山東黃泛區(qū)沖積地層隔水性與水質(zhì)特征分析

付大慶，曹存先，魏守民

（1.東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000；2.濰坊市水利建筑設(shè)計研究院，山東 濰坊 261031；3.山東設(shè)協(xié)勘察設(shè)計審查咨詢中心，山東 濟南 250001；4.濱州市簸箕李引黃灌溉管理局，山東 濱州 251700）

近幾十年來，山東省黃河沖積平原地區(qū)（以下簡稱黃泛區(qū)）興建了數(shù)十座大中小型水庫，水庫勘察須查明黃泛區(qū)地層的結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)，重點確定其滲透性。庫區(qū)是否存在相對隔水層，是影響水庫防滲方案設(shè)計的重要因素。若庫區(qū)分布穩(wěn)定的隔水層，一般采用防滲墻或防滲帷幕等垂直截滲方式；若庫區(qū)無分布穩(wěn)定的隔水層，則采用懸掛式垂直截滲或采用水平鋪塑方案等。

環(huán)境水水質(zhì)問題決定著水利工程中所采用的材料是否進行防腐處理。根據(jù)水質(zhì)分析成果，多為硫酸根離子含量偏高對混凝土的硫酸鹽型腐蝕，以及氯離子含量偏高對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性。對于硫酸鹽型腐蝕，一般選擇抗硫酸鹽型水泥。地層隔水性與水質(zhì)分析是相互關(guān)聯(lián)的，二者的結(jié)論直接影響著工程的設(shè)計和投資，是水利工程非常重要的兩個工程地質(zhì)問題。

1 沖積地層的隔水性

黃泛區(qū)地層具典型的各向異性，巖性主要包括砂壤土、壤土、黏土、淤泥和粉細砂等，以砂性土居多。壤土一般夾姜石，蟲孔發(fā)育，貫通性較好；黏土裂隙發(fā)育，寬約2～10 mm，充填砂壤土；壤土和黏土的滲透系數(shù)一般為1.74×10-4～8.10×10-3cm/s，具中等透水性，不可作為相對隔水層；淤泥的滲透系數(shù)為2.89×10-6～6.71×10-5cm/s，具微～弱透水性，從滲透性上分析，淤泥可以做為隔水層。由于淤泥層厚度較小，一般為0.50～2.50 m，在低洼區(qū)分布一般不連續(xù)，易發(fā)生越流補給。因此，很難將淤泥用作整個水庫庫底的隔水屏障。同時，淤泥具雙重工程地質(zhì)特性：一方面其滲透性弱，可作為隔水層，對工程防滲是有利的；另一方面，它是典型的軟土，屬特殊性土。其孔隙比(e)為1.566～1.734，液性指數(shù)(IL)為1.06～1.07，呈流塑狀，壓縮系數(shù)(a1-2)為0.98～2.33 MPa-1，具高壓縮性，標貫擊數(shù)(N)為1～2 擊，力學(xué)強度極低，易發(fā)生塑流變形和側(cè)向擠出，對工程的穩(wěn)定性非常不利，通常需進行地基處理。

2 隔水層的表現(xiàn)形式

隔水層在工程中有典型的表現(xiàn)形式，在進行分層抽水試驗時，分層水位明顯差異；在基坑開挖時，隔水層上部多存在上層滯水，當上部地層為砂壤土?xí)r易發(fā)生流砂破壞。上部的砂壤土或粉土等含水層易發(fā)生流砂、流土破壞，影響基坑的安全。

2.1 分層水位觀測

圖1 為鄒平縣某工程抽水試驗分層水位觀測圖。

由鉆孔B8-1 主要土層的穩(wěn)定水位知：①層砂壤土的潛水位埋深為2.05 m，⑤層壤土的水位埋深為1.65 m，高出潛水位0.40 m，壤土中賦存微承壓水，起隔水作用的為③層淤泥。因黃河多次決口泛濫，沉積旋回多，形成多層水平紋理，③層淤泥在垂向上滲透性很小，而在水平方向上滲透性較強。⑥層黏土的水頭高度低于潛水位0.38 m，該層黏土在垂向上滲透性較弱，為弱透水層，與上下含水層的水力聯(lián)系不密切，故水頭高度較低。

圖1 抽水試驗鉆孔主要土層的地下水位

從地下水位分層觀測分析，可知③層淤泥可作為相對隔水層，其下賦存微承壓水。（但是）各土層間水位差異較小，說明該區(qū)地下水的補排關(guān)系比較單一。

2.2 上層滯水及流砂破壞

包氣帶局部存在隔水層時，隔水層上部會聚集具有自由水面的重力水，即上層滯水。隔水層是形成上層滯水的決定因素，相反，如果存在了上層滯水，那么可反推弱透水地層是否可作為相對隔水層。

基坑開挖時，隔水層及上層滯水是典型的水文工程地質(zhì)問題。當隔水層位于建基面或者建基面以上時，采用管井降水，盡管井內(nèi)降深很大，也形成了較大的降落漏斗。但建基面表層仍然有水，給施工過程帶來很大的困難，這是由于隔水層的阻隔作用造成的，管井降水對隔水層上部水不起作用。

上層滯水受基坑邊坡切割出露時，形成懸掛下降泉。隔水層以上的砂壤土或粉砂便產(chǎn)生流土（流砂）破壞，隔水層之上形成長長的滲水帶，然后出現(xiàn)逐漸變大的土洞，最后導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。為消除上層滯水，可采用輕型井點降水，并采取反濾措施，既保護了基坑邊坡，又將上層滯水排除。

3 常規(guī)地下水水質(zhì)分析過程

常規(guī)地下水水質(zhì)分析步驟是：鉆孔抽水→取水樣→化驗分析→水質(zhì)分析報告→腐蝕性評價。

鉆孔抽水與取水樣在野外勘察區(qū)進行，一般為鉆孔混合抽水，將抽出來的水裝瓶取樣，取兩瓶，并在其中一瓶水樣中放入大理石粉，密封保存。由于是混合抽水，未考慮相對隔水層的影響，所取水樣只代表抽水鉆孔最大降深范圍內(nèi)的地下水水質(zhì)。

依據(jù)各鉆孔的水質(zhì)分析成果，判定某個區(qū)域地下水是否具腐蝕性，從平面上確定出腐蝕性地下水的分布特征。假如某一點地下水判定為具腐蝕性，就認為該處的水質(zhì)全部具腐蝕性，未從深度方向上區(qū)分水質(zhì)的變化情況。

4 隔水層上下水質(zhì)情況

濟南市小清河某工地建基面處分布厚度為1.20～3.50 m 的淤泥隔水層，由于該處靠近某大型化工廠，施工時對地下水水質(zhì)情況進行復(fù)核。分別取開挖基坑內(nèi)的水（隔水層以上）和降水井的水（隔水層以下），發(fā)現(xiàn)水質(zhì)情況存在明顯的差異，表1 為水質(zhì)分析SO42-含量的分布情況。

從表1 可知，靠近化工廠處樁號13+105～13+320段相鄰取水點距離為5.0～10.0 m，因淤泥層的阻隔，分成上下兩層地下水。上層為地表潛水，受化工廠污水滲入性污染，具中等～強腐蝕性；下層由于厚層的淤泥阻隔，為微承壓水，不會發(fā)生越流污染，因此水質(zhì)不具腐蝕性。

在鄒平縣某工程進行分層抽水試驗，在同一個鉆孔分層取不同深度的地下水樣，分析結(jié)果見表2。

表1 濟南某項目水質(zhì)分析成果

表2 鄒平某項目水質(zhì)分析成果

表2 可知，在地面埋深10.0 m 以上，SO42-含量為14.2～246.7 mg/L，不具腐蝕性。在地面埋深10.0 m 以下，SO42-含量為367.6～4 814.6 mg/L，具硫酸鹽型弱～強腐蝕性。水樣中SO42-含量具垂向分帶性，說明該處存在相對隔水層。上部無腐蝕、下部具弱～強腐蝕的情況與長期引黃灌溉有關(guān)，SO42-離子積聚到下部地層中，隔水層以下水的離子含量過高，便會具腐蝕性。

5 水質(zhì)分析空間概念

在同一地點(同一鉆孔內(nèi))、不同深度的地下水存在水質(zhì)差異，根本原因是存在隔水層。進行水質(zhì)分析時，不但確定區(qū)域平面的水質(zhì)情況，而且也要在縱向上確定出水質(zhì)的分帶性，即建立水質(zhì)分析的空間概念。

若將地層按各向同性體考慮，水質(zhì)按常規(guī)一點帶面的分析方法，獲取的水質(zhì)分析結(jié)果具片面性。未查清水質(zhì)腐蝕的深度，會造成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)存在腐蝕隱患；將上部腐蝕情況應(yīng)用于整個地層深度，將不需要處理的部位做了防腐處理，則會造成極大的工程浪費。

建立水質(zhì)分析的空間概念，充分考慮隔水層的影響，揭示水質(zhì)的縱向分帶性，為基礎(chǔ)防腐措施提供準確可靠依據(jù)。

在黃泛區(qū)進行抽水試驗時，應(yīng)用套管止水分層抽水法，分層觀測地下水位，確定是否存在相對隔水層。然后分層取水樣，根據(jù)水質(zhì)分析成果，在垂向上分析水質(zhì)的變化，判定是否存在越流污染等工程問題。

6 結(jié) 論

1）地層隔水性與水質(zhì)差異是密不可分的。地層中存在了隔水層，才有可能引起水質(zhì)的變化，相反，通過水質(zhì)的差異可反推是否存在有隔水層，孤立地分析其中的某一項，會得出片面的結(jié)論。

2）建立水質(zhì)分析的空間概念，充分考慮隔水層的影響，由水平向分區(qū)轉(zhuǎn)向水質(zhì)的垂向分帶性研究，準確、可靠地確定出水質(zhì)的變化情況。

3）重視分層抽水試驗、分層觀測水位和分層采取地下水樣，分析所取水樣代表的地層層位。在水質(zhì)分析結(jié)果及滲透系數(shù)計算時應(yīng)考慮隔水層，不能以完全透水層簡單處理，錯誤地認識和反映工程地質(zhì)條件。