通化恒如水庫浸沒問題評價與對策

盧長偉，曹景峰，劉洪鋮

（吉林省水利水電勘測設計研究院， 長春130021）

浸沒問題一般是指水庫尤其是平原的丘陵形水庫庫區的主要工程地質問題之一， 浸沒范圍的準確圈定一方面可有效保護受影響群眾的利益， 又可準確控制工程造價， 對水庫工程建設投資精準估算至關重要。

浸沒是指水庫蓄水后使庫區周圍地下水位相應抬高，可能接近或高出地面，導致地面鹽漬化、沼澤化及建筑物地基條件發生惡化。 一般水利水電工程地質勘察規范和工程地質手冊中均采用水庫蓄水后先預測地下水位雍高，再通過試驗確定岸坡土的毛細管水上升高度，以及調查評估區作物的根系層深度及建筑物基礎埋深， 對浸沒范圍進行評價。而其中較特殊的一種水庫，圍堤型（懸河型）水庫應用該種評價方法確往往會產生較大誤判，會使浸沒范圍遠超實際發生的范圍，增加工程造價。

圍堤型（懸河型）水庫基礎在修建于平原或丘陵地區或山區存在較寬闊的漫灘階地區域。 即借助河流兩岸堤防擋水在河床上修建攔河壩， 兩側與堤防相接。兩側庫區借用堤防做為永久擋水建筑物，致使水庫蓄水后庫水面高于兩岸地面高程， 由于大部分河流兩岸河堤基基本上位于河漫灘上， 其組成巖性多為透水層，故蓄水后，按傳統的預測方法，堤兩側大部分地面均被淹沒， 故產生淹沒及浸沒區域會很大，影響工程效益指標。但由于該種水庫其特有的地形及工程特征， 水庫運行時產生的浸沒問題與按傳統方法預測的范圍會大相徑庭。經反復試踐探索，確定采用二次型地下水雍高計算法確定的浸沒問題評價與實際情況較吻合。 通化恒如水電站工程即為此類型水庫，采用了二次型地下水雍高計算法，客觀、精確的圈定了水庫運行可能產生的浸沒范圍， 為確定合理的設計方案奠定了基礎。

1 工程概況

通化恒如水電站位于通化縣西江鎮境內， 是一座以發電為主的中型水力發電工程。 在渾江兩岸已建堤防的基礎上修建攔河閘及閘后河床式電站廠房等工程，拉河閘建于渾江主河床上，屬低水頭徑流式水電站工程。

閘址處河床寬408.00m，閘址左岸端點為沿江堤防，右側位于右岸堤防末端山體處，兩岸堤防填筑料均為卵礫石，兩岸堤防基礎全部坐于砂礫石層上，屬強透水層。 右岸堤防末端長695m段堤身部分已進行過防滲處理。 水庫正常蓄水位310.00m時高于堤防兩側大部分區域地面標高。

1.1 主要工程地質條件

1.1.1 地形地貌

主要存在人工堆積地形、 河漫灘和丘陵三個地貌單元。 人工堆積地形主要為沿江堤防， 呈線狀分布，堤頂高程312.48～322.35m，堤高0.6～8.8m；河漫灘分布于河流兩側，地面高程306.90～316.33m，高出江水面0.50～9.40m，寬度為73.0～1224.0m，總體平緩，傾向河床；丘陵分布于庫區兩岸河漫灘兩側，地面坡度15°～45°，局部略陡。 組成巖性以集安巖群荒岔溝組斜長角閃變粒巖為主。

1.1.2 地層巖性

研究區表部為新生界第四系全新統松散堆積物。 由上至下依次為：

［1］人工填土：主要分布于沿江堤身。為松散～密實狀態的卵礫石。 卵石占25.3%，圓礫占36.6%，粗砂占11.5%，中砂占7.7%，細砂占6.3%，粉粒占12.6%。層厚0.60～8.80m。

［2-1］砂壤土：分布于渾江左岸河漫灘表層。 細砂占62.4%，粉粒占29.1%，黏粒占8.5%，層厚0.20～1.90。

［2-2］壤土：分布于渾江右岸河漫灘表層。 細砂占26%，粉粒占50.1%，黏粒占23.9%，層厚0.30～4.50。

［2-3］細砂：斷續分布于［2-1］之下。 礫石占1.1%，粗砂占17.3%，中砂占24.8%，細砂占43.7%，粉粒占13.1%，層厚0.50～2.30m。

［2-4］卵礫石：分布于河漫灘黏性土層之下。 卵石占30.7%， 礫石占38.3%， 粗砂占10.1%， 中砂占8.6%，細砂占5.9%，粉粒占6.4%。 層厚2.20～8.30m。

研究區基底由下元古界集安群荒岔溝組斜長角閃變粒巖組成，全、強風化巖體厚度3.0～10.0m。

1.1.3 水文地質

研究區與研究問題有關的地下水類型主要為第四系全新統沖積堆積細砂及卵礫石層孔隙潛水，埋深0.30～10.60m，右岸部分區段具有微承壓性，承壓水頭1.20～5.00m。 地下水位與江水位相近，形成直接水力聯系，洪水期與枯水期產生互相補給關系。

1.2 主要工程地質問題

1.2.1 滲漏及滲透穩定

形成庫區的兩側沿江堤防基礎巖性為卵礫石層，堤防填筑土料組成巖性也是卵礫石，滲透系數Kv=9.0×10-2cm/s，均為強透水層，僅右岸堤身樁號3+178.35～3+873.45.10m段已經采取無紡布防滲處理措施，其他段均沒有采取防滲措施，水庫蓄水后將存在嚴重滲漏及滲透穩定問題。

由于堤身與堤基卵礫石層為強透水巖土體，堤基卵礫石層下伏斜長角閃變粒巖表部風化較強烈，也為強-中等透水巖體。故對堤身沿迎水側采用鋪設防滲膜， 外鋪混凝土板形式進行防滲， 為了節省資金，堤基僅對卵礫石層布設混凝土截滲墻，以解決堤基滲透穩定問題。

1.2.2 浸沒

由于形成庫區的兩岸堤基斜長角閃變粒巖未進行防滲處理，存在嚴重滲漏問題，當水庫蓄水后，堤防兩側、尤其左岸地下水位將產生較大雍高，部分將出露于地表，產生較嚴重的浸沒問題。

2 浸沒問題分析

研究區兩岸地勢總體低平，向河床傾斜，局部地勢略有起伏。左岸地表巖性由上至下依次為砂壤土，層厚0.20～1.90m；細砂，層厚一般為0.5～1.0m，局部達2.3m；卵礫石，層厚一般2.20～6.0m，局部達8.3m。右岸地表巖性由下至下依次為壤土，層厚0.30～4.50m；卵礫石，層厚一般2.0～4.0m。 構成本研究區基底的斜長角閃變粒巖表部滲透系數k=8.75×10-2～7.0×10-3cm/s。

壤土層為弱透水巖土體， 砂壤土與細砂層為中等透水巖土體， 卵礫石層與斜長角閃變粒巖層為強透水巖土體。 兩岸地下水位埋深0.30～10.60m，地下水位線高程一般為303.35～311.67m， 至河床處基本與庫水位持平，枯水季節地下水補給河水，豐水季節河水補給地下水。

當水庫正常蓄水位310.00m時， 水庫回水長度6.80km，閘址處最大水深7.45m，水庫水位遠高于兩岸地下水位，且高于部分地表高程，且由于沿江堤防堤身及堤基均為強透水層， 兩岸尤其左岸將形成浸沒區。

2.1 勘察工作方法及工作量布置

經初步分析兩岸地形及地層資料， 確定左岸浸沒問題較嚴重， 右岸相對較輕， 但右岸地勢相對復雜，可能存在浸沒問題的區域相對較分散，而左岸地貌單一，存在問題基本為全域性的，故在全區工程地質測繪及初步探明地層及地下水資料的基礎上選擇垂直河流方向（接近地下水流方向）在左岸布設了9條勘測剖面，右岸布設了11條勘測剖面?？碧绞侄沃饕獮榭犹?、鉆探、原位測試和室內土工試驗等手段，綜合對比分析。 毛管水上升智能識別系統為我院新近自主研發產品， 可在探坑內原位測試不同土層及綜合全斷面土層的毛細管水上升上度，方便、精準。共布置探坑42個（以見地下水位及預測水庫蓄水后地下水雍高線為設計深度），鉆孔116個（以深入地下水位以下3～5m為設計孔深，控制性鉆孔以可確定基巖面為終孔條件）。其原位測試毛細管水上升高度36次，取原狀樣室內毛細水上升高度試驗32次。

2.2 傳統浸沒分析評價及存在的問題

庫區左岸坡度較緩，地形坡度1°～3°。 組成巖性為砂壤土、細砂、卵礫石，地下水類型為孔隙潛水，現狀 （勘察期為枯水期） 地下水高程為303.38 ～308.45m，地下水水力比降為0.124%。 庫區右岸坡度較緩，地形坡度1°～3°。 組成巖性為壤土、細砂、卵礫石，地下水類型為孔隙潛水，局部具有承壓性，地下水高 程 為305.80 ～313.70m， 地 下 水 水 力比降 為0.144%。

兩岸堤防基礎及堤身均為強透水巖土體， 水庫至正常蓄水位310.0m后將發生嚴重滲漏問題， 造成庫水大量補給地下水， 當庫水補給兩岸漫灘地下水遇兩側山體向漫灘排泄地下水時， 地下水位迅速雍高，左岸大部分漫灘將被淹沒，右岸將存在少部分淹沒區。由于該段渾江上游水源補給充分，故兩岸水位基本與310.0m持平， 此地下水位雍高值進行浸沒預測，左岸將90%左右將成為浸沒區，其中淹沒面積為2.424km2，浸沒面積為1.303km2。 由于右岸地勢相對較高，影響范圍較小，故本文僅以左岸為例進行分析評價。

但研究區地勢總體向河床傾斜，在堤防內側地勢最低。 以左岸為例，在靠堤防附近形成順江方向近似條帶狀的低洼地帶，當庫水位升高時，庫水滲入到堤內該低洼地帶，將在堤防外側順江方向形成地表徑流向下游排泄，即形成“堤內河”，實際地下水位雍高值遠低于按規范直接進行計算值。 傳統評價方法關于地下水壅高值的計算公式只考慮正常高水位、原地下水線及地層巖性的影響，而沒有考慮“堤內河”地表徑流的影響，將會導致淹沒及浸沒范圍擴大，造成人為征地范圍擴大，導致工程造價提高。 故傳統的浸沒分析評價不適于此類工程項目。

針對上述情況，本文在充分考慮堤基滲漏量及“堤內河”形成地表徑流的情況下，利用均質土壩滲流理論和明渠恒定均勻流理論，計算出“堤內河”各斷面水位，再進行各斷面地下水壅高值的計算，求得各個剖面近于真實的地下水壅高值，即“采取二次型地下水位雍高計算模型”來評價庫區的浸沒問題。

2.3 二次型地下水位雍高計算浸沒問題評價

2.3.1 雍高后地下水位線確定

（1）堤基單寬滲流量計算：

式中 q1為堤基單寬滲流量（m2/s）；H1為正常高蓄水位與堤基距離（m）；h1為溢出點水位高度（m）；l1為堤防下底面寬度（m）；k為堤基土的滲透系數（m/s）；T為堤基距下浮隔水層的距離（m）。

（2）“堤內河” 水位采用明渠恒定均勻流理論進行計算：

式中 h1為“堤內河”水位（m）；m為溢出點處的坡比；Q為溢出點處的滲流量（m3/s）；n為溢出點處的糟率；i為溢出點處的坡比；b為溢出點處的底寬（m）。

表1 各計算剖面“堤內河”水位計算

（3）地下水雍高計算：

式中 y1為“堤內河”水位與下伏隔水層的距離（m）；h1為蓄水前堤內河處水位與下伏隔水層的距離（m）；hn為蓄水前計算點n處的地下水位與下伏隔水層的距離 （m）；yn為壅高后計算點n處地下水位與下伏隔水層的距離（m）。

2.3.2 毛細水上升高度確定

根據我院自主研發的松散層毛細管水上升高度自動識別試驗系統現場試驗、 取樣試驗毛細水上升高度試驗并結合附近類似工程經驗及現場調查綜合確定：［2-1］砂壤土Hk=0.80m；［2-2］壤土Hk=1.20m；［2-3］細砂Hk=0.50m，［2-4］卵礫石Hk=0.20m。

2.3.3 作物根系層厚度及房屋基礎深度確定

作物根系層厚度（安全超高）主要參考當地農業技術推廣站提供的資料， 并向現場土地承包人員調查復核，該區建筑物主要為平房，基礎埋深（安全超高）以現場調查為主。 如表2。

表2 農作物及建筑物安全超高值統計

2.3.4 地下水臨界埋深確定

Hcr=Hk+ΔH

左岸：左岸地層巖性以砂壤土為主，農作物區以玉米為主，部分耕地為水稻、人參、當歸。

右岸：地層巖性以壤土為主，農作物區以水稻為主，部分耕地為玉米、貝母、五味子、人參、當歸。

水稻是喜水作物，但地下水過高也會影響產量，相關資料及當地多年經驗（根據我院哈達山水利樞紐工程庫區浸沒研究經驗）， 水田的地下水埋深臨界值以0.70m為宜。 根據各實測斷面地下水臨界埋深及水庫運行后計算雍高后的地下水位線即可圈定出浸沒范圍，如表3。

預測淹沒面積0.500km2， 預測農作物浸沒面積1.2588km2，預測建筑物浸沒面積0.0212km2。

在考慮“堤內河”地表徑流的情況下，預測淹沒面積和浸沒面積遠小于傳統方法，更符合實際情況，能夠有效的節約土地資源，降低工程造價。

表3 地下水臨界埋深值統計

3 防治措施

針對以上庫水外滲及因水庫蓄水產生的浸沒問題，擬在堤內地勢低洼處修建泄渠，渠底高程設計綜合考慮排泄能力和降低研究區地下水位線雙重因素， 縱向至攔河閘以下發電尾水處通過涵洞排向下游江道。

以上措施一方面可有效規范水庫滲漏形成的“堤內河”地表徑流向下游排泄，同時又可排泄地下水補給河道部分水流，有效降低地下水位線，防止浸沒問題發生。

4 結語

水庫浸沒問題較復雜， 尤其懸河型水庫又有其特殊性， 在評價過程中應在滿足規范要求的基礎上充分考慮其特殊的地質環境條件。 采用二次型地下水位線雍高計算模型可有效解決此類問題， 對淹沒浸沒區的預測更符合實際情況， 可減少浸沒對土地資源的損害，降低工程造價。