吉林西部夏家園子屯浸沒問題研究

曹景峰

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春，130021）

0 引言

浸沒是指由于水庫蓄水后，抬高河水位，引起周邊地下水壅高，當水位達到建筑物地基或農作物根系臨界高度時，引起建筑物地基強度降低或土壤鹽堿化、沼澤化的現象。其主要受到地下水位、地形地貌、地質構造及地層巖性、水文及氣候條件、水庫運行及人類活動的影響。庫區(qū)浸沒問題直接影響到人民群眾的生產生活，是庫區(qū)重要的環(huán)境地質問題之一，因此合理圈定浸沒范圍，提出有效的防治措施，對庫區(qū)地質環(huán)境保護和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。

1 區(qū)域概況

哈達山水庫于2011年10月蓄水安全鑒定完成后開始蓄水，水庫壩前正常蓄水位140.5m，夏家園子屯位于水庫左岸，地貌為河漫灘，寬1.50~6.50m，其后緣為丘陵狀臺地。河漫灘地形平坦、地勢較低，地面高程為138.10～142.20m，表層為壤土，厚度1.50～7.00m，其下部為細砂和粗砂層，厚度7.80～16.50m。含水層主要為第四系細砂和粗砂層中的潛水，地下水位埋深為1.30～4.00m，地下水位高程為137 87～138.50m。

水庫正常蓄水后，水庫回水進入原有村邊的沖溝，致使沖溝附近地下水位抬升，并導致地下水位壅高，低洼處居民的水井受污染，不符合飲用水標準。沖溝附近的房屋有的基礎淹沒，墻根濕潤，冬季凍脹，有的地面塌陷，發(fā)生不均勻沉降，造成房屋墻體開裂。另外，由于受庫水位的頂托，村邊沖溝的汛期洪水位將升高，洪水攜帶的泥沙淤積在沖溝口附近，威脅耕地、民房和人民生命財產安全。

圖1 水庫回水浸沒示意圖

2 浸沒分析與預測

2.1 臨界地下水位埋深

哈達山水利樞紐工程位于松花江上，主要建筑物為泄洪閘、引水閘及溢流壩。壩頂高程146.00m，正常蓄水位140.5m。庫區(qū)地形上具有東南高西北低的特點。其中東南部地面高程為200～260m，最高處達285m，位于王府鎮(zhèn)南部；西北部地勢較低平，地面高程為150～200m；第二松花江河谷開闊，一般寬 4～6km，地勢平坦，地面高程 135～150m，自東南向西北傾斜，江道屬辮狀水系，心灘、沙洲、天然堤、殘留河道、牛軛湖等多有分布。研究區(qū)第四紀沉積物廣布全區(qū)，表層為壤土，下部為透水性較強的細砂和粗砂層，地下水埋深1.30~4.00m，地下水位埋藏較淺，雨季入滲補給量將很大會使地下水位升高，在以上因素綜合作用下，將可能發(fā)生浸沒現象。為了進一步預測浸沒范圍，在研究區(qū)內進行了一系列工程地質勘察工作，如表1所示。

表1 工程勘察表

研究區(qū)地層由壤土和細砂、粗砂構成，壤土和細砂、粗砂的透水性相差較大，滲透系數差值一般在103以上，地下水類型為潛水，屬于二元層次結構地層。

對于二元層次結構地層，依據地下水雍高計算，預測地下水回水位高程，當回水位高程高于當地臨界地下水位時，該地區(qū)應判定為浸沒區(qū)。

當預測地段和庫岸帶的隔水層近似水平，為均質含水層且無入滲補給時，可根據達西公式導出地下水雍高值Z1的計算公式：

h1—蓄水前地下水位，h2—為河水位，上游地區(qū)應加上底層水位超高值，Z2—水庫政常蓄水位與河水位的高差。

根據水文地質條件，確定浸沒地下水埋藏臨界值公式:Hcr=Hk+ΔH

Hk為毛細水上升高度，ΔH為安全超高值，主要指根系層厚度或建筑物基礎埋深。

（1）毛細水上升高度的確定。本次共做44組毛細水上升高度試驗，毛管水上升高度平均值1.67m（對浸沒評價取1.50m），浸沒區(qū)后緣的地下水位高程137.87~138.50m，表層為壤土，厚度1.50~7.00m，其下部為細砂和粗砂層，離水庫近，對庫水入滲補給有利，因此毛細水上升高度取1.50m。

(2)安全超高值的確定。安全超高值對于農作物區(qū)為農作物根系層厚度；居民區(qū)取決于基礎荷載和基礎砌置深度。

研究區(qū)內的主要農作物為玉米，11月份現場調查地下水位埋深1.00m仍然豐收。通過對農作物減產評價，玉米根最大深度1.00m，居民區(qū)分布較零散多采用毛石混凝土基礎，基礎砌置深度0.8~2.0m（對所有影響房屋進行了調查），結合本地季節(jié)性標準凍結深度，綜合確定研究區(qū)房屋安全超高值取1.5m。如表2所示。

圖2 夏家園子浸沒工程地質剖面圖

表2 臨界地下水位埋深表

2.2 “起始水力坡度法”對耕地浸沒問題的預測

二元結構的壤土層的滲透系數與細砂、粗砂層的滲透系數相差很大，故上部壤土層可視為相對不透水層，根據水動力學壤土層所含的水是弱結合水，只有在外力克服弱結合水抗剪強度時，水才能夠自由流動，克服弱結合水阻力的能量就是水力梯度I0，根據達西定律，當庫水垂直向上滲透，需克服自重作用，即可計算出在粘性土產生滲透的起始水力坡降為：

起始水力坡降：T=H0/（1+I0）

式中：T—為粘性土層含水層厚度，H0—為承壓水頭，即正常蓄水位與含水層頂板高程之差，I0—起始水力坡度，σ—粘性土層厚度，△H—安全超高值。浸沒判別：σ< T+△H，浸沒。

壤土層水力坡降可以通過野外實驗獲得，具體方法就是：在上覆壤土中打一鉆孔，打到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。

起始水力梯度I0=ΔH/Δm

式中：ΔH—為初見水位與最終水位差，Δm—為第一次測定水位時其孔深至含水層頂板深度，由野外實驗測得壤土層起始水力坡降取0.64，夏家園子浸沒工程地質剖面圖見圖2，評價結果如表3所示。

表3 浸沒問題評價結果表

2.3 浸沒程度分級

依據可能產生浸沒地區(qū)的地形地質特征，根據水庫蓄水后的危害程度，將浸沒區(qū)劃分為輕微、中等和嚴重三個等級。分級原則見表4，由表4可見本區(qū)屬于中等浸沒區(qū)。

h—地下水位雍高值，Hk—毛細水上升高度，Hcr—地下水埋藏臨界值。

表4 浸沒程度分級表

2.4 浸沒范圍的確定

根據起始水力坡度法對研究區(qū)浸沒范圍的預測并結合本次對所有受水庫影響的房屋的實地調查，在地面高程143.50m以下的房屋均受到不同程度影響，綜合分析預測在地面高程143.50m以下的房屋存在浸沒問題，預測在地面高程143.00m以下的耕地存在浸沒問題，如圖3所示。

圖3 浸沒工程地質平面圖

2.5 蓄水后夏家園子村的浸沒情況

2011年水庫蓄水后，2013年我院對夏家園子屯進行了實地復核。夏家園子屯部分房屋存在浸沒問題，和本文預測范圍的基本相符，即在地面高程143.50m以下的夏家園子屯的房屋存在浸沒問題。通過近期的調查和建庫前對比，地下水位建庫前山邊基巖水位141.51m，靠水庫村邊的砂層的地下水位埋深2.4m（高程138.50m），現在的砂層的地下水位埋深0.8m，地下水位升高1.6m，地下水位雍高，水質變壞，導致吃表層砂礫石孔隙水的住戶不能飲用，建議飲用自來水。該村山坡植被最近幾年破壞嚴重，隨之帶來的汛期雨水沖刷淤積問題十分嚴重（現村委會決定明年山坡不許種地，要植樹造林防止水土流失），村里的主要道路今年7月2日下雨，淤積的砂土厚度0.30-0.9m，前年有近山坡腳的房子被山洪沖倒，淤積厚度達0.5-1.6m，如村民宋華軍家房屋四周被最近幾年淤積的砂土掩埋接近后窗臺附近，掩埋的土層厚度0.80m，房后的屋檐僅一人高，見圖4。說明實際的原地層在掩埋的淤積層以下，地基處理不好的房子受到影響。現有的靠山坡附近房屋的地形高低不平，個別的房子如張德江家附近有個小水泡子，水面高程140.70m，有時干枯，房子室內有裂縫，地面高程143.50m，室內和房基都墊起來了，經綜合分析按淤積后的地形高度和房屋實際情況確定，調查結果在現有的地形143.50m以下的房屋受到不同程度的浸沒影響，同時房屋也受山洪和其滯留洪水的浸泡影響。

圖4 夏家園子房屋浸沒圖

3 水庫浸沒的防治

（1）通過深排和淺排（明溝、暗管、豎井抽排、排水減壓井）等措施，控制和降低地下水位，常用于封閉的盆地型地形。

（2）通過防滲帷幕灌漿、防滲墻、鋪蓋等措施，減少地基滲流量和水力坡降，常用于巖基中。

（3）通過挖高填平、挖溝墊平達到平整土地降低地下水位，它既可防澇又可防堿防浸。

（4）改變作物種類和耕種方法、對城鎮(zhèn)和居民區(qū)加固建筑物基礎及優(yōu)化建筑結構。

4 結論

夏家園子屯位于哈達山水庫左岸，屬于典型的二元結構地區(qū)，本文通過室內實驗確定壤土層的毛細水上升高度、預測了臨界地下水位高程；通過野外實驗確定壤土層的起始水利坡降，通過“起始水利坡度法”，預測了浸沒范圍及程度，建議浸沒防治措施。