成了本區(qū)的沖洪積、沖湖積、冰水堆積平原（地面高程200～293 m）、沖積湖積平原（地面高程160～200 m）和河谷平原（地面高程130～160 m）三個(gè)明顯階梯。

2.2 地層巖性

庫(kù)區(qū)松散層以第四系全新統(tǒng)沖積堆積和風(fēng)積堆積為主，風(fēng)積層以中砂和細(xì)砂為主，厚度達(dá)33 m，主要分布于二松右岸。沖積堆積層以中砂和礫質(zhì)粗砂為主，厚度達(dá)17 m，分布于河谷沖積平原，庫(kù)區(qū)表層為黏土和壤土，一般厚度達(dá)1～3 m，局部被風(fēng)成砂丘覆蓋。下部為細(xì)砂和中砂，為典型的二元結(jié)構(gòu)。

2.3 水文地質(zhì)

工程區(qū)內(nèi)，地下水類型主要分為第四系全新統(tǒng)沖積層中的孔隙潛水及基巖裂隙水。

第四系全新統(tǒng)沖積層中的孔隙潛水：主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積堆積的壤土及中砂層中，與松花江江水有水力聯(lián)系，上部黏性土較厚的局部具有承壓性。地下水位埋深0.60～1.90 m，高程139.30～139.70 m。補(bǔ)給源主要為江水、大氣降水?？菟诘叵滤蚪琅判?。

基巖裂隙水：主要賦存于粉砂質(zhì)泥巖中，裂隙發(fā)育較差，其富水性和透水性普遍較差。

2.4 庫(kù)區(qū)左岸防護(hù)區(qū)浸沒(méi)地質(zhì)評(píng)價(jià)

防護(hù)區(qū)浸沒(méi)Ⅳ區(qū)位于卡拉木回水堤和橋南強(qiáng)排站之間，現(xiàn)調(diào)查該區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物主要為玉米、水稻及大豆。從分布上看，玉米及大豆主要種植在區(qū)內(nèi)南側(cè)地勢(shì)較高處，靠近堤防一帶基本種植的是水稻。

在2013 年堤后有大面積的泡澤地，目前泡澤地已多開(kāi)墾為水田地，還剩下少量的泡澤地。但絕大多數(shù)水稻長(zhǎng)勢(shì)不好，雜草叢生，靠橋南強(qiáng)排站上游和原泡澤地的外圍地勢(shì)較高的水稻長(zhǎng)勢(shì)較好。在浸沒(méi)區(qū)外地勢(shì)相對(duì)低洼處局部玉米長(zhǎng)勢(shì)不好。

浸沒(méi)Ⅳ區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，地面高程140.10～144.60 m，堤壩后水泡及沼澤地地勢(shì)較低，地面高程137.50～139.80 m。多年壤土（6-2）層毛細(xì)管水上升高度室內(nèi)試驗(yàn)平均值1.50 m，若用該毛細(xì)管水上升高度值，再加上植物根系深度（玉米一般0.40～0.50 m，水稻一般0.20 m 左右），計(jì)算得出的地下水臨界深度較大，用此地下水臨界深度預(yù)測(cè)的浸沒(méi)范圍偏大，與浸沒(méi)情況實(shí)際不符。由于水庫(kù)運(yùn)行多年，本次浸沒(méi)范圍根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)好壞，并結(jié)合地層、地下水位埋深及實(shí)際毛細(xì)管水上升高度（0.75 m）等情況綜合確定。主要農(nóng)作物生長(zhǎng)地下水位埋深適宜情況見(jiàn)表1，歷年降雨量及各勘察階段浸沒(méi)面積統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表1 主要農(nóng)作物生長(zhǎng)地下水位埋深適宜情況調(diào)查表 單位：m

表2 本區(qū)歷年降雨量及各勘察階段浸沒(méi)面積統(tǒng)計(jì)表

表2 說(shuō)明浸沒(méi)面積大小受地區(qū)降雨量、地下水位、內(nèi)澇和日照積溫等因素影響。

除此之外，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，該區(qū)內(nèi)澇嚴(yán)重，地表匯水無(wú)處可排，建議在堤壩后地勢(shì)最低處設(shè)置強(qiáng)排站，打通堤后排水溝，排水溝兩側(cè)用透水材料反慮砌護(hù)，有利于地下水位排泄、降低，將地下水位降低到地面以下1.5 m。并且應(yīng)將浸沒(méi)區(qū)內(nèi)的旱田改為水田，也可以采取抬田造地處理措施。

3 浸沒(méi)防治處理措施

3.1 治理區(qū)條件

經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)查勘和地勘成果顯示，本地塊具有如下特點(diǎn)。

（1）本地塊有7.25 hm2棄種水田，高程139.8～139.9 m，現(xiàn)耕種水田高程140.0～140.1 m。

（2）堤防背水側(cè)有50～200 m 的高崗臺(tái)地，高程141～145 m，現(xiàn)為旱田，長(zhǎng)勢(shì)良好，無(wú)浸沒(méi)和內(nèi)澇問(wèn)題。

（3）水田和旱地之間為已有水溝和荒草地，寬3～5 m。

（4）根據(jù)地勘成果堤防背水側(cè)過(guò)高崗后，約2.5 m厚壤土層滲透系數(shù)為8.46×10-6cm/s；其下砂層厚約13 m，滲透系數(shù)為2×10-2～5×10-2cm/s；砂層以下為泥巖不透水層。

3.2 浸沒(méi)處理措施

根據(jù)上述特點(diǎn)，結(jié)合左岸浸沒(méi)影響區(qū)的水文地質(zhì)條件和擬于水田和旱地間新建截滲溝1.5 km，并于敬老院北側(cè)新建排水泵站。截滲溝底寬1.0 m，兩側(cè)邊坡1∶2，采用25 cm 厚石籠護(hù)坡，下設(shè)10 cm 厚碎石墊層和無(wú)紡布，溝深2.5～3.0 m。截滲溝深2.5～3.0 m，壤土層全部挖除，將排水溝深入到砂層中，因砂層的滲透系數(shù)為壤土的2 400～6 000 倍左右，自庫(kù)區(qū)滲流水將自砂層全部排至截滲溝內(nèi)并排出（如圖1 所示），該區(qū)域耕地的浸沒(méi)問(wèn)題可得到解決。同時(shí)，因堤防背水側(cè)有寬約50～200 m 的高崗臺(tái)地，滲流滲徑較長(zhǎng)L=100～250 m，上下游水頭差H=2.5 m。本段滲流計(jì)算如下：

對(duì)于穩(wěn)定滲流，符合達(dá)西定律的非均各向異性二維滲流場(chǎng)，水頭勢(shì)函數(shù)滿足微分方程

式中：φ=φ（x，y）為待求水頭勢(shì)函數(shù)；x，y 為平面坐標(biāo)；kx，ky為x，y 軸方向的滲透系數(shù)。

水頭φ 還必須滿足一定的邊界條件，經(jīng)常出現(xiàn)以下幾種邊界條件。

（1）在上游邊界上水頭已知：

φ=φn。

（2）在逸出邊界水頭和位置高程相等：

φ=z 。

（3）在某邊界上滲流量q 已知：

其中l(wèi)x，ly為邊界表面向外法線在x，y 方向的余弦。

將滲流場(chǎng)用有限元離散，假定單元滲流場(chǎng)的水頭函數(shù)勢(shì)φ 為多項(xiàng)式，由微分方程及邊界條件確定問(wèn)題的變分形式，可導(dǎo)得出線性方程組為

式中：[H]為滲透矩陣；{φ}為滲流場(chǎng)水頭；{F}為節(jié)點(diǎn)滲流量。

求解以上方程組可以得到節(jié)點(diǎn)水頭，據(jù)此求得單元的水力坡降，流速等物理量。滲流計(jì)算與滲透穩(wěn)定分析采用Autobank 程序計(jì)算，計(jì)算水位采用哈達(dá)山庫(kù)區(qū)正常高水位。對(duì)本工程治理范圍內(nèi)堤防典型進(jìn)行滲流計(jì)算與滲透穩(wěn)定分析如圖1 所示，經(jīng)計(jì)算滲流流量Q=0.25 m3/s，i=0.03 小于中砂層icr=0.10。

圖1 浸沒(méi)區(qū)典型斷面流網(wǎng)圖

3.3 工程布置

本工程由浸沒(méi)治理工程和田間治理工程組成，其中浸沒(méi)治理工程主要包括1.643 km 縱向排水溝和敬老院強(qiáng)排站，田間治理工程主要包括4 條垂直于縱向排水溝的橫向排水溝。詳細(xì)布置如圖2 所示。

圖2 哈達(dá)山左岸浸沒(méi)處理工程平面布置圖

敬老院強(qiáng)排站排水中心線位于哈達(dá)山防護(hù)堤樁號(hào)8+354 m 背水側(cè)地勢(shì)低洼處，廠房呈“一”字型布置，進(jìn)水前池與布置于泵站東側(cè)的排水溝相連，下游出水管垂直于堤防布置。敬老院強(qiáng)排站站址高程為145.0 m，設(shè)置4 臺(tái)潛水軸流泵，單機(jī)設(shè)計(jì)排水流量0.27～0.31 m3/s，揚(yáng)程5.0～6.8 m，水泵安裝高程137.20 m，總裝機(jī)容量120 kW。廠房外輪廓長(zhǎng)18.2 m，寬6.4 m，高15.57 m，強(qiáng)排站廠區(qū)平臺(tái)長(zhǎng)18.2 m，寬15.1 m，與堤頂直接相連。

縱向排水溝位于浸沒(méi)Ⅳ區(qū)水田和旱地之間已有水溝和荒草地處，沿防護(hù)堤背坡坡腳布置于敬老院強(qiáng)排站南側(cè)，用于將本區(qū)域內(nèi)的積水和庫(kù)區(qū)滲流水匯入敬老院強(qiáng)排站前池。以本次治理區(qū)域東側(cè)高崗處起始點(diǎn)，敬老院強(qiáng)排站為終點(diǎn)，排水溝總長(zhǎng)1 643 m，排水溝排澇流量0.768 m3/s，排滲流量為0.25 m3/s。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量勘查，水田棄種的主要原因?yàn)榕潘粫?，形成?nèi)澇。在棄種水田范圍，新建田間排水溝4條，為田間排水溝（敬老院）一～四，分別與縱向排水溝樁號(hào)為0+722.6 m、0+827.1 m、0+940.9 m、1+051.1 m處垂直相接，總長(zhǎng)度為989 m，排漬流量為0.002 m3/s。

3.4 縱向排水溝設(shè)計(jì)

排水溝為梯形斷面，考慮施工方便，底寬為1 m，兩側(cè)邊坡為1∶2。排水溝兼顧排澇和排滲，溝底需挖透壤土覆蓋層方可有效將庫(kù)區(qū)滲流水排出，排水溝起始點(diǎn)壤土層厚度約為2.0 m，地面高程為140.5 m，排水溝起始點(diǎn)底高程定為138.5 m。本次治理區(qū)根據(jù)調(diào)查情況，地下水位降低至地面以下1.5 m，可不影響地面農(nóng)作物生長(zhǎng)，由此確定排滲水位不應(yīng)大于0.5 m，由明渠均勻流公式反算可得，排水溝底坡比降為1∶2050時(shí)，滿足要求，同時(shí)考慮排水溝底應(yīng)挖透壤土覆蓋層，由此排水溝終點(diǎn)高程確定為137.7 m。排水溝排澇流量（P=10%）Q=0.768 m3/s，水深0.78 m，排滲流量為0.25 m3/s 水深0.45 m。

排水溝底層為中砂，坡面易受水流淘刷破壞，應(yīng)對(duì)排水溝面進(jìn)行石籠護(hù)砌，石籠護(hù)砌頂高程確定：排水溝為5 級(jí)建筑物，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》4、5級(jí)渠道岸頂超高確定按：F=h/4+0.2 計(jì)算，設(shè)計(jì)水深h=0.78 m，可求得石籠護(hù)砌的高度為1.18 m?？紤]本工程排水溝右岸為高崗臺(tái)地，降雨時(shí)水流匯入排水溝流速較大，存在坡水沖刷問(wèn)題，為使排水溝能夠長(zhǎng)久安全運(yùn)行，本次設(shè)計(jì)對(duì)排水溝坡面整體進(jìn)行護(hù)砌。排水溝采用250 mm 厚鉛絲石籠護(hù)坡，石籠下依次為50 mm厚級(jí)配碎石墊層和一層無(wú)紡布（400 g/m2）反濾層，底寬1 m，采用500 mm 厚鉛絲石籠護(hù)底，石籠下為一層無(wú)紡布（400 g/m2）反濾層。

4 結(jié)束語(yǔ)

浸沒(méi)問(wèn)題是平原水庫(kù)庫(kù)區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一，水庫(kù)的建成將會(huì)導(dǎo)致增加庫(kù)岸地下水的滲透壓力，將地下水水位抬高，進(jìn)而影響耕地的產(chǎn)量甚至造成絕產(chǎn)。在治理過(guò)程中需確定地下水浸沒(méi)的臨界深度，根據(jù)臨界水深確定截滲溝的坡降、斷面尺寸、運(yùn)行水位和深度，同時(shí)截滲溝設(shè)計(jì)時(shí)必須注意滲透穩(wěn)定問(wèn)題，進(jìn)而確定截滲溝與壩（堤）腳的距離。