河渠建设对邻近场地地下水位的影响研究

张晓丽 杨陛涵

中核勘察设计研究有限公司 河南 郑州 450052

在《岩土工程勘察规范》GB50021-2001（2009年版）中明确了地下水的勘察要求掌握：地下水的类型和赋存状态、主要含水层的分布规律、区域气候资料、地下水的补给排泄条件、地表水与地下水的补排关系及其对地下水位的影响、勘察时的地下水位、历史最高水位、近3～5年最高地下水位、水位变化趋势和主要影响因素等[1]。地下水水位的上升与下降会对岩土工程造成直接的影响，尤其是在地下工程设计时，必须充分考虑地下水对岩土及地下建筑工程的各种作用。

河渠水位的变化是影响两岸地下水动态的重要因素。在地表水和两岸潜水存在水力联系的情况下，当河水位（或库水位）高于两岸潜水位时，将补给地下水；当河水位低于附近地下水位时，河渠就成为地下水的排泄通道。一般情况下地下水位上升，会使得地基承载力下降、砂土地震液化加剧、土壤沼泽化、盐渍化；也会使得对建筑物基础浮力增大，造成地面隆起、基础上浮、引起流沙管涌等不良现象的发生。地下水位下降，易形成地下漏斗，造成地面塌陷等工程问题[2-6]。因此，研究河渠附近地下水的运动规律对地下水资源评价、土壤盐碱化、工程抗浮水位等问题都有着重要的意义，对工程建设的安全和投资也至关重要。

本文结合开封某项目场地岩土工程勘察，通过对该项目场地东侧运粮河引黄调蓄工程对地下水水位的影响进行概算分析，研究河库蓄水对场地的地下水影响。

1 水文地质概念模型

1.1 河渠间地下水的非稳定流[2]

在研究时作如下假设：

（1）含水层为均质各向同性，底部相对隔水层水平：上部入渗量可忽略不计，即设W=0。河渠引渗后的潜水流可视为一维流；

（2）潜水流的初始状态为稳定流，水位可用式（1）表示，即：

（3）两侧河渠水位同时出现水位上升，发生瞬时回水，左河水位自h0,0，上升至h0,t，右河自hl,0上升至hl,t，如图1所示。

图1 河渠间潜水的非稳定流

F—— 河渠水位函数，当x在0～1区间变化时，由表可查；

F'——可据，由求得。

式（2）为河渠水位迅速上升，然后保持不变时，计算河渠间任一断面任一时刻水位的公式。该公式表明，它为乘上小于1的函数，故河渠间任一断面的水位变化幅度总是小于河渠的水位变幅的。

1.2 单侧河渠渗透问题分析

（1）l→∞，=0，将两侧河渠渗透转变为单侧有河渠渗透的半无侧限问题，如图2所示。

图2 河渠水位迅速上升时河渠附近潜水的非稳定运动

图3 库区蓄水不同时间对附近地下水位的影响

此时，式（2）简化为：

为了求极限值，可将级数化为积分，结果为：

λ——河渠水位对地下水为的影响系数。

erfc(λ)——误差函数的补函数（余误差函数）

erf(λ)=——误差函数

如果含水层的水压力传导系数a已知，欲求在任一距离x，任一时间t内河渠水位突然变化所引起的地下水水位变化∆h0,t，可先求出，然后由表查得值F(λ)，代入式（3）即可得到hx,t值。

2 工程案例

2.1 工程概况

运粮河位于赵口灌溉区东侧，京东大道以南，赵口干渠位于运粮河东侧，二者相距330m。运粮河和赵口干渠均为砂土质河渠，无衬砌，河道现状淤积严重。其中运粮河河道排涝能力不足3年一遇标准的30%，每遇到较大降雨，河道排泄不畅，涝灾频发。

根据相关资料，运粮河引黄调蓄工程初步拟定为河库一体的布置方式，核心区调蓄湖南北稍窄，中间较宽。湖体开挖边界西侧距拟建场地东侧的滨河路边线50m，东侧距改线后的赵口干渠60m。运粮河河渠开挖高程为71.50m，湖岸堤岸高程为79.88m，湖岸平均开挖深度6.0m，平均水深5.0m，正常蓄水位为76.50m，水面面积1850亩。运粮河流域50年一遇洪水位为78.68m。

2.2 场地地层岩性

场地地层为第四系全新统冲积而成的粉砂、粉土、粉质黏土，自上而下各土层基本特征见表1。

表1 主要土层基本特征表

2.3 水文地质条件

根据区域资料及勘察结果，场地地下水为第四系潜水。主要含水层为第②-1层粉土及②-1层以下的粉土、粉质黏土及砂层。2017年5月实测地下水稳定水位为4.0～5.5m，稳定水位绝对标高为72.48～73.96m，平均地下水水位标高73.20m。

本场地地下水主要受季节性大气降水补给和邻近河渠补给，排泄方式主要为蒸发排泄和人工开采排泄，其动态变化主要受季节性降水的影响，从7月中旬至10月上旬是每年丰水期，每年12月至来年2月为枯水期。

3 案例验算分析

本场地平均标高约为78.0m，第⑤层以上土层视为均质透水层，层厚按8.0m考虑，层底标高为70.0m，综合渗透系数K按0.3m/d考虑；下部视为相对隔水层。场地现水位标高按73.2m考虑。

根据运粮河水利资料，运粮河库区正常蓄水位为76.50m，50年一遇洪水位为78.68m。分两种工况考虑：①按最不利情况考虑，运粮河未作防渗处理情况下，正常蓄水至76.50m，不同蓄水时长对周边地下水水位的影响；②按最不利情况考虑，当运粮河改造引黄调蓄工程遇暴雨时，水位迅速上升至洪水位78.68m，历时5d的情况下，对周边地下水的影响。

3.1 库区正常蓄水

库区初始水位h0,0=73.2m-70.0m=3.2m；潜水流厚度由潜水流平均厚度hm代替，按4.8m考虑。库区水位上涨幅度h0,t=6.50m，=32.00m2；t分别取5d、30d、60d、100d及1y进行验算，μ取0.10[7]。=（0.3×4.8）/0.10=14.4m2/d，根据式（5）计算的△hx,t，计算结果如下图所示。

根据上述工况计算结果可以看出：拟建库区正常蓄水条件下，水库水向两侧补给，库区两侧水位明显上升；且开始水力梯度较大，水面线扩展速度较快，随时间延长，水力梯度逐渐减小，地下水面线的扩散速度也变慢；距库区同一距离处地下水水位随时间逐渐上升。由此可知，库区水位上升对地下水的影响具有时间效应，蓄水时间越长，影响半径越大，同一位置地下水位上升幅度越大。

3.2 库区遇50年一遇洪水

库区初始水位h0,0=78.68m-70.0m=8.68m；潜水流厚度由潜水流平均厚度hm代替，按5.0m考虑。库区水位上涨幅度h0,t=8.68m，=65.0m2；t取5d，μ取0.10。（0.3×5.0）/0.10=15.0m2/d，根据式（5）计算的△hx,t。

根据计算结果：库区无论是正常蓄水5d，还是遇暴雨洪涝时间5d，库区近距离范围内水力坡降较大，且分别在25m、35m左右地下水位变幅趋近于0m。由此得出结论：库区水位上升，短时间内对两侧地下水的影响范围很小。而拟建场地东侧滨河路距河库50m，由此可以判定，库区短时间（如3～5d）的洪水汇流，对拟建场地地下水基本无影响。

3.3 对拟建工程项目的影响

河库蓄水致使拟建场地地下水位上升，不但引起地基土承载力下降，还加剧砂土地震液化。运粮河引黄调蓄工程属于长期水利工程，当河库正常蓄水1年时，地下水影响半径扩大至约290m。根据当地气象资料，结合地区经验及场地周边水文地质条件，正常情况上部潜水的年变化幅度在3.0m左右，本场地近3～5年最高水位标高按76.5m考虑时，对地面以下20m范围内可能液化的土进行液化判别，第④层粉土为轻微液化，按照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版）表4.1.1的划分标准，拟建场地属对建筑抗震不利地段。

因此当河库正常运行后，对其邻近场地地下水的影响不容小视，而拟建场地距河库仅为50m，故本工程设计时应充分考虑运粮河引黄调蓄工程对场地地下水的影响，采取相应的抗液化措施，进行相应的防水防潮、及抗浮设计。

4 关于河库防渗问题讨论

河库蓄水运行后会渗漏补给地下水，改变区域地下水环境，适度的渗漏是有益的，但从本场地目前地层结构来看，蓄水后渗漏量较大，对水库运行有较大影响。地下水水位上升对四周建筑物的安全也将产生不利影响，如地基承载力下降，砂土地震液化加剧，发生流沙管涌等工程质量和安全问题。因此，应对水库采取防渗措施。

渠道防渗工程主要分为土料防渗、水泥土防渗、砌石防渗、混凝土防渗、膜料防渗及沥青混凝土防渗。针对本调蓄工程，推荐采用混凝土搅拌成墙法的垂直混凝土防渗措施。并建议在河库外侧增加观测井，以监测地下水水位的变化及防渗墙的抗渗作用。

5 结论与建议

1、河渠正常蓄水运行后对周边地下水有补给作用，且随时间增长，影响半径也逐渐变大。

2、库区蓄水开始地下水水力梯度较大，水面线扩展速度较快，随时间延长，水力梯度逐渐减小，地下水面线的扩散速度也变慢。

3、库区蓄水运行后对周边环境和建筑均会产生不利影响，因此应做好库区防渗工作，减少渗漏，减轻洪涝灾害。

4、建议在河库外侧增加观测井，以监测地下水水位的变化及防渗墙的抗渗作用。