河渠建設(shè)對(duì)鄰近場(chǎng)地地下水位的影響研究

張曉麗 楊陛涵

中核勘察設(shè)計(jì)研究有限公司 河南 鄭州 450052

在《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001（2009年版）中明確了地下水的勘察要求掌握：地下水的類(lèi)型和賦存狀態(tài)、主要含水層的分布規(guī)律、區(qū)域氣候資料、地下水的補(bǔ)給排泄條件、地表水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系及其對(duì)地下水位的影響、勘察時(shí)的地下水位、歷史最高水位、近3～5年最高地下水位、水位變化趨勢(shì)和主要影響因素等[1]。地下水水位的上升與下降會(huì)對(duì)巖土工程造成直接的影響，尤其是在地下工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮地下水對(duì)巖土及地下建筑工程的各種作用。

河渠水位的變化是影響兩岸地下水動(dòng)態(tài)的重要因素。在地表水和兩岸潛水存在水力聯(lián)系的情況下，當(dāng)河水位（或庫(kù)水位）高于兩岸潛水位時(shí)，將補(bǔ)給地下水；當(dāng)河水位低于附近地下水位時(shí)，河渠就成為地下水的排泄通道。一般情況下地下水位上升，會(huì)使得地基承載力下降、砂土地震液化加劇、土壤沼澤化、鹽漬化；也會(huì)使得對(duì)建筑物基礎(chǔ)浮力增大，造成地面隆起、基礎(chǔ)上浮、引起流沙管涌等不良現(xiàn)象的發(fā)生。地下水位下降，易形成地下漏斗，造成地面塌陷等工程問(wèn)題[2-6]。因此，研究河渠附近地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)地下水資源評(píng)價(jià)、土壤鹽堿化、工程抗浮水位等問(wèn)題都有著重要的意義，對(duì)工程建設(shè)的安全和投資也至關(guān)重要。

本文結(jié)合開(kāi)封某項(xiàng)目場(chǎng)地巖土工程勘察，通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目場(chǎng)地東側(cè)運(yùn)糧河引黃調(diào)蓄工程對(duì)地下水水位的影響進(jìn)行概算分析，研究河庫(kù)蓄水對(duì)場(chǎng)地的地下水影響。

1 水文地質(zhì)概念模型

1.1 河渠間地下水的非穩(wěn)定流[2]

在研究時(shí)作如下假設(shè)：

（1）含水層為均質(zhì)各向同性，底部相對(duì)隔水層水平：上部入滲量可忽略不計(jì)，即設(shè)W=0。河渠引滲后的潛水流可視為一維流；

（2）潛水流的初始狀態(tài)為穩(wěn)定流，水位可用式（1）表示，即：

（3）兩側(cè)河渠水位同時(shí)出現(xiàn)水位上升，發(fā)生瞬時(shí)回水，左河水位自h0,0，上升至h0,t，右河自hl,0上升至hl,t，如圖1所示。

圖1 河渠間潛水的非穩(wěn)定流

F—— 河渠水位函數(shù)，當(dāng)x在0～1區(qū)間變化時(shí)，由表可查；

F'——可據(jù)，由求得。

式（2）為河渠水位迅速上升，然后保持不變時(shí)，計(jì)算河渠間任一斷面任一時(shí)刻水位的公式。該公式表明，它為乘上小于1的函數(shù)，故河渠間任一斷面的水位變化幅度總是小于河渠的水位變幅的。

1.2 單側(cè)河渠滲透問(wèn)題分析

（1）l→∞，=0，將兩側(cè)河渠滲透轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹?cè)有河渠滲透的半無(wú)側(cè)限問(wèn)題，如圖2所示。

圖2 河渠水位迅速上升時(shí)河渠附近潛水的非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)

圖3 庫(kù)區(qū)蓄水不同時(shí)間對(duì)附近地下水位的影響

此時(shí)，式（2）簡(jiǎn)化為：

為了求極限值，可將級(jí)數(shù)化為積分，結(jié)果為：

λ——河渠水位對(duì)地下水為的影響系數(shù)。

erfc(λ)——誤差函數(shù)的補(bǔ)函數(shù)（余誤差函數(shù)）

erf(λ)=——誤差函數(shù)

如果含水層的水壓力傳導(dǎo)系數(shù)a已知，欲求在任一距離x，任一時(shí)間t內(nèi)河渠水位突然變化所引起的地下水水位變化?h0,t，可先求出，然后由表查得值F(λ)，代入式（3）即可得到hx,t值。

2 工程案例

2.1 工程概況

運(yùn)糧河位于趙口灌溉區(qū)東側(cè)，京東大道以南，趙口干渠位于運(yùn)糧河?xùn)|側(cè)，二者相距330m。運(yùn)糧河和趙口干渠均為砂土質(zhì)河渠，無(wú)襯砌，河道現(xiàn)狀淤積嚴(yán)重。其中運(yùn)糧河河道排澇能力不足3年一遇標(biāo)準(zhǔn)的30%，每遇到較大降雨，河道排泄不暢，澇災(zāi)頻發(fā)。

根據(jù)相關(guān)資料，運(yùn)糧河引黃調(diào)蓄工程初步擬定為河庫(kù)一體的布置方式，核心區(qū)調(diào)蓄湖南北稍窄，中間較寬。湖體開(kāi)挖邊界西側(cè)距擬建場(chǎng)地東側(cè)的濱河路邊線(xiàn)50m，東側(cè)距改線(xiàn)后的趙口干渠60m。運(yùn)糧河河渠開(kāi)挖高程為71.50m，湖岸堤岸高程為79.88m，湖岸平均開(kāi)挖深度6.0m，平均水深5.0m，正常蓄水位為76.50m，水面面積1850畝。運(yùn)糧河流域50年一遇洪水位為78.68m。

2.2 場(chǎng)地地層巖性

場(chǎng)地地層為第四系全新統(tǒng)沖積而成的粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土，自上而下各土層基本特征見(jiàn)表1。

表1 主要土層基本特征表

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域資料及勘察結(jié)果，場(chǎng)地地下水為第四系潛水。主要含水層為第②-1層粉土及②-1層以下的粉土、粉質(zhì)黏土及砂層。2017年5月實(shí)測(cè)地下水穩(wěn)定水位為4.0～5.5m，穩(wěn)定水位絕對(duì)標(biāo)高為72.48～73.96m，平均地下水水位標(biāo)高73.20m。

本場(chǎng)地地下水主要受季節(jié)性大氣降水補(bǔ)給和鄰近河渠補(bǔ)給，排泄方式主要為蒸發(fā)排泄和人工開(kāi)采排泄，其動(dòng)態(tài)變化主要受季節(jié)性降水的影響，從7月中旬至10月上旬是每年豐水期，每年12月至來(lái)年2月為枯水期。

3 案例驗(yàn)算分析

本場(chǎng)地平均標(biāo)高約為78.0m，第⑤層以上土層視為均質(zhì)透水層，層厚按8.0m考慮，層底標(biāo)高為70.0m，綜合滲透系數(shù)K按0.3m/d考慮；下部視為相對(duì)隔水層。場(chǎng)地現(xiàn)水位標(biāo)高按73.2m考慮。

根據(jù)運(yùn)糧河水利資料，運(yùn)糧河庫(kù)區(qū)正常蓄水位為76.50m，50年一遇洪水位為78.68m。分兩種工況考慮：①按最不利情況考慮，運(yùn)糧河未作防滲處理情況下，正常蓄水至76.50m，不同蓄水時(shí)長(zhǎng)對(duì)周邊地下水水位的影響；②按最不利情況考慮，當(dāng)運(yùn)糧河改造引黃調(diào)蓄工程遇暴雨時(shí)，水位迅速上升至洪水位78.68m，歷時(shí)5d的情況下，對(duì)周邊地下水的影響。

3.1 庫(kù)區(qū)正常蓄水

庫(kù)區(qū)初始水位h0,0=73.2m-70.0m=3.2m；潛水流厚度由潛水流平均厚度hm代替，按4.8m考慮。庫(kù)區(qū)水位上漲幅度h0,t=6.50m，=32.00m2；t分別取5d、30d、60d、100d及1y進(jìn)行驗(yàn)算，μ取0.10[7]。=（0.3×4.8）/0.10=14.4m2/d，根據(jù)式（5）計(jì)算的△hx,t，計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

根據(jù)上述工況計(jì)算結(jié)果可以看出：擬建庫(kù)區(qū)正常蓄水條件下，水庫(kù)水向兩側(cè)補(bǔ)給，庫(kù)區(qū)兩側(cè)水位明顯上升；且開(kāi)始水力梯度較大，水面線(xiàn)擴(kuò)展速度較快，隨時(shí)間延長(zhǎng)，水力梯度逐漸減小，地下水面線(xiàn)的擴(kuò)散速度也變慢；距庫(kù)區(qū)同一距離處地下水水位隨時(shí)間逐漸上升。由此可知，庫(kù)區(qū)水位上升對(duì)地下水的影響具有時(shí)間效應(yīng)，蓄水時(shí)間越長(zhǎng)，影響半徑越大，同一位置地下水位上升幅度越大。

3.2 庫(kù)區(qū)遇50年一遇洪水

庫(kù)區(qū)初始水位h0,0=78.68m-70.0m=8.68m；潛水流厚度由潛水流平均厚度hm代替，按5.0m考慮。庫(kù)區(qū)水位上漲幅度h0,t=8.68m，=65.0m2；t取5d，μ取0.10。（0.3×5.0）/0.10=15.0m2/d，根據(jù)式（5）計(jì)算的△hx,t。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果：庫(kù)區(qū)無(wú)論是正常蓄水5d，還是遇暴雨洪澇時(shí)間5d，庫(kù)區(qū)近距離范圍內(nèi)水力坡降較大，且分別在25m、35m左右地下水位變幅趨近于0m。由此得出結(jié)論：庫(kù)區(qū)水位上升，短時(shí)間內(nèi)對(duì)兩側(cè)地下水的影響范圍很小。而擬建場(chǎng)地東側(cè)濱河路距河庫(kù)50m，由此可以判定，庫(kù)區(qū)短時(shí)間（如3～5d）的洪水匯流，對(duì)擬建場(chǎng)地地下水基本無(wú)影響。

3.3 對(duì)擬建工程項(xiàng)目的影響

河庫(kù)蓄水致使擬建場(chǎng)地地下水位上升，不但引起地基土承載力下降，還加劇砂土地震液化。運(yùn)糧河引黃調(diào)蓄工程屬于長(zhǎng)期水利工程，當(dāng)河庫(kù)正常蓄水1年時(shí)，地下水影響半徑擴(kuò)大至約290m。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及場(chǎng)地周邊水文地質(zhì)條件，正常情況上部潛水的年變化幅度在3.0m左右，本場(chǎng)地近3～5年最高水位標(biāo)高按76.5m考慮時(shí)，對(duì)地面以下20m范圍內(nèi)可能液化的土進(jìn)行液化判別，第④層粉土為輕微液化，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）（2016年版）表4.1.1的劃分標(biāo)準(zhǔn)，擬建場(chǎng)地屬對(duì)建筑抗震不利地段。

因此當(dāng)河庫(kù)正常運(yùn)行后，對(duì)其鄰近場(chǎng)地地下水的影響不容小視，而擬建場(chǎng)地距河庫(kù)僅為50m，故本工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮運(yùn)糧河引黃調(diào)蓄工程對(duì)場(chǎng)地地下水的影響，采取相應(yīng)的抗液化措施，進(jìn)行相應(yīng)的防水防潮、及抗浮設(shè)計(jì)。

4 關(guān)于河庫(kù)防滲問(wèn)題討論

河庫(kù)蓄水運(yùn)行后會(huì)滲漏補(bǔ)給地下水，改變區(qū)域地下水環(huán)境，適度的滲漏是有益的，但從本場(chǎng)地目前地層結(jié)構(gòu)來(lái)看，蓄水后滲漏量較大，對(duì)水庫(kù)運(yùn)行有較大影響。地下水水位上升對(duì)四周建筑物的安全也將產(chǎn)生不利影響，如地基承載力下降，砂土地震液化加劇，發(fā)生流沙管涌等工程質(zhì)量和安全問(wèn)題。因此，應(yīng)對(duì)水庫(kù)采取防滲措施。

渠道防滲工程主要分為土料防滲、水泥土防滲、砌石防滲、混凝土防滲、膜料防滲及瀝青混凝土防滲。針對(duì)本調(diào)蓄工程，推薦采用混凝土攪拌成墻法的垂直混凝土防滲措施。并建議在河庫(kù)外側(cè)增加觀測(cè)井，以監(jiān)測(cè)地下水水位的變化及防滲墻的抗?jié)B作用。

5 結(jié)論與建議

1、河渠正常蓄水運(yùn)行后對(duì)周邊地下水有補(bǔ)給作用，且隨時(shí)間增長(zhǎng)，影響半徑也逐漸變大。

2、庫(kù)區(qū)蓄水開(kāi)始地下水水力梯度較大，水面線(xiàn)擴(kuò)展速度較快，隨時(shí)間延長(zhǎng)，水力梯度逐漸減小，地下水面線(xiàn)的擴(kuò)散速度也變慢。

3、庫(kù)區(qū)蓄水運(yùn)行后對(duì)周邊環(huán)境和建筑均會(huì)產(chǎn)生不利影響，因此應(yīng)做好庫(kù)區(qū)防滲工作，減少滲漏，減輕洪澇災(zāi)害。

4、建議在河庫(kù)外側(cè)增加觀測(cè)井，以監(jiān)測(cè)地下水水位的變化及防滲墻的抗?jié)B作用。