减轻潮州城区浸没影响的工程措施及效果分析

2009-01-29符能江孙子钧

长江科学院院报 2009年10期

曹洪，李俊，符能江，孙子钧

1 工程概况

潮州供水枢纽工程位于韩江下游潮州市区南郊两溪口附近（图1），枢纽功能以供水为主，结合发电，兼顾航运和改善水环境。正常蓄水位10．5 m（珠基，以下同），最低运行水位8．5 m。水库蓄水后，由于库水位持续高于两岸地面高程，可能对两岸城区、农田造成浸没影响。当韩江汛期流量超过一定值时，枢纽水闸全开。按50年一遇洪水位，坝上游为12．93 m，下游为12．7 m，因洪水历时短，不需考虑浸没问题。

浸没问题已有很多研究成果［1－3］，但潮州城区有其特殊性。本文重点讨论位于水库西岸的潮州城区在枢纽正常运行情况下的浸没问题。

该区域可分为两个地貌单元：竹竿山以北为低山丘陵区，以南为韩江三角洲冲积平原。水库两岸由人工填筑的防护堤组成，东岸有意东堤、东厢堤；西岸有北堤、城堤、南堤。潮州城区堤后地面平坦开阔，地势总体上自北东向南西侧微斜。岸边高程约12 m，城区地面高程大多7～8 m，西南方向有榕江的支流枫溪，地面逐渐降低到4 m。该区域第四系地层很厚，约45～90 m，地层结构多为“黏－砂－黏－砂”双透水层结构。①表层杂填土下为灰黄色粉质黏土，厚一般为3～4 m，基本呈连续分布；②浅层砂层为中砂，局部粉细砂层，厚约3～7 m，基本呈连续分布；③中间黏性土为三角洲相灰黑色淤质土及淤泥层，厚约7～10 m；④下层为深厚的砂卵砾石层和含卵砾砂层，一般厚约40～50 m，靠近坝址较厚，达60 m以上。城堤大部分堤段和南堤首段在堤后约200～800 m范围内，缺少中间两层，地表杂填土下直接是河流相冲积粗砂、砾砂层，厚约34～59 m，地质勘探推测该堤段为古决口段。图2为城堤－南堤的地质剖面。城区北面的北堤段表层的人工填土和黄色粉质黏土、黏土较厚，砂层位于地面10～20 m以下。建库之前，北堤和城堤按防汛标准沿堤做了悬挂式高喷防渗墙。

图1 潮州供水枢纽平面图Fig．1 Plan of Chaozhou Water Supply Project

图2 城堤－南堤地质剖面Fig．2 Typical geological section of South Levee in city levee

浸没影响在城区各个区域会有差别。①北堤段将以单纯承压水的形式出现；②城堤大部和南堤首段由于古决口段的存在，悬挂式防渗不可能将砂层围封，地下水位势必会升高至接近地表甚至在地表低洼处溢出；③南堤段地层基本为双透水层结构，若沿堤作防渗处理将上部透水砂层截渗，理应会有较好效果，但水会从上游古决口段绕渗过来，导致局部地下水位上升，产生浸没影响。

2 浸没问题的研究、工程处理措施及实施情况

建库前针对浸没问题进行较大范围的钻探、抽水试验、地下水渗流方向流速测试、民用水井调查等工作。通过有限元计算，对各个区域地下水渗流特性有了清晰的认识。在此基础上提出控制或减低浸没影响的处理方案。

2．1 蓄水后渗流场的特性分析

通过分析地质、地形资料，采用有限元方法分析计算渗流情况。图3为按库区水位10．5 m，不作工程处理，采用有限元方法计算得到的渗流等水头线［4］。计算区域包括西岸的北堤、城堤、南堤和东岸的东厢堤。由图可见，若不作工程处理，老城区大片区域水头高于9 m，而城区地面高程除沿江一带外，一般在7～8 m，显然会有严重的浸没影响。

图3 未作工程处理的渗流等水头线Fig．3 Isograms of water head in seepage without engineering treatment

从该地区的地质、地形条件以及渗流场趋势可以看出：整个库区地形是韩江边高，向两边倾斜，西岸向西南倾斜，且有榕江的支流枫溪，是很好的渗流通道，这与常见的库区浸没条件不一样。工程处理措施应充分考虑这一特点。东岸也有相似特点。

2．2 工程处理措施及效果预测

通过论证［4］并考虑工程措施的可操作性，提出了以截堵和疏排相结合的处理措施：

（1）沿南堤施工多头小直径搅拌桩和部分高喷防渗墙，目标是截住上层透水层的渗流。

（2）在城堤和南堤北段（范围1．4 km）原有的悬挂式高喷墙后布置68个减压井，井底高程为－16 m，井径300 mm，井口高程北面46个为8 m，南面12个为7 m，中间10个渐变过渡。目的是在库水位较高时，减低老城区的地下水位。

有限元计算预测库水位达到10．5 m时的渗流场情况见图4（仅显示库区西岸）。由于有了减压井和防渗墙，城堤段堤后600 m范围大部分地区水头在8．0～8．5 m，低于地表约0．7 m，基本满足工程要求。南堤段自北向南由8 m降到6．5 m。减压井出水量见图5。库水位10．5 m时单井出水量最大为22．7 L／s，总出水量 830 L／s。

图4 城区设计预测等水头线Fig．4 Designed isograms of water head in city zone

2．3 工程实施情况

水库2005年8月开始蓄水，减压井开始工作则是在2006年下半年，水库蓄水到一定水位（最高达到9 m）之后。减压井的出水原拟排入市政管网，后因旧管网老化需改造，改为在城堤与南堤结合部古树庙设泵站将出水抽回库区。

减压井施工期间同步进行了抽水试验。试验以达到抽水量为控制标准，没有加测井外测点。由于没有排除井中水头损失，其测值仅作为参考。将试验中各井的单位降深流量（出水量／降深）整理列于图6。图中可见各井的出水能力是有较大差异的，68个井的平均值为5．75（L／s）／m。

防渗墙施工在水库蓄水以后完成。因此，我们可以通过设置工程措施前后的测试数据对比来判别工程效果。

图5 设计预测减压井出水量Fig．5 Predicted water yield of relief wells

图6 减压井检测结果Fig．6 Measured results of relief wells

2．4 监测系统的建立

在各个可能受浸没影响的区域布置了55支测压管，对地下水进行长期监测。图7显示了水库西岸的部分测点布置。监测从2005年8月30日开始，经历了主要蓄水过程，包括减压井施工前、后及防渗墙施工前、后的变化过程。

3 对工程处理措施的效果初步评价

随着水库水位增高，积累了大量测压管监测数据，也显露出一些浸没现象：如右坝头附近（图1中标注①）的农田渗水；厦寺村（图1中标注②）内地表溢水；北堤JK01测压管及老城区有几只测压管承压等。以下根据测压管数据，结合有限元分析，对各区域的浸没影响作初步评价。

3．1 减压井出水量统计

减压井的出水由泵站的开机时间可以粗略估计。泵站的单机抽水能力为0．43 m3／s，5台机轮换工作。设计时预测在库水位9．5 m时减压井总出水量为0．49 m3／s。图8为依据值班记录统计出的日抽水量（铭牌数），时段为2008年4月1日至4月25日、2008年5月24日至7月31日。在此期间坝前水位基本稳定在9．5 m。图中的4条粗水平线为按月统计的日均抽水量，平均值为52 068 m3／d，换算为0．6 m3／s。考虑到泵的实际担水能力与铭牌的误差，实际数据应略小，与预测的0．49 m3／s应该是很接近的。当然，这种统计方法是很粗略的，从图中可见个别数据分散度很大，因此结论也只能是定性的，但仍基本达到原设计所需出水量。

图7 城区测压管在坝前水位10．1 m时的测值Fig．7 Measured values of piezometric tubes at upstream water level of 10．1 m

图8 由泵站记录近似估算日抽水量Fig．8 Approximately daily pumpage according to the pumping station record

3．2 测压管监测资料分析

将图7测值与图4的预测值比较，除了北堤附近和南堤靠近枢纽坝头处较预测值高外，其余均与预测值相差在0．5 m以内。

由图可见有8个测压管的水头值高于或接近于管口。其中JK01位于北堤，JK22和JK28位于南堤，其余5个位于老城区。老城区这几个测点，从测值看，与原预测水位差别并不太大，主要是因测孔所在位置地面较低。从埋设资料看，这些测孔地表覆盖层都较厚，属于微承压状态，测点附近地表暂时未见有渗水等浸没现象。

图9为位于减压井保护范围的一组典型测压管过程线（缺2007年1月～6月资料）。由图可见，当库水位低于8 m（低于减压井口高程）时，各测点水头随库水位变化，相关性很好。库水位高于8 m，各测点水头与库水位拉开了距离，且库水位较大的变化只引起测压管较小的跟随变化。如库水位由9．5上升到10m，各测点变化仅为0．1～0．2m。这显然是减压井在起作用。

图9 JK22、JK23、JK18水位过程曲线Fig．9 Hydrographs at measuring point JK22，JK23 and JK18

右岸坝头附近（图1中标注①，图7中测压管JK38）是一片地势较低的农田，在蓄水初期未修建防渗墙时有较大渗水，防渗墙修建后渗水明显减少，JK38测值为6．21 m，与预测计算的6～6．5 m（见图4）吻合。这也说明了防渗墙的作用效果。

厦寺村（图1中标注②）紧靠南堤，预测计算当库水位10．5 m时，该区域水头应为7．5～8 m（图4），实际测压管JK28在库水位9 m时已超过管口7．52 m，出现溢水，其后测压管损坏，未能测到较高库水位时的数据。与邻近稍偏上游的JK25测值8．13 m比较，应该在8 m左右，与预测还是相合的。但由于厦寺村地势较周边低，加上地表弱透水覆盖层薄，出现了地面渗水。现已采取疏通排水方法进行了处理。

北堤后的测压管JK01有较大承压，与库水位接近。该测压管的滤管位于较深的砂层中，是原有悬挂式高喷墙处理到的层面。目前未发现地表有浸没迹象。