某地人工湖蓄水能力的論證研究

崔浩浩，田 禹，朱 喜，馬楊敏，高宗軍

(山東科技大學，山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室，山東 青島266510)

為改善人們的生活環境、提高生活質量，某縣政府研究決定在縣北部建造人工湖，以保質保量、節約用水、生態環保、經濟適用為目標，全力打造綠色環保生態花園。建設人工湖后，該人工湖的蓄水能力如何，滲漏多少，在現有的補給能力范圍(5 000 m3/d)內能否保持人工湖的景觀?針對這個問題，本文展開以下論證研究。

1 研究區概況

研究區的水文地質及地形條件簡單。研究區為一個自北向南發育的小型溝谷，北東西為山丘，周圍水位較高，對該區進行補給，形成了一個小型的聚水盆地。出露地層一般淺部為第四系殘坡積土，厚度為1～2 m，下伏基巖為片麻狀閃長巖，弱風化～全風化，裂隙基本不發育;在研究區區南部溝谷底部發育約150 m2的厚約1 m的砂層;部分區域有人工堆積土。區內構造簡單，沒有斷裂發育，局部有擠壓破碎現象。

結合實際地形地貌條件及水文地質條件，結合高程的差異等因素，擬在以下相應的位置建造四道堤壩，形成梯級式水面效果，依次呈階梯狀。這樣既可以保證下級壩蓄水后，庫水可抵達上級壩的壩腳，呈現最大水面效果，也可以產生若干個人工小型瀑布的景觀效果。相應的具體建造水壩設計情況如圖1所示。

圖1 水文地質簡圖

2 滲漏問題的分析

為論證該人工湖的蓄水能力，需要對滲漏問題進行分析。人工湖建壩蓄水后會通過壩、和湖區的透水層、透水帶向下游及湖外滲漏，影響人工湖的景觀效益。通過水文地質調查區內沒有透水帶，斷裂等導水因素，且該區出露基巖為片麻狀閃長巖，傾角較大，且走向與人工湖的流向基本垂直，加上水文地質調查周圍的水位均比較高，有向該區匯聚的趨勢，該故不考慮側向滲漏的問題。因而滲漏的主要因素就是庫底滲漏和繞壩滲漏。

圖2 研究區的電子沙盤及擬建壩的位置

2.1 庫底滲漏

2.1.1 滲透系數的確定

根據擬設的四道壩的位置，對每道擬設壩的庫底區域選取適宜位置進行了滲透試驗，來確定其滲透系數。滲水試驗采取非穩定流滲水試驗。

表1 人工湖四個不同區域的滲透系數

根據表中數據，取其平均值，得出:K=0.000 129 757 m/s=11.21 m/d

該滲透系數為庫底基巖上覆松散沉積物的滲透系數，當人工湖蓄水時，先要飽和基巖上覆的松散沉積物，這部分損失的水不會漏失到人工湖以外，因為該覆蓋層厚度不大，1～2 m，即使不挖掉對人工湖的蓄水能力也是沒有多少影響的，只是在一定程度上延緩了人工湖蓄滿水的時間，這樣的滲漏叫暫時性滲漏，不能用來計算庫底的滲漏。

在水文地質調查過程中，區內沒有發現較大的、具有導水能力的斷裂構造;該區強風化層厚度一般在1～2 m左右，考慮庫區滲漏時，庫底巖性應該被認為是弱風化或半風化、甚至新鮮基巖(變質巖)來看待，考慮庫區基巖滲漏的時候，則參考了大量水文地質文獻，并結合相鄰地區基巖的滲透系數的經驗值，確定K=0.025 m/d為庫底或該區弱風化基巖的滲透系數，以此來計算庫底滲漏。

2.1.2 庫底滲漏的計算

為充分論證每一級壩的蓄水能力，要分別算出每一級庫區的滲透量。

四道壩及所圍人工湖的面積如表2所示。為了最大限度地利用好土地，發揮好城市土地的綜合效果，建議將中間兩個庫區的面積縮小，增加休閑、娛樂、健身設施，以提高“湖區”公園的用途和價值。

圖3 四道壩及所圍人工湖的面積

表2 回填處理之后四道壩及所圍人工湖的面積

根據達西滲透定律:Q滲透=KAΔH/L

K為弱透水性基巖滲透系數;

A為過水斷面面積，即人工湖面積;

ΔH為水頭損失，(上下游過水斷面的水頭差)即兩壩的高程差;

L為滲透途徑，即上游到地下水位的距離;

庫區一:根據達西滲透定律:Q滲透=KAΔH/L

K=0.025 m/d

A庫一 =7 680 m2

ΔH=H+L1=3+9=12 m

L1=9 m

Q滲透=256 m3/d

庫區二:根據達西滲透定律:Q滲透=KAΔH/L

K=0.025 m/d

A庫二 =7 133 m2

ΔH=H+L2=3+6=9 m

L2=6 m

Q滲透=267.5 m3/d

庫區三:根據達西滲透定律:Q滲透=KAΔH/L

K=0.025 m/d

A庫三 =9 517 m2

ΔH=H+L3=3+3=6 m

L3=3 m

Q滲透=475.85 m3/d

庫區四:由于庫區四接近地下水位，向下滲漏量為0。

回填處理后的庫區滲透量=256 m3/d+267.5 m3/d+475.85 m3/d+0=999.35 m3/d

圖4 庫區滲漏計算示意圖

2.2 繞壩滲漏量

繞壩滲漏又稱壩肩滲漏，是指水庫蓄水后，由于上下游水頭差，使庫水沿壩兩岸巖石的孔隙、裂隙、溶洞、斷層等向壩下游的滲漏。在實際情況中，由于基巖是弱透水性，一級壩除向下滲漏外還會繞壩滲漏，對下一級壩進行補給。在此約定，上一級庫區水的繞壩滲透量，視為下一級庫區的補給量。因此，我們計算的繞壩滲透量僅為第四道壩的滲透量(如圖5)。

圖5 庫區相互補給示意圖

在第四剖面上有泉眼露頭，多年積水，高程為131.5 m，根據調查水位高程繪制出大體水位線如圖6所示。

繞壩滲漏量:

Q=KΔb(H1+H2/2)H/L

式中:K為巖土的滲透系數;Δb為某一滲流帶的長度;L為某一滲流帶的寬度;H1為水庫正常高水位至隔水層頂板的高差;H2為水庫下游水位至隔水層頂板的高差;ΔH為水庫上下游水位差;

公式中Δb(H1+H2/2)即為壩基兩側蓄水后透水斷面的面積，在CAD中根據剖面四量出兩側透水斷面的面積為14.2 m2+7.6 m2=21.8 m2

K為取繞壩試驗中求得的四次滲透系數的平均值0.000 129 757 m/s=11.21 m/d;

ΔH為為水壩的高度3m;

L為為壩基的寬度2m;

Q=21.8 ×11.21 ×3 ÷2=122.189 m3/d

圖6 第四道壩的剖面圖

圖7 繞壩滲漏計算示意圖

圖8 繞壩滲漏帶范圍(蓄水后透水斷面)

2.3 滲漏計算

整個人工湖的滲漏量計算公式如下:

Q補=Q庫區滲漏+Q繞壩滲漏+Q降水－Q蒸發

其中 Q庫區滲漏和 Q繞壩滲漏在上述計算中分別為999.35 m3/d和 122.189 m3/d

Q降水和Q蒸發通過收集當地資料分別為 Q湖降=134 m3/d和 Q湖蒸=213.7 m3/d

通過以上計算得出該人工湖每天需要的補給量是1201.239 m3/d。

3 結論

本文為驗證人工湖的蓄水能力，對研究區的滲漏問題進行分析，確定了滲漏的主要因素為庫底滲漏和繞壩滲漏，并分別計算出了相應的滲漏量，從而得出要維持該人工湖的景觀效應需要的補給量是1201.239 m3/d，完全在其補給能力之內。