山东黄泛区冲积地层隔水性与水质特征分析

付大庆，曹存先，魏守民

（1.东华理工大学，江西 抚州 344000；2.潍坊市水利建筑设计研究院，山东 潍坊 261031；3.山东设协勘察设计审查咨询中心，山东 济南 250001；4.滨州市簸箕李引黄灌溉管理局，山东 滨州 251700）

近几十年来，山东省黄河冲积平原地区（以下简称黄泛区）兴建了数十座大中小型水库，水库勘察须查明黄泛区地层的结构、物理力学性质和水理性质，重点确定其渗透性。库区是否存在相对隔水层，是影响水库防渗方案设计的重要因素。若库区分布稳定的隔水层，一般采用防渗墙或防渗帷幕等垂直截渗方式；若库区无分布稳定的隔水层，则采用悬挂式垂直截渗或采用水平铺塑方案等。

环境水水质问题决定着水利工程中所采用的材料是否进行防腐处理。根据水质分析成果，多为硫酸根离子含量偏高对混凝土的硫酸盐型腐蚀，以及氯离子含量偏高对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性。对于硫酸盐型腐蚀，一般选择抗硫酸盐型水泥。地层隔水性与水质分析是相互关联的，二者的结论直接影响着工程的设计和投资，是水利工程非常重要的两个工程地质问题。

1 冲积地层的隔水性

黄泛区地层具典型的各向异性，岩性主要包括砂壤土、壤土、黏土、淤泥和粉细砂等，以砂性土居多。壤土一般夹姜石，虫孔发育，贯通性较好；黏土裂隙发育，宽约2～10 mm，充填砂壤土；壤土和黏土的渗透系数一般为1.74×10-4～8.10×10-3cm/s，具中等透水性，不可作为相对隔水层；淤泥的渗透系数为2.89×10-6～6.71×10-5cm/s，具微～弱透水性，从渗透性上分析，淤泥可以做为隔水层。由于淤泥层厚度较小，一般为0.50～2.50 m，在低洼区分布一般不连续，易发生越流补给。因此，很难将淤泥用作整个水库库底的隔水屏障。同时，淤泥具双重工程地质特性：一方面其渗透性弱，可作为隔水层，对工程防渗是有利的；另一方面，它是典型的软土，属特殊性土。其孔隙比(e)为1.566～1.734，液性指数(IL)为1.06～1.07，呈流塑状，压缩系数(a1-2)为0.98～2.33 MPa-1，具高压缩性，标贯击数(N)为1～2 击，力学强度极低，易发生塑流变形和侧向挤出，对工程的稳定性非常不利，通常需进行地基处理。

2 隔水层的表现形式

隔水层在工程中有典型的表现形式，在进行分层抽水试验时，分层水位明显差异；在基坑开挖时，隔水层上部多存在上层滞水，当上部地层为砂壤土时易发生流砂破坏。上部的砂壤土或粉土等含水层易发生流砂、流土破坏，影响基坑的安全。

2.1 分层水位观测

图1 为邹平县某工程抽水试验分层水位观测图。

由钻孔B8-1 主要土层的稳定水位知：①层砂壤土的潜水位埋深为2.05 m，⑤层壤土的水位埋深为1.65 m，高出潜水位0.40 m，壤土中赋存微承压水，起隔水作用的为③层淤泥。因黄河多次决口泛滥，沉积旋回多，形成多层水平纹理，③层淤泥在垂向上渗透性很小，而在水平方向上渗透性较强。⑥层黏土的水头高度低于潜水位0.38 m，该层黏土在垂向上渗透性较弱，为弱透水层，与上下含水层的水力联系不密切，故水头高度较低。

图1 抽水试验钻孔主要土层的地下水位

从地下水位分层观测分析，可知③层淤泥可作为相对隔水层，其下赋存微承压水。（但是）各土层间水位差异较小，说明该区地下水的补排关系比较单一。

2.2 上层滞水及流砂破坏

包气带局部存在隔水层时，隔水层上部会聚集具有自由水面的重力水，即上层滞水。隔水层是形成上层滞水的决定因素，相反，如果存在了上层滞水，那么可反推弱透水地层是否可作为相对隔水层。

基坑开挖时，隔水层及上层滞水是典型的水文工程地质问题。当隔水层位于建基面或者建基面以上时，采用管井降水，尽管井内降深很大，也形成了较大的降落漏斗。但建基面表层仍然有水，给施工过程带来很大的困难，这是由于隔水层的阻隔作用造成的，管井降水对隔水层上部水不起作用。

上层滞水受基坑边坡切割出露时，形成悬挂下降泉。隔水层以上的砂壤土或粉砂便产生流土（流砂）破坏，隔水层之上形成长长的渗水带，然后出现逐渐变大的土洞，最后导致边坡失稳。为消除上层滞水，可采用轻型井点降水，并采取反滤措施，既保护了基坑边坡，又将上层滞水排除。

3 常规地下水水质分析过程

常规地下水水质分析步骤是：钻孔抽水→取水样→化验分析→水质分析报告→腐蚀性评价。

钻孔抽水与取水样在野外勘察区进行，一般为钻孔混合抽水，将抽出来的水装瓶取样，取两瓶，并在其中一瓶水样中放入大理石粉，密封保存。由于是混合抽水，未考虑相对隔水层的影响，所取水样只代表抽水钻孔最大降深范围内的地下水水质。

依据各钻孔的水质分析成果，判定某个区域地下水是否具腐蚀性，从平面上确定出腐蚀性地下水的分布特征。假如某一点地下水判定为具腐蚀性，就认为该处的水质全部具腐蚀性，未从深度方向上区分水质的变化情况。

4 隔水层上下水质情况

济南市小清河某工地建基面处分布厚度为1.20～3.50 m 的淤泥隔水层，由于该处靠近某大型化工厂，施工时对地下水水质情况进行复核。分别取开挖基坑内的水（隔水层以上）和降水井的水（隔水层以下），发现水质情况存在明显的差异，表1 为水质分析SO42-含量的分布情况。

从表1 可知，靠近化工厂处桩号13+105～13+320段相邻取水点距离为5.0～10.0 m，因淤泥层的阻隔，分成上下两层地下水。上层为地表潜水，受化工厂污水渗入性污染，具中等～强腐蚀性；下层由于厚层的淤泥阻隔，为微承压水，不会发生越流污染，因此水质不具腐蚀性。

在邹平县某工程进行分层抽水试验，在同一个钻孔分层取不同深度的地下水样，分析结果见表2。

表1 济南某项目水质分析成果

表2 邹平某项目水质分析成果

表2 可知，在地面埋深10.0 m 以上，SO42-含量为14.2～246.7 mg/L，不具腐蚀性。在地面埋深10.0 m 以下，SO42-含量为367.6～4 814.6 mg/L，具硫酸盐型弱～强腐蚀性。水样中SO42-含量具垂向分带性，说明该处存在相对隔水层。上部无腐蚀、下部具弱～强腐蚀的情况与长期引黄灌溉有关，SO42-离子积聚到下部地层中，隔水层以下水的离子含量过高，便会具腐蚀性。

5 水质分析空间概念

在同一地点(同一钻孔内)、不同深度的地下水存在水质差异，根本原因是存在隔水层。进行水质分析时，不但确定区域平面的水质情况，而且也要在纵向上确定出水质的分带性，即建立水质分析的空间概念。

若将地层按各向同性体考虑，水质按常规一点带面的分析方法，获取的水质分析结果具片面性。未查清水质腐蚀的深度，会造成基础结构存在腐蚀隐患；将上部腐蚀情况应用于整个地层深度，将不需要处理的部位做了防腐处理，则会造成极大的工程浪费。

建立水质分析的空间概念，充分考虑隔水层的影响，揭示水质的纵向分带性，为基础防腐措施提供准确可靠依据。

在黄泛区进行抽水试验时，应用套管止水分层抽水法，分层观测地下水位，确定是否存在相对隔水层。然后分层取水样，根据水质分析成果，在垂向上分析水质的变化，判定是否存在越流污染等工程问题。

6 结 论

1）地层隔水性与水质差异是密不可分的。地层中存在了隔水层，才有可能引起水质的变化，相反，通过水质的差异可反推是否存在有隔水层，孤立地分析其中的某一项，会得出片面的结论。

2）建立水质分析的空间概念，充分考虑隔水层的影响，由水平向分区转向水质的垂向分带性研究，准确、可靠地确定出水质的变化情况。

3）重视分层抽水试验、分层观测水位和分层采取地下水样，分析所取水样代表的地层层位。在水质分析结果及渗透系数计算时应考虑隔水层，不能以完全透水层简单处理，错误地认识和反映工程地质条件。