純化水庫圍壩外側環境地質評價

楊繼東楊亞茹

（1河南省水利勘測有限公司；2河南省特殊巖土環境工程控制技術中心；3河南省山水水利工程有限公司）

0 前言

水庫滲漏、水庫浸沒是水庫蓄水后主要水文地質問題，不僅降低水庫效益，對周邊建筑物安全及生態環境也會造成一定影響形成環境地質問題。純化水庫場區地層滲透系數較大，地下水水位埋深較淺，一般為2.00 m左右，加以當地蒸發量為降水量3倍多，水庫滲漏對引水成本加大、效益降低影響嚴重，同時圍壩外側浸沒問題發生加劇周邊鹽漬化，環境地質問題較為突出。文章在分析純化水庫庫壩區的水文、氣象及地質條件等基礎上，對水庫滲漏量、浸沒范圍進行計算，分析了水庫運行后由于庫水位升高引起的庫水滲漏、圍壩外側浸沒影響，計算結果對水庫防滲設計及對水庫后期的運行、監測等具有一定指導意義。

1 水庫概況

純化水庫距東營市東營區約24 km，位于東營市與博興縣交界處的純化鎮魏家莊，東臨東營～博興公路。該水庫由勝利石油管理局和博興縣政府攜手共建，主要為保障該地區工農業用水。純化水庫工程總占地面積6.59 km2，設計水位16.50 m，死水位8.00 m，設計總庫容3 341.49萬m3，死庫容363.35萬m3，興利庫容2 978.14萬m3，為一綜合性引黃蓄水三等中型平原水庫。該水庫平面上呈近正方形，壩體為碾壓式均質土壩，圍壩總長7 671.71m，四邊壩軸線長：北壩1 849.61m、東壩1 983.40m、南壩1 855.22 m、西壩1 983.48 m。壩頂高程18.00 m，壩高約10 m。純化水庫為水資源短缺區平原圍壩供水工程，水庫庫壩區滲漏及圍壩外側浸沒范圍、程度及影響是水庫效益發揮主要制約因素。

2 場區氣象水文地質概況

2.1 氣象水文

場區位于黃河三角洲沖積、海積平原上，氣候為半干旱季風氣候，夏秋季節炎熱多雨，春冬季節多風少雨，多年平均氣溫12.50℃，多年平均降雨量601.40 mm，多年平均蒸發量2 003.30 mm。

2.2 地層巖性

2.3 地質構造

工程區位于中朝準地臺華北平原斷拗冀東～勃海斷陷東南部邊緣與魯西隆起之交接處，主要構造線方向為北東東向。在場區南約20 km 有一北東東向的濟南～博興斷裂，此斷裂為第三系以來有過活動的斷裂。晚第三紀～第四紀的沉積厚度在1 200 m以上，場區附近目前未發現第四紀活動斷裂，區域穩定性較好。

2.4 水文地質條件

場區地下水類型為第四系松散層孔隙潛水。含水層主要為粉細砂、砂壤土；相對隔水層為中、重粉質壤土層及粉質粘土層。據室內及野外試驗，場區各土層的透水性為第①、③層屬中等透水性，第②、④、⑤、⑥、⑧層屬微～極微透水層。由于含水層與相對隔水層呈互層或透鏡體狀分布，因此局部具微承壓性，地下水主要接受大氣降水、黃河水、引黃渠水入滲補給，以蒸發、人工開采及側向逕流方式排泄。

地下水化學類型為CL-（K+Na）和CL-（K+Na）-Mg 型水，地表水化學類型為CL-（K+Na）-Mg型水。地下水對普通水泥具強腐蝕性；地表水對普通水泥具弱腐蝕性。地下水、地表水對抗硫酸鹽水泥不具腐蝕性。

3 環境地質問題分析

3.1 水庫滲漏問題

3.1.1 水庫滲漏量的估算

計算水庫滲漏量可考慮兩個狀態：一是無防滲措施；二是采取防滲措施。無防滲措施，透水地基上土壩滲流的計算：水庫大壩在無防滲措施時邊界條件為“均質土壩，沒有排水設備；壩體滲透系數小于或等于地基滲透系數的情況”計算時壩體和壩基按都透水考慮。假設壩體和壩基都是均質的，圖1為透水地基土無排水設備均質壩滲流計算圖。

圖1 透水地基土無排水設備均質壩滲流計算圖

3.1.1.1 通過壩體的滲流量q1的計算

3.1.1.2 通過壩基的滲流量q2的計算

式中字母含義同上。

下游逸出點高度，a0近似按下式計算：

式中字母含義同上。

3.1.1.3 總滲流量的計算

式中字母含義同上。

這里計算的為單寬流量，圍壩總流量為單寬滲流量乘以圍壩長度，即

式中：B為圍壩長度（m）。

根據浸潤線勘探斷面，代入數據可近似估算：Q=4 160×10-5cm/s =3 594.20 m3/d =1.31×106m3/a；a0=0.27，即逸出點基本上與地面相平。

經計算，水庫在無防滲措施時滲漏量約為1.31×106m3/a。由估算滲漏量可知，如果不做防滲則一年損失水量約占總庫容量的4%，影響水庫發揮其效益。因此須進行防滲處理。可采用鋪塑防滲方案，以第②層粉質粘土作為相對隔水層，一般垂直鋪塑到該層即可，但在第②層較薄處，可考慮鋪塑深度適當加大到第④層粉質粘土。

3.1.2 對于采取防滲狀態下滲漏

為減緩水庫滲漏量，需對水庫采取一定的工程防滲措施。如果對大壩及壩基進行防滲處理（如采用鋪塑），壩基處理深度到第②層粉質粘土，若防滲效果好，則水庫滲漏只有通過第②層粉質粘土越流到第③層砂壤土中，然后通過砂壤土向下游滲漏。第②層平均厚度約1.50 m，換算成與第①層相同透水性等效厚度約1 000 m，也就相當于無防滲措施條件下，滲徑增加了1 000 m，相當于滲徑增加了20倍，即滲漏量減少了20倍，因此滲漏可以忽略不計。如果防滲施工不當，或防滲體局部失效，則滲漏量難以估算。因此宜加強水庫運營前后地下水位及庫水位的監測。

3.2 水庫浸沒問題

3.2.1 地下水臨界深度確定

由于場區范圍內地下水埋深較淺，一般為2.00 m多一點。根據野外觀測和經驗值，場區地下水臨界深度（hcr）可確定為2.00 m。

3.2.2 無防滲情況下圍壩周圍浸沒范圍的預測

由滲漏計算可知，逸出點在外壩腳下幾乎與地面相平，取斷面1-1和2-2為計算斷面。其中2-2為預測地下水臨界深度的位置，圖2為壩后浸沒預測設計示意圖。

圖2 壩后浸沒預測設計示意圖

圖中壩后實線為壅水抬高后潛水位。假設第①層含水層為均質的，通過1-1 斷面滲流量與通過2-2 斷面滲流量相同，則有下式：

式中字母含義同上。

根據勘探資料：地面高程8.00 m 左右，第①層底板高程約4.50 m。水庫蓄水后，1-1 剖面水位高程約8 m，2-2 剖面水位高程約6 m。則：h1=3.50 m，h2=1.50 m，根據前面計算滲漏量q值代入求得L≈13 m。即在確定地下水臨界深度2.00 m時，水庫浸沒范圍為壩腳外約13 m。

3.2.3 滲控措施下浸沒范圍預測

從場區水文地質條件分析，工程采取滲控措施是必要的，可考慮鋪塑防滲，壩前坡與壩基垂直搭接。第②層粉質粘土為相對隔水層，較為連續，且有一定厚度根，可作為防滲控制下限，局部地段第②層較薄時，可通過豎井觀察現場確定，必要時鋪塑到第④層粉質粘土。由于防滲狀態下庫水位滲漏量較小，工程滲控有效情況下滲漏量有限，圍壩外側地下水補給和抬升不大，浸沒影響范圍較小，可以通過水庫運營期間大壩長觀剖面觀測資料進行判定。

3.3 運行后監測建議

基于以上分析，水庫運行后監測主要應控制圍壩外側接近壩腳三分之一壩高位置設置壩體浸潤線監測設施，在壩腳外側10 m附近參照壩體監測斷面設置地下水監測設施。根據水位監測資料，考慮同期庫水位，定期分析滲漏量及水位動態變化規律，為工程運行優化提供支撐。

4 結語

文章根據勘察成果，結合工程設計，針對純化庫區滲漏、圍壩外側浸沒等環境地質問題，進行了滲漏量與浸沒范圍估算。在無防滲措施下水庫蓄水后，存在壩體與壩基滲漏和壩外庫周浸沒問題，滲漏量較大，浸沒范圍可達圍堤外側13 m，可能導致局部鹽漬化加重。工程采取滲控措施是必要的，可考慮壩前坡采用鋪塑防滲和壩基采用垂直鋪塑相結合方法，滲控深度以第②層粉質粘土為相對隔水層，局部地段第②層較薄時，建議通過豎井觀察確定，根據需要可鋪塑到第④層粉質粘土。運行前后應加強庫水位和地下水位的監測，根據監測成果合理調度，必要時圍壩壩腳外可設置截滲溝減壓、排水，減少浸沒范圍，降低鹽漬化等危害。