水庫浸沒評價影響因素分析

吳 平，彭德慧

(江西省水利規劃設計研究院，江西 南昌 330029)

1 概述

水庫浸沒是水庫蓄水使水庫周邊地區地下水位壅高而引起土壤鹽漬化和沼澤化、建筑物地基沉陷或破壞、地下工程和礦井充水或涌水量增加等災害現象的統稱。

江西省位于長江中下游南岸，地貌多為低山丘陵和河谷平原交錯分布，已建成水庫1.08萬座，水庫類型多分為低水頭徑流式平原型水庫及中高水頭引水式山區型水庫。低水頭徑流式平原型水庫多為抬高水頭利用兩岸堤防擋水成庫，形成正常蓄水位高于兩岸階地的水庫，江西近期已建成的峽江水庫、石虎塘水庫均屬此類。中高水頭引水式山區型水庫為利用大壩上游周邊高地擋水成庫，正常蓄水位一帶多無階地的水庫，江西近期已建或在建的山口巖水庫、倫潭水庫、四方井水庫均屬此類。

針對江西省上述兩種類型的水庫，由于其所處的地形地貌、地層結構、水文地質條件及水庫回水位等不同，水庫浸沒評價影響因素亦有所區別。

2 水庫浸沒評價影響因素

根據某工程蓄水后預測的地下水位埋深值與工程所在地區的浸沒地下水埋深臨界值之間的關系可以判斷該地區是否屬于浸沒區。浸沒地下水埋深臨界值計算公式為：

Hd-Hw=Hyc

(1)

式中，Hcr—浸沒地下水埋深臨界值，m；Hk—地下水位壅高后，其上土壤毛細水上升帶高度，m；ΔH—安全超高值，m；Hyc—蓄水后某點地下水位埋深，m；Hd—某點地面高程，m；Hw—蓄水后某點地下水位高程，m。

當式(1)成立時，該地區應判定為浸沒區。由式(1)可知，蓄水后某點地下水位高程Hw、地下水位壅高后土壤毛細水上升帶高度Hk及安全超高值ΔH均直接或間接對水庫浸沒評價造成影響，均屬水庫浸沒評價影響因素。現分別根據兩種不同類型的水庫，對上述浸沒評價影響因素進行分析。

2.1 水庫蓄水后地下水位高程Hw

水庫蓄水后地下水位高程與水庫蓄水后地下水位壅水計算方法及水庫回水位直接相關。不同類型的水庫，由于其地層結構、水文地質條件的不同，致使地下水位壅水計算方法及水庫回水位取值方法亦截然不同。

2.1.1水庫蓄水后地下水位壅水計算方法

平原型水庫浸沒區地層多為二元結構，即上部為透水性弱～微的粘性土層，下部為透水性為中等～強的砂層或砂卵礫石層，水庫蓄水后地下水位壅水計算方法采用的是結合水動力學方法。平原型水庫地下水壅高計算方法如圖1所示。

圖1 平原型水庫地下水壅高計算圖

首先根據下式計算起始水力坡度：

T=H0/(I0+1)

(2)

式中，T—初見水位距下伏含水層頂板距離，m；H0—水庫蓄水前由含水層頂板起算的下伏含水層測壓水位高度，m；I0—起始水力坡度。

然后根據下式計算水庫蓄水后粘性土層含水帶厚度，得到庫岸地下水壅高后的水位：

(3)

(4)

山區型水庫浸沒區地層多為單一結構，即為具中等～強透水性的粘土質礫、碎石層，水庫蓄水后地下水位壅水計算方法采用的是地下水動力學教材中的解析法。山區型水庫壅水值方法如圖2所示。

圖2 山區型水庫地下水壅高計算圖

庫岸地下水壅高后的水位根據下式計算：

(5)

式中，h2—水庫蓄水前庫岸地下水，m。

2.1.2水庫回水位取值方法

平原型水庫一般位于大江、大河的中下游沖積平原地區，水庫庫岸長，河床坡降較小，但入庫流量大，建庫后一般采用枯水期水輪機機組額定流量對應的水面線來確定水庫回水位。由于水庫回水較長，致使庫尾翹高值較大，一般比正常蓄水位高較多，如石虎塘水庫水庫回水長38.19km左右，庫尾比正常蓄水位高4.01m。

山區型水庫一般位于河流的上游，水庫庫岸短，河床坡降較陡，但入庫流量小，建庫后一般按采用建庫后多年平均流量對應的水面線來確定水庫回水位，由于水庫回水較短，致使庫尾翹高值較小，與正常蓄水位幾乎相當，如四方井水庫回水長8.02km，庫尾比正常蓄水位高出僅0.5m。

2.2 毛細水上升帶高度Hk

毛細水上升高度主要與土體的結構相關，如土體的礦物成分、顆粒大小、顆粒級配、顆粒形狀等。上述因素決定了土體孔隙的大小、連通性及毛細管彎曲度。通過實驗研究可知：一般土的孔隙越小，毛細水上升高度就越大，即細粒土比粗粒土的毛細水上升高度大；而細粒土毛細水上升高度隨土的塑性而變化，粉土的毛細水上升高度隨土體自身的密實程度增大而增大，而粘土的毛細水上升高度隨土體自身的密實程度增大而減小；粗粒土的毛細水上升高度隨土體顆粒的變粗而變小，隨含粉細粒的增加而變大，隨自身的密實程度增加而增加。針對平原型水庫，表層一般為沖積形成的粘性土，一般較松散，其毛細水上升高度較大，如峽江水庫經現場挖坑觀測，第四系全新統沖積粘土、壤土的毛細水上升高度分別達1.5、1.1m；而山區型水庫表層一般為殘坡積形成的碎石土，粉細粒一般較多，密實程度多為稍密，如四方井水庫經現場挖坑觀測，第四系全新統殘積碎石土的毛細水上升高度為0.6m。

2.3 安全超高值ΔH

2.3.1農業區

安全超高值即為當地植被根系層的厚度，根系層厚度越大，其安全超高值越大，在其他條件相同的情況下，可能產生的浸沒范圍就越大。

平原型水庫庫區一般種植水稻、玉米、花生等耐水性植物，其根系層厚度一般較薄，且浸沒范圍廣。如峽江水庫水稻、玉米、花生的安全超高值分別為0.2m。

山區型水庫庫區多種植杉樹、樟樹等，其地形較陡，一般不考慮浸沒問題，局部靠庫尾山間沖溝分布植物為水稻、玉米、花生等耐水性植物，其根系層厚度一般較薄，浸沒范圍小。

2.3.2城鎮和居民區

安全超高值取決于建筑物荷載、基礎形式和砌置深度，其產生的浸沒的原理及地下水埋深臨界值計算如圖3所示。

圖3 建筑物區浸沒地下水埋深臨界值計算示意圖

根據前述臨界地下水位埋深概念，將h定義為“蓄水后地下水位上升對建筑物地基穩定的影響臨界深度”，則臨界地下水位埋深公式中的安全超高△H=h+d，如圖3所示。基礎埋深d根據庫區現場調查統計確定。影響臨界深度h通過采用GB50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中的計算方法，分別試算出地下水位上升到不同高度處的附加應力及其地基的承載力特征值，并繪制出地下水位上升到不同高度處自重應力加土體附加應力圖及土體飽和狀態下地基承載力特征值圖，兩圖交匯點對應的埋深為浸沒地下水埋深臨界值Hcr，再根據2.2中確定的毛細水上升帶高度Hk值，即可得到安全超高值ΔH。對于平原型水庫庫區均多分布有1—3層的房屋，如峽江水庫庫區1—3層的房屋安全超高值為1.0m。而山區型水庫庫區多無房屋分布，故亦不考慮房屋浸沒問題。

3 結語

(1)根據浸沒判定公式分析，確定水庫浸沒評價影響因素為水庫蓄水后地下水位高程、毛細水上升帶高度及安全超高值。浸沒評價影響因素受地形地貌、地層結構、水文地質條件及水庫運營調度等條件影響極大，致使江西省境內分布的平原型水庫及山區型水庫浸沒評價方法截然不同。

(2)平原型水庫浸沒分析中，水庫蓄水后地下水位壅水計算方法多采用結合水動力學方法，一般采用枯水期水輪機機組額定流量對應的水面線來確定水庫回水位，水庫回水位翹高值較大，不能直接采用正常蓄水位；表層多為沖積松散粘性土，毛細水上升高度較大；浸沒區多分布大范圍的居民區及農業區，農業區一般分布耐水性植物，其根系層厚度一般較薄，居民區以1—3層民房居多。水庫浸沒對平原型水庫的建設及運營影響較大。

(3)山區型水庫浸沒分析中，水庫蓄水后地下水位壅水計算方法多采用地下水動力學教材中的解析法，按多年平均流量對應的水面線來確定水庫回水位；水庫回水位翹高值較小，可直接采用正常蓄水位；表層多為殘坡積稍密粗粒土，其毛細水上升高度相對較小，浸沒區分布的居民區及農業區范圍極小。水庫浸沒對山區型水庫的建設及運營影響較小。