平原型水庫浸沒預測方法探討——以陜西省斗門水庫為例

李 鵬，焦振華

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安 710000)

陜西省斗門水庫工程為陜西省引漢濟渭工程的調蓄水庫，距西安市中心約20 km，為典型的平原型水庫。勘察揭示庫區(qū)主要地層由一級階地壤土、中砂、湖積成因的淤泥質土及二級階地黃土、粉質粘土、中砂組成，其中中砂主要呈透鏡體分布于湖區(qū)。工程蓄水后庫水位將高于原地下水位，在長期滲流過程中可能改變庫周現有水文地質條件，將引起水庫周邊地下水位的升高而產生浸沒問題，進而引起農田沼澤化、土壤鹽漬化，建筑物地基強度降低甚至破壞，道路翻漿、泥濘、中斷交通等不良后果，評價其浸沒影響范圍成為斗門水庫工程地質研究的重要內容之一［1－2］。

當前已有學者對三維地質模型法［3－4］、卡明斯基公式法［5］、三維地下水滲流數值模擬法［6－7］、數學模型法［8］等平原型水庫浸沒范圍的預測方法進行了探討，并提出了減壓井、截滲帷幕等相應的工程處理措施及效果［9－10］。為查明其影響范圍、影響程度，本次工作對庫區(qū)28個鉆孔及現有農用井水位進行了觀測，其中對庫區(qū)鉆孔在揭穿相對隔水層前后分別進行了水位觀測。對庫區(qū)分布地層滲透特性進行了野外及室內試驗(表1)。對庫區(qū)現有池塘及周邊水文情況進行了詳細調查，并針對其蓄水前期及后期不同的浸沒方式分別選用數學模型法及作圖法進行分段預測。

表1 巖土體滲透特性統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of seepage propert ies of rock and soil mass

1 浸沒評價標準

浸沒評價執(zhí)行《水利水電工程地質勘察規(guī)范》附錄D的浸沒評價標準，浸沒臨界值按下式進行計算后確定:

式中:Hcr為浸沒地下水臨界埋深(m);Hk為土壤毛細水上升高度(m)，取1.5 m;ΔH為安全超高值(m)，對農業(yè)區(qū)，該值即根系層的厚度;對城鎮(zhèn)和居民區(qū)，該值取決于建筑物荷載、基礎形式和砌置深度。蓄水區(qū)位于西安市灃河附近城鎮(zhèn)區(qū)域。

據調查當地建筑物基礎在3 m以下，建筑物臨界地下水位埋深確定為4.5 m，根系層厚度約1 m，農作物臨界地下水位埋深確定為2.5 m。

2 蓄水前期浸沒影響分析

蓄水前期(本次工作假設為180天時間)，庫水向庫外低水位區(qū)補給，庫外水位上升程度主要取決于補給量的大小，采用數學模型法分析浸沒影響，即用潛水含水層中地下水非穩(wěn)定運動Boussinesq方程推導水位上升高度［11］。

Boussinesq基本方程為:

通過數學變化，微分方程的解為:

則某一時間t，距離x處的地下水位:

當 hx，t＞2.5 m 時，會對農作物產生浸沒影響;當hx，t＞4.5 m 會對建筑物地基產生影響。

根據同類工程類比，給水度μ值一般在0.05～0.25之間，變化不大，本次工作按照μ=0.1進行預測。蓄水前期，地下水水位變化及其浸沒影響可按照數學模型法進行計算(表2)，蓄水前期地下水水位變化及浸沒影響主要受下部地層滲透系數、現狀地下水位埋深、湖內外水位差等多重影響。其中受滲透系數影響最大，樁號4+400～4+740 m，7+580～8+280 m 由于下部地層夾1.5～5 m不等中砂透鏡體，滲透系數較大，補水作用較強，故在蓄水前期地下水位變化較大，浸沒影響范圍較大，對農作物為340 m左右，對建筑物地基為510 m左右;9+620～14+566 m，由于原地面高程較高，庫內外水位差較小，且?guī)焱獾叵滤裆钶^大，故蓄水初期地下水位變化不足以引起浸沒影響;其余段下部土體滲透系數較小，補水作用相對較弱，蓄水前期地下水位變化較小，浸沒影響范圍較小，對農作物為8～30 m，對建筑物地基為20～50 m。

據設計人員提供的斷面情況，外湖圍堤寬度在40～50 m，且堤后有300～800 m壩后回填，對蓄水引起的浸沒具有一定的消減作用，建議蓄水前期重點對樁號4+400～4+740 m，7+580～8+280 m下部中砂透鏡體較厚段進行防滲及壩后排水處理。

表2 蓄水前期(180 d)地下水水位變化及浸沒范圍Table 2 Water level change of underground wat er and immersion scope before water storage

3 蓄水后期浸沒影響分析

蓄水后期，地下水達到動態(tài)平衡，按一定比降與現有地下水連通，本工程按最不利情況考慮取初始水力比降值進行作圖分析。

3.1 起始水力坡降的確定

水動力學研究表明［12］，對于可塑狀態(tài)的黏性土，孔隙中自由液態(tài)水已完全消失，其所含的水是弱結合水。弱結合水既有固體性質(即具有抗剪強度)，又有液體性質，只有在外力克服弱結合水抗剪強度時才能發(fā)生流動，消耗于克服弱結合水阻力的坡降為起始水力坡降I0。

3.1.1 野外試驗法

通過在上覆黏性土中打一鉆孔，打到黏性土層下部含水帶時測定其水位，然后打穿承壓含水層，并測定其穩(wěn)定水位，則起始水力坡降計算公式為:

式中:H為初見水位與最終穩(wěn)定水位差(m);M為第一次測定水位時其孔深至含水層頂板深度(m)。

本次工作對野外具雙層結構的鉆孔進行了觀測及統(tǒng)計計算(表3)。

表3 野外雙層結構鉆孔水位觀測統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of water level observation of double layer structure of drilling in field

3.1.2 野外調查法

在野外對庫區(qū)內現有魚塘及周邊水位進行調查，作圖(圖1)計算，現有水位與周邊鉆孔流向上，4－4'剖面勘探點距水邊線過遠，水力比降觀測值偏小，5－5'剖面水邊為灃惠渠，防滲效果較好，故水力比降受補水影響作用不大，綜合分析，壤土地層現狀水力比降為0.04 ～0.06，中間有砂層分布的水力比降為 0.09 左右。按最不利情況考慮，結合鉆孔試驗計算本次起始工程水力比降取值0.05。

圖1 庫區(qū)現有水位調查分布及剖面圖Fig.1 Investigation distribution and profile of present water level

3.2 作圖法預測蓄水后期浸沒范圍

根據鉆孔試驗及現場調查資料，本工程初始水力比降取值0.05。按照該比降，對蓄水后滲流曲線進行模擬作圖(圖2)，并進行分段統(tǒng)計(表4)。

分析表明蓄水后期庫區(qū)對農作物浸沒影響距離約8～26 m，對建筑物影響距離13～92 m，對地表高程較高的區(qū)域，浸沒影響不大，浸沒影響范圍較大的區(qū)域主要集中在4+400～4+740 m，7+580～8+280 m等下部有中砂透鏡體的區(qū)域及0+186～4+400 m，6+640～7+580 m等地表高程較低，容易受地下水影響的區(qū)域，建議重點對該類區(qū)域進行防滲、排水處理，減輕浸沒影響。

4 結論與討論

4.1 結論

通過數學模型法及作圖法分別對斗門水庫庫區(qū)蓄水前期及后期浸沒進行了預測，結論如下:

圖2 蓄水后期滲流曲線圖Fig.2 Seepage curve of later stage of impoundment

表4 蓄水后期庫區(qū)浸沒分段統(tǒng)計表Table 4 Statistical table of immersion segmentation of later stage of impoundment in reservoir area

(1)蓄水前期，樁號4+400～4+740 m，7+580～8+280 m浸沒影響范圍較大，對農作物為340 m左右，對建筑物地基為510 m左右;9+620～14+566 m，蓄水初期地下水位變化不足以引起浸沒影響;其余段下部土體滲透系數較小，補水作用相對較弱，蓄水前期地下水位變化較小，浸沒影響范圍較小，對農作物為8～30 m，對建筑物地基為20～50 m。

(2)蓄水后期，庫區(qū)對農作物浸沒影響距離約8～26 m，對建筑物影響距離13～92 m，對地表高程較高的區(qū)域，浸沒影響不大，浸沒影響范圍較大的區(qū)域主要集中在4+400～4+740 m，7+580～8+280 m等下部有中砂透鏡體的區(qū)域及0+186～4+400 m，6+640～7+580 m等地表高程較低，容易受地下水影響的區(qū)域。

(3)建議在施工過程中進一步確定中砂透鏡體層的分布，在蓄水過程及蓄水后期對下部有中砂透鏡體及地表高程較低的區(qū)域進行防滲、排水處理，減輕浸沒影響。

4.2 討論

(1)數學模型法與模擬作圖法在平原型水庫浸沒預測中均可使用，其中模擬作圖法可預測水庫運行穩(wěn)定后的最終浸沒范圍，而數學模型法能更好地預測水庫運行初期及運行過程中浸沒范圍的變化情況。

(2)運行穩(wěn)定前水庫水位壅高，向岸邊連續(xù)補給，補給作用劇烈，其預測浸沒范圍主要與補給時間相關，水庫運行穩(wěn)定后，形成穩(wěn)定的地下水—地表水補排平衡，造成的浸沒范圍相對較小，故查明其穩(wěn)定時間及穩(wěn)定狀態(tài)是進一步研究平原型水庫浸沒預測問題的重要方向。

(3)野外調查法得到的水力比降可能會有較大的誤差，但由于作圖預測法主要適用于預測水庫穩(wěn)定運行后的最終浸沒范圍，長期穩(wěn)定后的野外實際水力比降數據對作圖預測法的參考意義更為重要，采用野外調查水力比降預測浸沒范圍的準確性主要取決于水力下降過程線上的布點密度，密度越大則作圖預測法結論越準確。

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