三家店水库水文地质特征及其对工程施工的影响

姚旭初 张琦伟 王 巍

（1. 北京市水利规划设计研究院 北京 100048 2. 北京市门头沟区水务局 北京 102300）

1 引言

卵石或漂石粗颗粒土层在人工水库或湖等地表水体的长期作用下，其形成的渗透规律较特殊，往往导致水文地质条件也比较复杂，而水文地质条件是采取合理施工措施和防渗设计方案的关键因素之一。

北京六环路工程穿过三家店人工水库，其特点是地表水体下的土层岩性主要以粗颗粒的卵石或漂石为主，工程场区的地下水分布条件以及补、径、排关系在一定程度上决定了工程的施工措施和设计方案，以及运行后的使用安全。本文分析粗颗粒土层在地表水体的长期作用下形成的普遍渗透规律，并讨论其对六环路挡土墙工程施工的影响。

2 水文地质条件

北京西六环公路穿过永定河上游三家店水库库区，库底地层岩性以卵石和漂石为主。根据现场水文地质勘察与地下水监测结果，将库底的地下水以库底下约11~12m深度为界线划分为浅层地下水和深层地下水。

浅层地下水总体特征是接受地表水体补给、以垂向渗流为主，按其赋水土层的渗透特性，可将赋水土层细划为4个饱水层，自上而下依次为：

第1饱水层（即淤泥②层），厚度约0.3~2m，其土层渗透系数较小，为0.05m/d左右。地下水水位监测期间（2006.9.10~2006.9.26），于相应该层的监测孔（孔号：C5，其结构见图1）中量测到的最高水位标高为 108.18m，与同期量测的水库最高水位标高108.22m基本一致。

第 2饱水层（即含少量的粘性土卵石③1层），层厚约 3m，分布于淤泥②层之下，该饱水层的渗透性相对较弱，其土层渗透系数在2.00m/d左右，地下水水位监测期间，于相应层位的监测孔（孔号：A3，其结构见图1）中量测的该层不同深度处水位埋深为 0.68~2.06m，水位标高为 104.82~107.24m，地下水水位标高随着监测深度增加而降低。13

第3饱水层（即基本不含粘性土的卵石③2层），厚度约0.5~2m，其土层渗透性相对较强，渗透系数约为25.00m/d，地下水水位监测期间，于相应层位的监测孔（孔号：A2，其结构见图1）中量测到的水位埋深为 2.16~4.20m，水位标高为103.93~105.79m，地下水水位标高随着监测深度的增加略有降低，但没有第2饱水层中明显。

第 4饱水层（即含粘性土较多的卵石③3层），层厚约 6m，其土层渗透性相对较差，渗透系数约为 0.50m/d，现场勘探过程中于该层不同深度处量测到的地下水水位随深度增加而降低，该层顶板附近的地下水水位与第3饱水层水位一致。深层地下水主要赋存于卵石、漂石的卵石③5层中，其土层渗透性大，渗透系数大于500m/d，饱水层的底板是基岩，地下水水位随着基岩顶板标高的起伏而变化较大，饱水层厚度较小，地下水水位监测期间量测到的该层地下水水位埋深为13.51~13.76m，水位标高为94.19~94.44m。

图1 C5、A3和A2监测孔的结构示意图

3 粗 粒土层的渗 规律

3.1 渗 规律分析

分析上述的水文地质条件，粗颗粒土层在地表水的长期作用下，在水库库底11~12m深度范围内形成了浅层地下水，其下形成了深层地下水。浅层地下水与水库地表水之间存在密切的水力联系，并主要接受地表水入渗补给，地下水动态与地表水基本一致（图2）。

地下水的排泄方式主要为垂向渗流，因此，即便在同一饱水层中不同深度监测的地下水水位也不一致，即随着监测深度的增加而地下水位标高降低，存在明显的垂向水头损失。深层地下水主要接受浅层地下水的渗流补给，以侧向径流排泄为主。其赋水层位的土层渗透系数大，饱水层中地下水总水头不随深度变化，因此，其垂向渗流的水头损失可以忽略不计。

图2 水库水位及地下水水位动态曲线（监测时 ：2006.9.10~2006.9.22）

3.2 数值模拟分析

为了从理论上更好地分析粗颗粒地层在地表水体作用下的普遍渗透规律，根据场区的水文地质条件，并结合现场地下水水位的监测结果，建立了人工水库库区渗流场的二维非稳定流的数学模型如下：

（1）式中，

D——计算区域；

K——渗透系数（LT-1）；

H——水头（L）；

h——含水层厚度（L）；

μ——给水度，无量纲；

W——单位时间、单位面积上垂直方向的水交换量（LT-1）；

H0——初始水头（L）；

H b——第一类边界上的已知水头（L）；

q——第二类边界上的法线方向单宽流量（L2T-1）；

n——第二类边界的外法线方向；

Γ1——第一类边界；

Γ2——第二类边界。

采用有限单元法对水库渗流场进行模拟，建立的二维非稳定流问题的有限元方程如下：

（2）式中，

[G]——导水矩阵；

{H}——未知水头的列矩阵（向量）；

[S]——给水矩阵；

{dH/dt}——节点水头对于时间一阶导数的列矩阵（向量）；

[E]——源汇列矩阵（向量）；

[B]——边界列矩阵（向量）。

图3 有 单元法计算单元网格剖分

有限单元法计算时单元网格剖分见图 3，计算结果见图4（总水头随垂向标高变化曲线）。从图4可以看出，深层地下水的总水头不随深度变化，即在饱水层中总水头是一定值；而浅层地下水总体上由于垂向渗流作用导致水头损失，总水头随着深度的增加而减小，尤其在第2和第4饱水层中比较显著，这也与其渗透系数较小相一致，即饱水层的渗透系数越小其对水头的损失越大。

4 水文地质条件对 基挡土墙施工的影响

西六环路基挡土墙施工初期由于没有充分考虑到水库库区水文地质特征，没有在库区设置隔水围挡，大量水库水沿着渗透性较强的③2层水平向流入到施工竖井，并导入到深层含水层③5层中，每天库水漏水量达 2万 m3左右，导致水库管理部门紧急叫停工程施工，并责令采取相应措施解决库水大量漏失问题。解决这问题需要采取隔水围挡，但问题是设置钢板桩围挡深入库底多深才能起到较好的隔水作用？根据上述库区水文地质条件分析，不难解决这一难题，将浅层地下水（尤其是第3饱水层的③2层的地下水）阻隔住，问题便可迎刃而解，即将围挡插入③2层中1~2m，基本阻隔住库水及浅层地下水。按此施工了隔水围挡，实际隔水效果良好，也充分表明对库区水文地质特征充分分析的重要性。

图4 地下水总水头 垂向标 变化曲线

5 结语

（1）人工水库库底下埋深约11~12m深度范围内赋存浅层地下水，浅层地下水的赋存土层主要为卵石或含粘性土的卵石，没有传统意义上的含水层和隔水层之分。浅层地下水主要接受地表水体的补给，地下水动态与地表水一致；浅层地下水以垂向渗流排泄为主，在同一饱水层中随着深度的增加总水头减小，这种水头损失大小与饱水层的渗透系数成反比。

（2）深层地下水赋存于库底埋深12m以下的卵石、漂石层中，饱水层的地板是基岩，地下水水位标高随着基岩顶板起伏而变化较大，饱水层厚度一般较小。深层地下水的补给主要是浅层地下水通过非饱水带对其补给，其排泄以侧向径流为主。

（3）水文地质条件往往是采取合理工程措施和防渗设计的关键因素。

1. 王大纯, 张人权, 等. 水文地质学基础. 北京: 地质出版社,1995.

2. 曹剑峰,迟宝明, 等. 专门水文地质学. 北京: 科学出版社,2006.

3. 朱学愚, 钱孝星. 地下水水文学. 北京: 中国环境科学出版社,2005.