水庫浸沒及庫岸坍塌對北京風電場的影響

王進衛

（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

0 前言

國內外對災害的研究歷史非常久遠，20世紀60年代前，自然災害研究主要限于災害機理及預測研究，70年代，美國首先對加州的地震、滑坡10種自然災害進行了風險評估（張梁等，1998）。我國對地質災害的研究起于70年代，主要對災害分布規律、形成機理、趨勢預測等方面分析，評價類型有崩塌（危巖）、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂縫、海水入侵等。北京的地質災害調查與研究可追溯到20世紀60年代，基本與國內外同步，并按災害動態特征（北京市地質礦產勘查開發局等，2008），按突發性地質災害中的崩塌、滑坡、泥石流、采礦塌陷、地震、砂土液化，以及緩變型的地面沉降和地裂縫等相對常見的地質災害類型進行分析研究，并采取預報預警等相應措施。本文結合北京風電場災害評估對北京及周邊不常見的水庫浸沒和庫岸坍塌等兩種災害類型進行分析探討，分析了兩者對建設場址的現狀危害，并準確預測了水庫浸沒和庫岸坍塌對工程建設運行的影響，提出了適宜的危險性量化指標和經濟合理的防治危害措施。經多年運行監測，北京風電場運行平穩，不僅保障了2008年奧運項目順利召開，且長期為北京及周邊地區提供可靠的清潔能源。

1 概述

北京風電場是為改善北京能源結構，為北京電網提供清潔可再生資源，減少大氣污染，保護生態環境使首都北京成為“宜居城市”而建設的。規劃裝機總容量為200MW，由數10臺高度約65m、單機容量為1250kW風力的風電機和一座專用變電站構成。場址位于北京市西北端、河北省懷來縣狼山風口東南端官廳水庫南岸的狹長地帶，海拔高度在476～479m之間。由于場址地勢較低，西北方向的氣流通過官廳水庫的水面產生增速效應，不易產生紊流，并且無明顯的破壞風速，狼山山口使西北氣流在這里具加速作用，使得該地區的風力資源非常豐富，多年最大平均風速為13.6m/s，這里風大且持續時間長。因此，官廳水庫沿岸是北京區域內理想的風電場址。

2 地質環境條件

風電廠場地位于延慶盆地與懷涿盆地交匯部位，官廳水庫庫區南岸的山前傾斜平原（圖1）。地勢總體呈南高北低之勢，自山前沖洪積扇頂部向水庫中心傾斜。周邊主要斷裂為北東向的桑園堡—狼山—方家沖斷裂、大古城—康莊斷裂和北西向的狼山—新保安斷裂。地表為第四系覆蓋層，基底為太古界，第四系沉積厚度100～200m左右，地層巖性以砂質粉土、粘質粉土、粉砂、砂礫石為主（圖2），第四系孔隙水主要為潛水。

官廳水庫自1955年8月開始蓄水運行以來，水庫周圍地區地下水位抬高，從而引起土地鹽漬化，導致農作物、果樹減產死亡，部分民房開裂、倒塌、道路翻漿等現象（河北省地礦局第一水文地質工程地質大隊，1987）。水庫庫岸周長約220km，庫岸坍塌幾乎年年發生，坍塌總長度約58.74km（魯桂春，2011）。

圖1 北京風電場及周邊地貌及第四系地質圖Fig.1 The surrounding geomorphology and the fourth geological map of Beijing wind farm

圖2 北京風電場工程地質剖面示意圖Fig.2 Engineering geological section schematic of Beijing Wind Farm

3 地質災害類型及特征

通過分析研究項目工程特點、規模及地質環境條件，確定了除北京地區常見的活動斷裂及砂土液化災害類型，還有北京地區并不常見的水庫浸沒、庫岸坍塌等兩種潛在地質災害類型。而后者在北京市現行規范中亦未對其評價和量化指標等有具體要求，故本文僅分析研究水庫浸沒、庫岸坍塌對風電廠場地的影響。

3.1 水庫浸沒

（1）浸沒危害及特征

①對民房破壞：水庫浸沒對民房的破壞作用主要表現在兩個方面，其一由于地下水位抬升，地基土層飽和，巖性相對變軟，強度降低，進而破壞民房的穩定使其開裂甚至倒塌；其二由于地下水位上升，當地下水位上升至地表凍結深度內，在冬季的凍結過程中，凍土表現有明顯的凍脹性，春季凍土消融，巖性松軟，壓縮性急劇增大，強度降低，地基下沉，因而民房受到破壞甚至倒塌。

②土壤次生鹽漬化：水庫浸沒區范圍內，使易溶鹽集聚，地表普遍出現土壤次生鹽漬化，易溶鹽含量一般為0.07%～0.18%，局部達到0.53%，超過鹽漬土0.5%的含鹽量標準；水化學類型有重碳酸鹽硫酸鹽型、硫酸鹽氯變物型、重碳酸鹽型等，陽離子中鉀、鈉、鈣居首位，其次為鈣鎂，土壤次生鹽漬化會導致農作物、果樹減產甚至死亡，加速對建筑材料的腐蝕。

（2）水庫浸沒歷史危害情況

官廳水庫自1954年開始蓄水運用以來，水庫周圍地區地下水位升高，已造成過土壤鹽漬化、農作物、果樹減產死亡，部分民房開裂、倒塌、道路翻漿等危害。據懷來縣和涿鹿縣水利局1983年5月調查報告，浸沒涉及眾多鄉鎮（表1），僅懷來縣浸沒479m線以上耕地191930.5畝，涿鹿縣受官廳水庫浸沒影響范圍總面積140km2，占全縣耕地面積的19%。原建于水庫岸邊482m高程處懷來縣東花園鄉太師莊村，先后歷經兩次搬遷，先是由于1954年修建水庫全村280多戶900多口人已全部搬遷至即現在的太師莊舊村(高程490～492m)，1956年春季浸沒災害嚴重，村內外翻漿，土地沼澤化，層內地面潮濕，爐坑內冒泉，地基下沉，墻壁裂縫的房屋占房屋總數的70%，1957年促使40多戶160多口人進行再次搬遷至即現在的太師莊新村。1961年以后，庫水位后退，浸沒狀況逐漸好轉。

表1 1983年調查浸沒危害統計情況Tab.1 Investigation of the statistics of immersion hazards in 1983

（3）水庫浸沒現狀分析

官廳水庫供水運用原則：為保證汛期水庫及下游防洪安全，汛期水庫水位不超過汛限水位(死水位)476m，其它月份不超過正常蓄水位479m。據官廳水庫多年運行資料，水庫運用水位低于473.5m的月份占統計月份的27.66%，運用水位低于死水位476m的月份占統計月份的76.24%，，歷年最高運用水位478.83m，未超過水庫汛后最高蓄水位479m。1985年后庫水位一直在473～474m附近運行，隨后庫水位呈下降趨勢。且由圖3 知，地下水位與庫水位聯系密切，水位曲線升降變化即基本一致。

圖3 官廳水庫水位與地下水位變化曲線圖Fig.3 Graph of variation of Guanting reservoir and groundwater

由于連年降水量的減少，懷涿盆地氣候干旱，地下水位不同程度下降，浸沒區范圍縮小。通過調查了解到：原浸沒區現狀水位下降了4～5m，原由于沼澤化被迫棄耕的土地現均已恢復了生產，糧食平均畝產由300斤最高增加到1200 斤。浸沒范圍主要分布于水庫南岸定州營以東—太師莊一帶高程473.5m現狀河漫灘局部地區，而建設場地位于476～479m間，目前水庫浸沒災害現象較輕微。

（4）水庫浸沒預測分析及評價

水庫浸沒的標準取決于地下水的臨界深度。地下水臨界深度，對于建筑物來說就是建筑物的基礎的砌置深度加上基礎下土的毛細上升高度；對于農作物來說，就是農作物的根系深度加根系下土的毛細上升高度。如果地下水位的實際埋深小于或等于這個臨界深度則產生浸沒，否則就不產生浸沒。

根據相關試驗成果表明（表2），不同巖性的土層，具有不同的毛細上升高度，土的顆粒細，毛細上升高；顆粒粗則毛細上升低。工作區包氣帶巖性主要是粘性土，且多為單層結構，毛細上升高度粘性土按1.5m左右，砂性土按0.5m左右。

表2 水庫浸沒地區土壤毛細上升高度(單位：m)Tab.2 The height of soil capillary rise in the area of reservoir immersion

發生水庫浸沒的地下水臨界深度常按下式計算（水力發電工程地質勘察規范，2006）：

式中：Hcr為浸沒的臨界地下水位埋深（m）；Hk為地下水位以上，土壤毛管水上升帶的高度（m）；ΔH為安全超高值（m）。對農業區，該值即根系的厚度；城鎮和居民區，取決于建筑物荷載，基礎形式和砌置深度。

根據官廳水庫庫區浸沒工程地質勘察報告成果，庫區以粉土和砂土為主，毛細水上升高度Hk取0.50m；農作物以玉米及少量豆類為主，根系埋深0.15～0.30m，偏于安全考慮，安全超高值ΔH取0.5m。地下水臨界深度范圍值為0.50～1.50m。結合工程建設場地情況，經測算當庫水位達到475.5m高程，地下水位埋深小于或等于0.5m時，建設用地(標高476～479m)將達到嚴重浸沒程度，水庫浸沒對建設用地的危險性為“中等—大”（表3）。

表3 建設場地水庫浸沒程度及危險性分區標準表Tab.3 Zoning standard talbe of reservoir immersion degree and risk in construction site

3.2 庫岸坍塌

（1）水庫塌岸因素

根據調查分析，官廳水庫塌岸的原因主要為以下幾個方面：

①地形因素：水庫沿岸局部地段岸高坡陡，易坍塌。

②地層巖性：水庫岸坡以第四系沖洪積層為主，巖性為粘質粉土、砂質粉土、粉質粘土等。該種土質結構松散，水理性差，遇水易崩解，抗沖(淘)刷能力差，是造成水庫塌岸的主要原因。

③風浪作用：水庫水面寬，吹程大，風向以北風、西北風為主，在迎風岸和凸岸，風大浪高，水庫庫岸水流沖刷和風浪淘刷嚴重，是產生塌岸的重要原因。

④庫冰凍融：庫區冬季氣溫低，結冰時間較長、厚度大，凍融剝蝕和冰的擠壓破壞是造成水庫塌岸的另一個重要原因。

（2）庫岸坍塌歷史危害情況

官廳水庫庫岸周長約220km,自1954年官廳水庫投入運行以來，庫岸連年不斷發生不同程度坍塌，尤其是水庫蓄水初期庫水位驟然抬升至1956年汛后水位477.9m，以及1979—1980年、1995—1996年在477～478m水位長時間運行，庫岸坍塌現象最為活躍和嚴重（圖4）。據1999年3月張家口水利水電設計院調查結果，建庫時，估計累計塌地面積3497畝，共損失百年海棠樹25株，棗樹20株、山杏4770株、成材楊柳樹3400余株，毀壞楊水站8座、林場專用路2 km左右。

圖4 庫岸(受水淘蝕)坍塌示意圖Fig.4 Schematic diagram of reservoir banks collapse（affected by water erosion）

（3）塌岸現狀分析

調查發現水庫南岸沿岸地帶存在著不同程度塌岸情況，小七營—太師莊舊村沿線累計塌岸長度為12214m（表4）。根據庫岸形態、地層結構、風力風向、庫岸流等自然因素，我們按塌岸程度將塌岸劃分為三類：即嚴重塌岸地段、中等塌岸地段、輕微塌岸地段（圖5、表4）。

①重塌岸地段：岸坡多為土質中—高坡型岸坡（高度大于4m），土體抗沖(淘)刷能力差，遇水易崩解，岸前水上淺灘窄，水下淺灘不穩定。多分布在迎風岸或凸岸，一般水面寬，吹程大，風浪及庫岸流強。塌岸段主要分布在水庫南岸小七營西北、佟莊—定州營舊村、定州營舊村—段莊以北局部地段。該段地處河流階地前緣部位，庫岸岸頂地面高程479～482m，坡角高程475～477m，坡高一般4～6m，坡度多為60°～90°，屬中低型岸坡。岸前淺灘（高程476m以上）不發育，且多為磨蝕淺灘，坡度1°～3°。庫岸主要受北、西向風浪作用，在風浪作用下，有較強的庫岸流產生，對淺灘及庫岸沖刷作用明顯，可看到淺灘再造作用形成的水蝕階坎，說明淺灘再造作用仍在繼續。

表4 建設場地及周邊地區現狀塌岸分類及塌岸長度統計表Tab.4 Statistical table of classi fication and length of bank collapse in construction site and surrounding area

②中等塌岸地段：庫岸多為中等高度的土質岸坡(高度2～4m)，也包括一部分碎石(砂礫石)及土與碎石(砂礫石)組成的多元結構的高岸坡，岸前發育有形態完整且趨于穩定的淺灘，但灘后緣高程低于479m。塌岸段主要分布在小七營—佟莊局部及定州營舊村以北京包鐵路橋兩側，岸上多為耕地或經濟林。地處河流階地前緣，沖溝較發育。受沖溝切割影響，凸岸、岸咀、岸灣相間分布。岸頂高程一般為480～482m，部分岸頂高程低于479m。岸灣地帶岸坡坡度相對較緩，為30°～40°左右，凸岸及岸咀地帶多為近直立型岸坡。定州營舊村以東淺灘寬度較小，一般3.5～7m，最大28m，其它岸段淺灘寬度相對較大；淺灘坡度一般為2°左右，岸灣及沖溝內淺灘坡度3°～5°。

圖5 北京風電場用地及周邊塌岸現狀及預測范圍圖Fig.5 Current situation and prediction range of land and surrounding bank collapse in Beijing wind farm

③輕微塌岸地段：庫岸較低(高度小于2m)，岸坡坡度較緩，風浪對庫岸作用微弱，僅沿岸和局部沖溝地段有一定程度的塌岸。塌岸段主要分布在水庫南岸段莊—太師莊舊村段及小七營—佟莊舊村西段局部地區，地處山前洪積扇前緣斜坡地帶，地勢呈寬緩斜坡狀，地面坡度1.5°～3°，該區庫岸相對穩定，塌岸較輕微。

雖然現狀水庫沿岸有不同程度的塌岸現象，但多是由于歷史上高庫水位時形成的，而現狀庫水位僅473～474m，且岸邊淺灘多已形成并趨于穩定，僅凸岸、岸咀部位受風浪作用有輕微坍塌外，而建設用地范圍內大部分岸坡相對較穩定。現狀庫岸坍塌危險性小。

(4)庫岸坍塌影響預測分析評價

塌岸的預測現在比較常用的卡丘金公式（聶文波等，2010），里面E·Г·卡丘金于1949年提出的庫岸最終塌岸預測寬度計算公式為：

式中：S為最終塌岸寬度（m）；N為與土的類型有關的系數，按粘土取值為1；A為水位變化幅度（m），現狀庫水位473m左右，按上限水位476m考慮，取3m；hp 為波浪影響深度（m），設計低水位以下波浪影響深度一般取1～2倍浪高，浪高取0.5m時波浪影響深度取1m；hb為浪爬高度（m），設計高水位以上浪爬高度可按下式計算

式中：K為岸坡粗糙系數，取0.6；h為浪高（m），取0.5m。

hs 為正常高水位以上岸坡的高度（m），取4m；α為水庫水位變動和波浪影響所涉及的范圍內，形成均一的磨蝕淺灘的坡角（°），粘土夾塊碎石層水上穩定坡取值20°；β為水上岸坡的穩定坡角（°）；γ為原岸坡坡角（°）。

根據卡丘金公式預測結果（表5），當庫水位達到汛限水位476m時，水庫發生庫岸坍塌寬度將達12.13m。可見，庫岸坍塌對建設用地危險性較大，雖然卡丘金公式預測偏于安全，但為保障工程建設，風機及變電站場地宜遵守相關堤防工程建設規范或標準要求，盡量遠離堤岸，保證護堤地寬度不小于20m為宜。

4 危險性量化指標的選擇

目前尚無一個成熟的量化指標對水庫浸沒的危險性進行量化，根據官廳水庫庫區地質環境特征、庫水位情況，結合歷史上已發生浸沒災害的情況，以及本場地實際情況進行量化，即：

（1）水庫浸沒危險性量化指標

①危險性中等—大：庫水位大于等于475.5m，地下水位埋深小于或等于0.5m時。

②危險性小—中等：庫水位大于等于474.5m并小于475.5m，地下水位埋深大于0.5m，小于或等于1.0m時。

③危險性小：庫水位大于等于473.5m并小于474.5m，地下水位埋深大于1.0m，小于或等于1.5m時。

（2）庫岸坍塌危險性量化指標

庫岸坍塌受地質條件、地形、風浪和庫水位等因素影響，根據庫區基本為土質岸坡的特點及庫岸形態、風力風向、庫岸流等自然因素、現狀塌岸情況，針對建設項目特點將建設用地塌岸危險性程度做如下劃分：

①危險性大的地段：土質岸坡高度大于4m，坡度60°～90°。

②危險性中等的地段：土質岸坡高度為2～4m，坡度30°～60°。

表5 庫岸塌岸預測計算表Tab.5 Calculation table for prediction collapse of reservoir bank

③危險性小的地段：土質岸坡高度小于2m，坡度小于30°。

5 綜合評價

結合水庫浸沒和庫岸坍塌現狀和預測分析評價，根據危險性量化指標對北京風電場建設用地地質災害危險性進行了綜合分區（圖6），北京風電廠用地范圍內西部和東部屬危險性中等，基本適宜工程建設，而中部定州營村一帶危險性大，適宜性差。

（1）場地現狀水庫浸沒危害輕微，但當庫水位達到475.5m高程運行時，建設場地(標高476～479m范圍)將達到嚴重浸沒程度，浸沒危險性為“中等—大”。為保證風電廠順利建設并安全運行，工程建設位置因地制宜，在其周邊筑防護堤或采取架空(高架)措施，抬高(±0)，并加強建筑物基礎及上部結構的整體剛度和強度。

圖6 北京風電場建設用地地質災害危險性綜合分區圖Fig.6 Comprehensive zoning map of geological hazard risk in the construction land of Beijing wind farm

（2）場地周邊的庫岸邊凸岸、岸咀等部位受波浪作用有不同程度的坍塌外，現狀岸坡相對較穩定；但當庫水位抬高為476m時，塌岸表現將趨于活躍，部分岸坡將產生塌岸，危險性為“小—中等，局部為大”。風力發電機組及變電站的建設用地盡量避開陡坎，地形高差較大的地段;若須臨近庫岸，可采取漿砌石護坡或抗滑樁、坡頂和坡角開挖截、排水溝等支擋措施，并須加固建(構)筑物基礎或采用樁基，基礎埋置深度進入下伏密實度相對較好的地層。

6 結語

經過多年運行監測，官廳水庫庫水位一直在473m以下運行，北京風電場平穩運行，未發生相應地質災害，為首都藍天計劃提供了保障和清潔能源。通過對北京風電場用地的評估，為今后水庫浸沒和庫岸坍塌等規范沒有提到的災害類型評估提供了借鑒，針對不同工程項目評估時仍須具體問題具體分析，確保工程建設順利進行。

北京市地質礦產勘查開發局，北京市地質研究所，2008.北京地質災害[M].北京：中國大地出版社.

河北省地礦局第一水文地質工程地質大隊，1987.官廳水庫庫區(河北部分)浸沒工程地質勘察報告[R].

魯桂春，2011.官廳水庫庫岸塌岸機理與治理措施[J].北京水務，(1)：46-48.

聶文波，張利潔，費巧振，2010.卡丘金法在香溪汽渡北岸碼頭庫岸塌岸預測中的應用[J].資源與環境，24(1)：66-67.

張梁，張業成，羅元華，1998.地質災害災情評估理論與實踐[M].北京：地質出版社.