通化恒如水库浸没问题评价与对策

卢长伟，曹景峰，刘洪铖

（吉林省水利水电勘测设计研究院， 长春130021）

浸没问题一般是指水库尤其是平原的丘陵形水库库区的主要工程地质问题之一， 浸没范围的准确圈定一方面可有效保护受影响群众的利益， 又可准确控制工程造价， 对水库工程建设投资精准估算至关重要。

浸没是指水库蓄水后使库区周围地下水位相应抬高，可能接近或高出地面，导致地面盐渍化、沼泽化及建筑物地基条件发生恶化。 一般水利水电工程地质勘察规范和工程地质手册中均采用水库蓄水后先预测地下水位雍高，再通过试验确定岸坡土的毛细管水上升高度，以及调查评估区作物的根系层深度及建筑物基础埋深， 对浸没范围进行评价。而其中较特殊的一种水库，围堤型（悬河型）水库应用该种评价方法确往往会产生较大误判，会使浸没范围远超实际发生的范围，增加工程造价。

围堤型（悬河型）水库基础在修建于平原或丘陵地区或山区存在较宽阔的漫滩阶地区域。 即借助河流两岸堤防挡水在河床上修建拦河坝， 两侧与堤防相接。两侧库区借用堤防做为永久挡水建筑物，致使水库蓄水后库水面高于两岸地面高程， 由于大部分河流两岸河堤基基本上位于河漫滩上， 其组成岩性多为透水层，故蓄水后，按传统的预测方法，堤两侧大部分地面均被淹没， 故产生淹没及浸没区域会很大，影响工程效益指标。但由于该种水库其特有的地形及工程特征， 水库运行时产生的浸没问题与按传统方法预测的范围会大相径庭。经反复试践探索，确定采用二次型地下水雍高计算法确定的浸没问题评价与实际情况较吻合。 通化恒如水电站工程即为此类型水库，采用了二次型地下水雍高计算法，客观、精确的圈定了水库运行可能产生的浸没范围， 为确定合理的设计方案奠定了基础。

1 工程概况

通化恒如水电站位于通化县西江镇境内， 是一座以发电为主的中型水力发电工程。 在浑江两岸已建堤防的基础上修建拦河闸及闸后河床式电站厂房等工程，拉河闸建于浑江主河床上，属低水头径流式水电站工程。

闸址处河床宽408.00m，闸址左岸端点为沿江堤防，右侧位于右岸堤防末端山体处，两岸堤防填筑料均为卵砾石，两岸堤防基础全部坐于砂砾石层上，属强透水层。 右岸堤防末端长695m段堤身部分已进行过防渗处理。 水库正常蓄水位310.00m时高于堤防两侧大部分区域地面标高。

1.1 主要工程地质条件

1.1.1 地形地貌

主要存在人工堆积地形、 河漫滩和丘陵三个地貌单元。 人工堆积地形主要为沿江堤防， 呈线状分布，堤顶高程312.48～322.35m，堤高0.6～8.8m；河漫滩分布于河流两侧，地面高程306.90～316.33m，高出江水面0.50～9.40m，宽度为73.0～1224.0m，总体平缓，倾向河床；丘陵分布于库区两岸河漫滩两侧，地面坡度15°～45°，局部略陡。 组成岩性以集安岩群荒岔沟组斜长角闪变粒岩为主。

1.1.2 地层岩性

研究区表部为新生界第四系全新统松散堆积物。 由上至下依次为：

［1］人工填土：主要分布于沿江堤身。为松散～密实状态的卵砾石。 卵石占25.3%，圆砾占36.6%，粗砂占11.5%，中砂占7.7%，细砂占6.3%，粉粒占12.6%。层厚0.60～8.80m。

［2-1］砂壤土：分布于浑江左岸河漫滩表层。 细砂占62.4%，粉粒占29.1%，黏粒占8.5%，层厚0.20～1.90。

［2-2］壤土：分布于浑江右岸河漫滩表层。 细砂占26%，粉粒占50.1%，黏粒占23.9%，层厚0.30～4.50。

［2-3］细砂：断续分布于［2-1］之下。 砾石占1.1%，粗砂占17.3%，中砂占24.8%，细砂占43.7%，粉粒占13.1%，层厚0.50～2.30m。

［2-4］卵砾石：分布于河漫滩黏性土层之下。 卵石占30.7%， 砾石占38.3%， 粗砂占10.1%， 中砂占8.6%，细砂占5.9%，粉粒占6.4%。 层厚2.20～8.30m。

研究区基底由下元古界集安群荒岔沟组斜长角闪变粒岩组成，全、强风化岩体厚度3.0～10.0m。

1.1.3 水文地质

研究区与研究问题有关的地下水类型主要为第四系全新统冲积堆积细砂及卵砾石层孔隙潜水，埋深0.30～10.60m，右岸部分区段具有微承压性，承压水头1.20～5.00m。 地下水位与江水位相近，形成直接水力联系，洪水期与枯水期产生互相补给关系。

1.2 主要工程地质问题

1.2.1 渗漏及渗透稳定

形成库区的两侧沿江堤防基础岩性为卵砾石层，堤防填筑土料组成岩性也是卵砾石，渗透系数Kv=9.0×10-2cm/s，均为强透水层，仅右岸堤身桩号3+178.35～3+873.45.10m段已经采取无纺布防渗处理措施，其他段均没有采取防渗措施，水库蓄水后将存在严重渗漏及渗透稳定问题。

由于堤身与堤基卵砾石层为强透水岩土体，堤基卵砾石层下伏斜长角闪变粒岩表部风化较强烈，也为强-中等透水岩体。故对堤身沿迎水侧采用铺设防渗膜， 外铺混凝土板形式进行防渗， 为了节省资金，堤基仅对卵砾石层布设混凝土截渗墙，以解决堤基渗透稳定问题。

1.2.2 浸没

由于形成库区的两岸堤基斜长角闪变粒岩未进行防渗处理，存在严重渗漏问题，当水库蓄水后，堤防两侧、尤其左岸地下水位将产生较大雍高，部分将出露于地表，产生较严重的浸没问题。

2 浸没问题分析

研究区两岸地势总体低平，向河床倾斜，局部地势略有起伏。左岸地表岩性由上至下依次为砂壤土，层厚0.20～1.90m；细砂，层厚一般为0.5～1.0m，局部达2.3m；卵砾石，层厚一般2.20～6.0m，局部达8.3m。右岸地表岩性由下至下依次为壤土，层厚0.30～4.50m；卵砾石，层厚一般2.0～4.0m。 构成本研究区基底的斜长角闪变粒岩表部渗透系数k=8.75×10-2～7.0×10-3cm/s。

壤土层为弱透水岩土体， 砂壤土与细砂层为中等透水岩土体， 卵砾石层与斜长角闪变粒岩层为强透水岩土体。 两岸地下水位埋深0.30～10.60m，地下水位线高程一般为303.35～311.67m， 至河床处基本与库水位持平，枯水季节地下水补给河水，丰水季节河水补给地下水。

当水库正常蓄水位310.00m时， 水库回水长度6.80km，闸址处最大水深7.45m，水库水位远高于两岸地下水位，且高于部分地表高程，且由于沿江堤防堤身及堤基均为强透水层， 两岸尤其左岸将形成浸没区。

2.1 勘察工作方法及工作量布置

经初步分析两岸地形及地层资料， 确定左岸浸没问题较严重， 右岸相对较轻， 但右岸地势相对复杂，可能存在浸没问题的区域相对较分散，而左岸地貌单一，存在问题基本为全域性的，故在全区工程地质测绘及初步探明地层及地下水资料的基础上选择垂直河流方向（接近地下水流方向）在左岸布设了9条勘测剖面，右岸布设了11条勘测剖面。勘探手段主要为坑探、钻探、原位测试和室内土工试验等手段，综合对比分析。 毛管水上升智能识别系统为我院新近自主研发产品， 可在探坑内原位测试不同土层及综合全断面土层的毛细管水上升上度，方便、精准。共布置探坑42个（以见地下水位及预测水库蓄水后地下水雍高线为设计深度），钻孔116个（以深入地下水位以下3～5m为设计孔深，控制性钻孔以可确定基岩面为终孔条件）。其原位测试毛细管水上升高度36次，取原状样室内毛细水上升高度试验32次。

2.2 传统浸没分析评价及存在的问题

库区左岸坡度较缓，地形坡度1°～3°。 组成岩性为砂壤土、细砂、卵砾石，地下水类型为孔隙潜水，现状 （勘察期为枯水期） 地下水高程为303.38 ～308.45m，地下水水力比降为0.124%。 库区右岸坡度较缓，地形坡度1°～3°。 组成岩性为壤土、细砂、卵砾石，地下水类型为孔隙潜水，局部具有承压性，地下水高 程 为305.80 ～313.70m， 地 下 水 水 力比降 为0.144%。

两岸堤防基础及堤身均为强透水岩土体， 水库至正常蓄水位310.0m后将发生严重渗漏问题， 造成库水大量补给地下水， 当库水补给两岸漫滩地下水遇两侧山体向漫滩排泄地下水时， 地下水位迅速雍高，左岸大部分漫滩将被淹没，右岸将存在少部分淹没区。由于该段浑江上游水源补给充分，故两岸水位基本与310.0m持平， 此地下水位雍高值进行浸没预测，左岸将90%左右将成为浸没区，其中淹没面积为2.424km2，浸没面积为1.303km2。 由于右岸地势相对较高，影响范围较小，故本文仅以左岸为例进行分析评价。

但研究区地势总体向河床倾斜，在堤防内侧地势最低。 以左岸为例，在靠堤防附近形成顺江方向近似条带状的低洼地带，当库水位升高时，库水渗入到堤内该低洼地带，将在堤防外侧顺江方向形成地表径流向下游排泄，即形成“堤内河”，实际地下水位雍高值远低于按规范直接进行计算值。 传统评价方法关于地下水壅高值的计算公式只考虑正常高水位、原地下水线及地层岩性的影响，而没有考虑“堤内河”地表径流的影响，将会导致淹没及浸没范围扩大，造成人为征地范围扩大，导致工程造价提高。 故传统的浸没分析评价不适于此类工程项目。

针对上述情况，本文在充分考虑堤基渗漏量及“堤内河”形成地表径流的情况下，利用均质土坝渗流理论和明渠恒定均匀流理论，计算出“堤内河”各断面水位，再进行各断面地下水壅高值的计算，求得各个剖面近于真实的地下水壅高值，即“采取二次型地下水位雍高计算模型”来评价库区的浸没问题。

2.3 二次型地下水位雍高计算浸没问题评价

2.3.1 雍高后地下水位线确定

（1）堤基单宽渗流量计算：

式中 q1为堤基单宽渗流量（m2/s）；H1为正常高蓄水位与堤基距离（m）；h1为溢出点水位高度（m）；l1为堤防下底面宽度（m）；k为堤基土的渗透系数（m/s）；T为堤基距下浮隔水层的距离（m）。

（2）“堤内河” 水位采用明渠恒定均匀流理论进行计算：

式中 h1为“堤内河”水位（m）；m为溢出点处的坡比；Q为溢出点处的渗流量（m3/s）；n为溢出点处的糟率；i为溢出点处的坡比；b为溢出点处的底宽（m）。

表1 各计算剖面“堤内河”水位计算

（3）地下水雍高计算：

式中 y1为“堤内河”水位与下伏隔水层的距离（m）；h1为蓄水前堤内河处水位与下伏隔水层的距离（m）；hn为蓄水前计算点n处的地下水位与下伏隔水层的距离 （m）；yn为壅高后计算点n处地下水位与下伏隔水层的距离（m）。

2.3.2 毛细水上升高度确定

根据我院自主研发的松散层毛细管水上升高度自动识别试验系统现场试验、 取样试验毛细水上升高度试验并结合附近类似工程经验及现场调查综合确定：［2-1］砂壤土Hk=0.80m；［2-2］壤土Hk=1.20m；［2-3］细砂Hk=0.50m，［2-4］卵砾石Hk=0.20m。

2.3.3 作物根系层厚度及房屋基础深度确定

作物根系层厚度（安全超高）主要参考当地农业技术推广站提供的资料， 并向现场土地承包人员调查复核，该区建筑物主要为平房，基础埋深（安全超高）以现场调查为主。 如表2。

表2 农作物及建筑物安全超高值统计

2.3.4 地下水临界埋深确定

Hcr=Hk+ΔH

左岸：左岸地层岩性以砂壤土为主，农作物区以玉米为主，部分耕地为水稻、人参、当归。

右岸：地层岩性以壤土为主，农作物区以水稻为主，部分耕地为玉米、贝母、五味子、人参、当归。

水稻是喜水作物，但地下水过高也会影响产量，相关资料及当地多年经验（根据我院哈达山水利枢纽工程库区浸没研究经验）， 水田的地下水埋深临界值以0.70m为宜。 根据各实测断面地下水临界埋深及水库运行后计算雍高后的地下水位线即可圈定出浸没范围，如表3。

预测淹没面积0.500km2， 预测农作物浸没面积1.2588km2，预测建筑物浸没面积0.0212km2。

在考虑“堤内河”地表径流的情况下，预测淹没面积和浸没面积远小于传统方法，更符合实际情况，能够有效的节约土地资源，降低工程造价。

表3 地下水临界埋深值统计

3 防治措施

针对以上库水外渗及因水库蓄水产生的浸没问题，拟在堤内地势低洼处修建泄渠，渠底高程设计综合考虑排泄能力和降低研究区地下水位线双重因素， 纵向至拦河闸以下发电尾水处通过涵洞排向下游江道。

以上措施一方面可有效规范水库渗漏形成的“堤内河”地表径流向下游排泄，同时又可排泄地下水补给河道部分水流，有效降低地下水位线，防止浸没问题发生。

4 结语

水库浸没问题较复杂， 尤其悬河型水库又有其特殊性， 在评价过程中应在满足规范要求的基础上充分考虑其特殊的地质环境条件。 采用二次型地下水位线雍高计算模型可有效解决此类问题， 对淹没浸没区的预测更符合实际情况， 可减少浸没对土地资源的损害，降低工程造价。