哈達山水利樞紐工程左岸防護區(qū)浸沒治理研究

崔永建

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021）

1 工程概況

1.1 地理位置

哈達山水利樞紐工程（一期）位于第二松花江干流的下游，大壩壩址位于吉林省松原市東南向20 km 左右處，下距離第二松花江與嫩江匯合口60 km 左右處，是第二松花江流域最末一級控制性樞紐工程，工程由壩區(qū)樞紐工程、防護區(qū)防護工程和輸水工程組成。

哈達山水利樞紐工程（一期）為低壩方案，為了減少移民占地，水庫庫區(qū)控制在二松河道內，利用現有的二松堤防加高加固措施來滿足水庫運行要求。根據水庫淹沒區(qū)回水水面線，工程完工蓄水到140.50 m 后，庫區(qū)左岸將有約21.5 km 受到影響，對沿岸的防洪排水工程帶來不利影響、并將浸沒堤后的耕地。

本工程項目區(qū)位于前郭縣王府站鎮(zhèn)及哈拉毛都鎮(zhèn)境內，距哈達山水利樞紐電站南約9 km，緊鄰二松堤防西側。

1.2 浸沒處理實施情況及現狀

哈達山浸沒處理自蓄水以來，由于各種原因，浸沒處理方案一直沒有全面實施，截至目前針對浸沒處理已實施的工程主要包括：強排站5 座（分別為哈瑪I 強排站、哈瑪II 強排站、郭家店強排站、下園子強排站和橋南強排站）和浸沒Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)堤后縱向排水溝，以及浸沒Ⅳ區(qū)橋南強排站前池上下游共535 m 長堤后縱向排水溝。

5 座強排站現運行良好，堤后縱向排水溝整體運行較好，但浸沒Ⅰ區(qū)堤防左岸最北端哈瑪爾村地塊排水溝淤積嚴重，已無排滲排澇能力。浸沒Ⅳ區(qū)哈拉毛都敬老院地塊和浸沒Ⅳ區(qū)前哈拉毛都村北側地塊堤后無縱向排水溝，浸沒和內澇問題嚴重。

1.3 工程建設范圍

浸沒區(qū)以哈瑪回水堤、郭家店回水堤和卡拉木回水堤為分界共分四個區(qū)?，F未種及受影響較大地塊可分為四塊：第一塊為浸沒Ⅰ區(qū)堤防左岸最北端（哈瑪爾村）地塊，整片地塊約31.4 hm2；第二塊為浸沒Ⅰ區(qū)哈瑪回水堤北側和浸沒Ⅱ區(qū)地塊，為不連續(xù)零散地塊，約26.4 hm2；第三塊為浸沒Ⅳ區(qū)哈拉毛都敬老院地塊，整片地塊約27.8 hm2；第四塊為浸沒Ⅳ區(qū)前哈拉毛都村北側地塊，約44.4 hm2。

哈達山浸沒處理自蓄水以來，由于各種原因浸沒處理方案一直沒有全面實施，實施難度大情況復雜，選定一浸沒影響地塊作為試驗段先期治理，積累成功工程技術及現場管理經驗后，再對其他地塊綜合治理。本次以第三塊浸沒Ⅳ區(qū)哈拉毛都敬老院地塊為試驗段，先期治理。

2 工程地質

2.1 地形地貌

本區(qū)位于松遼平原之松嫩平原的東南部。在差異性升降運動等新老的構造控制作用下，形成了以臺地為代表的剝蝕堆積地形和以崗地漫灘為代表的堆積地形兩大成因類型。而河流侵蝕與堆積、風蝕與風積等近代地質作用則塑造了目前的地貌形態(tài)，并由此構成了本區(qū)的沖洪積、沖湖積、冰水堆積平原（地面高程200～293 m）、沖積湖積平原（地面高程160～200 m）和河谷平原（地面高程130～160 m）三個明顯階梯。

2.2 地層巖性

庫區(qū)松散層以第四系全新統(tǒng)沖積堆積和風積堆積為主，風積層以中砂和細砂為主，厚度達33 m，主要分布于二松右岸。沖積堆積層以中砂和礫質粗砂為主，厚度達17 m，分布于河谷沖積平原，庫區(qū)表層為黏土和壤土，一般厚度達1～3 m，局部被風成砂丘覆蓋。下部為細砂和中砂，為典型的二元結構。

2.3 水文地質

工程區(qū)內，地下水類型主要分為第四系全新統(tǒng)沖積層中的孔隙潛水及基巖裂隙水。

第四系全新統(tǒng)沖積層中的孔隙潛水：主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積堆積的壤土及中砂層中，與松花江江水有水力聯系，上部黏性土較厚的局部具有承壓性。地下水位埋深0.60～1.90 m，高程139.30～139.70 m。補給源主要為江水、大氣降水。枯水期地下水向江道排泄。

基巖裂隙水：主要賦存于粉砂質泥巖中，裂隙發(fā)育較差，其富水性和透水性普遍較差。

2.4 庫區(qū)左岸防護區(qū)浸沒地質評價

防護區(qū)浸沒Ⅳ區(qū)位于卡拉木回水堤和橋南強排站之間，現調查該區(qū)域內農作物主要為玉米、水稻及大豆。從分布上看，玉米及大豆主要種植在區(qū)內南側地勢較高處，靠近堤防一帶基本種植的是水稻。

在2013 年堤后有大面積的泡澤地，目前泡澤地已多開墾為水田地，還剩下少量的泡澤地。但絕大多數水稻長勢不好，雜草叢生，靠橋南強排站上游和原泡澤地的外圍地勢較高的水稻長勢較好。在浸沒區(qū)外地勢相對低洼處局部玉米長勢不好。

浸沒Ⅳ區(qū)內地勢平坦，地面高程140.10～144.60 m，堤壩后水泡及沼澤地地勢較低，地面高程137.50～139.80 m。多年壤土（6-2）層毛細管水上升高度室內試驗平均值1.50 m，若用該毛細管水上升高度值，再加上植物根系深度（玉米一般0.40～0.50 m，水稻一般0.20 m 左右），計算得出的地下水臨界深度較大，用此地下水臨界深度預測的浸沒范圍偏大，與浸沒情況實際不符。由于水庫運行多年，本次浸沒范圍根據現場實際調查農作物的長勢好壞，并結合地層、地下水位埋深及實際毛細管水上升高度（0.75 m）等情況綜合確定。主要農作物生長地下水位埋深適宜情況見表1，歷年降雨量及各勘察階段浸沒面積統(tǒng)計見表2。

表1 主要農作物生長地下水位埋深適宜情況調查表 單位：m

表2 本區(qū)歷年降雨量及各勘察階段浸沒面積統(tǒng)計表

表2 說明浸沒面積大小受地區(qū)降雨量、地下水位、內澇和日照積溫等因素影響。

除此之外，根據調查結果，該區(qū)內澇嚴重，地表匯水無處可排，建議在堤壩后地勢最低處設置強排站，打通堤后排水溝，排水溝兩側用透水材料反慮砌護，有利于地下水位排泄、降低，將地下水位降低到地面以下1.5 m。并且應將浸沒區(qū)內的旱田改為水田，也可以采取抬田造地處理措施。

3 浸沒防治處理措施

3.1 治理區(qū)條件

經多次現場查勘和地勘成果顯示，本地塊具有如下特點。

（1）本地塊有7.25 hm2棄種水田，高程139.8～139.9 m，現耕種水田高程140.0～140.1 m。

（2）堤防背水側有50～200 m 的高崗臺地，高程141～145 m，現為旱田，長勢良好，無浸沒和內澇問題。

（3）水田和旱地之間為已有水溝和荒草地，寬3～5 m。

（4）根據地勘成果堤防背水側過高崗后，約2.5 m厚壤土層滲透系數為8.46×10-6cm/s；其下砂層厚約13 m，滲透系數為2×10-2～5×10-2cm/s；砂層以下為泥巖不透水層。

3.2 浸沒處理措施

根據上述特點，結合左岸浸沒影響區(qū)的水文地質條件和擬于水田和旱地間新建截滲溝1.5 km，并于敬老院北側新建排水泵站。截滲溝底寬1.0 m，兩側邊坡1∶2，采用25 cm 厚石籠護坡，下設10 cm 厚碎石墊層和無紡布，溝深2.5～3.0 m。截滲溝深2.5～3.0 m，壤土層全部挖除，將排水溝深入到砂層中，因砂層的滲透系數為壤土的2 400～6 000 倍左右，自庫區(qū)滲流水將自砂層全部排至截滲溝內并排出（如圖1 所示），該區(qū)域耕地的浸沒問題可得到解決。同時，因堤防背水側有寬約50～200 m 的高崗臺地，滲流滲徑較長L=100～250 m，上下游水頭差H=2.5 m。本段滲流計算如下：

對于穩(wěn)定滲流，符合達西定律的非均各向異性二維滲流場，水頭勢函數滿足微分方程

式中：φ=φ（x，y）為待求水頭勢函數；x，y 為平面坐標；kx，ky為x，y 軸方向的滲透系數。

水頭φ 還必須滿足一定的邊界條件，經常出現以下幾種邊界條件。

（1）在上游邊界上水頭已知：

φ=φn。

（2）在逸出邊界水頭和位置高程相等：

φ=z 。

（3）在某邊界上滲流量q 已知：

其中l(wèi)x，ly為邊界表面向外法線在x，y 方向的余弦。

將滲流場用有限元離散，假定單元滲流場的水頭函數勢φ 為多項式，由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式，可導得出線性方程組為

式中：[H]為滲透矩陣；{φ}為滲流場水頭；{F}為節(jié)點滲流量。

求解以上方程組可以得到節(jié)點水頭，據此求得單元的水力坡降，流速等物理量。滲流計算與滲透穩(wěn)定分析采用Autobank 程序計算，計算水位采用哈達山庫區(qū)正常高水位。對本工程治理范圍內堤防典型進行滲流計算與滲透穩(wěn)定分析如圖1 所示，經計算滲流流量Q=0.25 m3/s，i=0.03 小于中砂層icr=0.10。

圖1 浸沒區(qū)典型斷面流網圖

3.3 工程布置

本工程由浸沒治理工程和田間治理工程組成，其中浸沒治理工程主要包括1.643 km 縱向排水溝和敬老院強排站，田間治理工程主要包括4 條垂直于縱向排水溝的橫向排水溝。詳細布置如圖2 所示。

圖2 哈達山左岸浸沒處理工程平面布置圖

敬老院強排站排水中心線位于哈達山防護堤樁號8+354 m 背水側地勢低洼處，廠房呈“一”字型布置，進水前池與布置于泵站東側的排水溝相連，下游出水管垂直于堤防布置。敬老院強排站站址高程為145.0 m，設置4 臺潛水軸流泵，單機設計排水流量0.27～0.31 m3/s，揚程5.0～6.8 m，水泵安裝高程137.20 m，總裝機容量120 kW。廠房外輪廓長18.2 m，寬6.4 m，高15.57 m，強排站廠區(qū)平臺長18.2 m，寬15.1 m，與堤頂直接相連。

縱向排水溝位于浸沒Ⅳ區(qū)水田和旱地之間已有水溝和荒草地處，沿防護堤背坡坡腳布置于敬老院強排站南側，用于將本區(qū)域內的積水和庫區(qū)滲流水匯入敬老院強排站前池。以本次治理區(qū)域東側高崗處起始點，敬老院強排站為終點，排水溝總長1 643 m，排水溝排澇流量0.768 m3/s，排滲流量為0.25 m3/s。

根據實際測量勘查，水田棄種的主要原因為排水不暢，形成內澇。在棄種水田范圍，新建田間排水溝4條，為田間排水溝（敬老院）一～四，分別與縱向排水溝樁號為0+722.6 m、0+827.1 m、0+940.9 m、1+051.1 m處垂直相接，總長度為989 m，排漬流量為0.002 m3/s。

3.4 縱向排水溝設計

排水溝為梯形斷面，考慮施工方便，底寬為1 m，兩側邊坡為1∶2。排水溝兼顧排澇和排滲，溝底需挖透壤土覆蓋層方可有效將庫區(qū)滲流水排出，排水溝起始點壤土層厚度約為2.0 m，地面高程為140.5 m，排水溝起始點底高程定為138.5 m。本次治理區(qū)根據調查情況，地下水位降低至地面以下1.5 m，可不影響地面農作物生長，由此確定排滲水位不應大于0.5 m，由明渠均勻流公式反算可得，排水溝底坡比降為1∶2050時，滿足要求，同時考慮排水溝底應挖透壤土覆蓋層，由此排水溝終點高程確定為137.7 m。排水溝排澇流量（P=10%）Q=0.768 m3/s，水深0.78 m，排滲流量為0.25 m3/s 水深0.45 m。

排水溝底層為中砂，坡面易受水流淘刷破壞，應對排水溝面進行石籠護砌，石籠護砌頂高程確定：排水溝為5 級建筑物，根據《灌溉與排水工程設計規(guī)范》4、5級渠道岸頂超高確定按：F=h/4+0.2 計算，設計水深h=0.78 m，可求得石籠護砌的高度為1.18 m?？紤]本工程排水溝右岸為高崗臺地，降雨時水流匯入排水溝流速較大，存在坡水沖刷問題，為使排水溝能夠長久安全運行，本次設計對排水溝坡面整體進行護砌。排水溝采用250 mm 厚鉛絲石籠護坡，石籠下依次為50 mm厚級配碎石墊層和一層無紡布（400 g/m2）反濾層，底寬1 m，采用500 mm 厚鉛絲石籠護底，石籠下為一層無紡布（400 g/m2）反濾層。

4 結束語

浸沒問題是平原水庫庫區(qū)的主要地質災害之一，水庫的建成將會導致增加庫岸地下水的滲透壓力，將地下水水位抬高，進而影響耕地的產量甚至造成絕產。在治理過程中需確定地下水浸沒的臨界深度，根據臨界水深確定截滲溝的坡降、斷面尺寸、運行水位和深度，同時截滲溝設計時必須注意滲透穩(wěn)定問題，進而確定截滲溝與壩（堤）腳的距離。