济南市华山湖开挖建设渗漏分析研究

2018-11-22宿庆伟姜巧巧耿付强

山东国土资源 2018年12期

宿庆伟，姜巧巧，耿付强

(山东省地矿工程勘察院，山东济南 250014)

0 引言

近年来，随着中国城市化进程的快速发展及社会经济水平的提高，改善城市居住环境正逐步作为未来城市的主要发展方向，城市景观湖的建设已成为提升城市品位，改善生态环境，构建人与自然和谐相处的主要途径之一[1-5]。

济南市华山湖工程位于济南市北部华山片区内，是以华山为中心，在规划区域进行水面再造。2014年济南市政府工作报告中，明确提出创建生态济南，启动华山湖生态修复及功能提升、建设和大明湖、小清河连通工程。工程完成后，水域面积由原来的58hm2增加到224hm2，湖区设计蓄水位标高为21.5m，湖底最低标高16.5m，开挖最深5m左右，设计库容656万m3[注]山东省地矿工程勘察院，济南市华山湖水文地质勘察报告，2017年。。项目完成后可有效恢复湿地功能，改善周边生态系统[6]，推进旅游发展和济南城市建设进程。湖区建成后规模相当于4个“大明湖”，且为标准的“城中湖”[7-9]，湖区周边居民小区遍布，湖区北部为黄河，南部紧挨小清河，因此，关于湖区建设的防渗问题显的尤为重要。

1 地质背景

1.1 气象水文

济南市属暖温带大陆性半湿润季风气候区，四季分明。春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季晴和气爽，冬季寒冷少雪，多年平均降雨量672.0mm，年平均蒸发量2263.0mm，水面蒸发量为1525.6mm。湖区附近发育的河流主要有黄河、小清河。

黄河位于工作区西北，距离约2.6km，为一地上河。据泺口水文站1971—1981年资料，年最高水位在26.54～33.77m之间，最低水位在22.62～27.11m之间。研究表明，黄河水与泉域岩溶水没有直接水力联系，与沿黄第四系关系密切，河水补给沿岸第四系孔隙水。勘察期间，工作区黄河水位标高在23.50m左右。

小清河位于黄河之南，紧临湖区，位于湖区南侧，勘察期间，水位标高在小清河水闸处为一明显分界，水闸以东，小清河水位标高在18.83m左右，水闸以西，小清河水位标高在20.93m左右。

1.2 地形地貌

湖区位于黄河与小清河之间，为典型的河间地块[10]，地貌单元整体属冲积平原区。区域标高在21～28m，地形向南微倾斜。湖区内分布有华山、南北卧牛山及驴山等零星山体。勘察期间湖区内钻孔绝对标高为+21.94m～+26.94m，最大高差为5.0m。

1.3 地层岩性

钻探揭露的地层岩性主要为粉土、粉质粘土，靠近山体附近出露辉长岩。

①层填土：杂色、松散、稍湿，以粉质粘土为主，厚度为0.50～5.10m，平均1.56m；层底标高为18.54～25.86m，平均21.91m；层底埋深为0.50～5.10m，平均1.56m。

②层粉质粘土：上部黄褐—灰褐色，下部灰绿—黄褐色，局部夹粉土及粘土薄层，有机质侵染，见贝壳残片，为历史沼泽地带底部，厚度为0.90～24.00m，平均7.01m；层底标高为-8.43m～21.41m，平均11.69m；层底埋深为1.80～32.60m，平均11.68m。

②-1层粉土：黄褐—灰褐色，稍密，湿—很湿，具锈染，见贝壳残片，夹粉质粘土薄层，摇振反应迅速，干强度及韧性低，无光泽反应。厚度为0.70～8.50m，平均2.88m；层底标高为3.12～22.56m，平均15.72m；层底埋深为2.40～20.00m，平均7.70m。湖区内普遍分布。

③层粉质粘土：棕黄—棕红色，含小径姜石，粒径0.5～2cm，含量约占3%～10%，局部富集。该层湖区内普遍分布可视为相对隔水层，厚度为0.50～26.20m，平均9.88m；层底标高为-26.11m～16.68m，平均-1.60m；层底埋深为9.50～50.20m，平均25.21m。

④层辉长岩：灰绿—深灰色，湖区内仅部分钻孔揭露该层，但均未穿透，根据风化程度，分为3层，其中全风化及强风化辉长岩可视为1个含水层。

2 水文地质条件

2.1 含水层划分及特征

根据地下水的含水介质性质，可将湖区内地下水含水层划分为松散岩类孔隙水含水层和基岩裂隙水含水层两大类[11]。

(1)松散岩类孔隙水

该含水层为湖区开挖涉及含水层，分布范围较大，含水层岩性主要为粉土，天然状态下含水岩组呈多层结构，一般为1～3层，含水层底板埋深2.4～20.0m，厚度0.7～8.5m之间，层底标高为3.12～22.56m，平均15.72m，富水性一般。根据专项水文地质勘察期间抽水试验结果显示，单井涌水量为57.5～240.5m3/d。其下分布一层连续稳定的相对隔水层(图1、图2)。

(2)基岩裂隙水

该层位于粘土隔水层之下，与松散岩类孔隙水水力联系较差。含水层主要为全风化及强风化辉长岩，富水性一般，湖区揭露的深度内，厚度为0.40～10.40m，平均2.06m；层底标高为-27.33m～16.18m，平均-9.12m；层底埋深10.00～51.50m，平均32.85m，单井涌水量241m3/d。

1—松散岩类孔隙水单井涌水量小于500m3/d；2—碳酸盐岩类裂隙岩溶水单井涌水量大于10000m3/d；3—碳酸盐岩类裂隙岩溶水单井涌水量5000～10000m3/d；4—碳酸盐岩类裂隙岩溶水单井涌水量1000～5000m3/d；5—碳酸盐岩类裂隙岩溶水单井涌水量500～1000m3/d；6—基岩裂隙含水岩组单井出水量小于100m3/d；7—湖区范围；8—第四系浅孔；9—基岩水点；10—孔隙水流向；11—岩溶水流向；12—火成岩体隐伏界线图1 区域水文地质图

1—杂填土；2—粉质粘土；3—粉土；4—辉长岩；5—分层代号；6—分层界线；7—钻孔编号/孔深图2 湖区水文地质剖面图

2.2 隔水层

该层为松散岩类孔隙水与基岩裂隙水的中间隔离层。

该层岩性为粉质粘土和粘土，厚度2.2～26.2m，湖区内广泛分布，且连续稳定，靠近山体附近，厚度变小，为了验证该层的隔水效果，勘察期间在湖区内布设了3组水井，湖区外布设1组水井，抽水试验均显示，该层隔水性能良好，例如S3井组对基岩裂隙水抽水时，同步观测松散岩类孔隙水水位，当基岩裂隙水水位下降5.45m时，松散散岩类孔隙水水位仅下降0.05m，说明基岩裂隙水与松散岩类孔隙水基本无水力联系。

2.3 松散岩类孔隙水的补给、径流、排泄

该层主要接受大气降水及黄河侧渗补给，与湖区内分布的地表水体具有互补关系。天然状态下，湖区地下水接受西北部的黄河侧渗补给，地下水由西北向东南径流，因地下水受到华山的阻挡，造成局部地下水位雍高，湖区西北部水位较高，湖区东部因有矿山开采排水活动，地下水位较低。地下水由黄河流向湖区时，一部分由西向东，流向湖区东部，其余部分流向湖区南部，因东部有南北卧牛山及驴山的阻挡，在无人类排水条件下，地下水顺势流向湖区的南部，最终排向小清河(图3)。该层地下水的排泄方式主要为径流排泄，人工排水及蒸发。

1—水位等值线；2—水位标高(m)；3—地下水流向；4—统测水位标高(m)；5—水力坡度图3 勘察期间湖区地下水流场

2.4 基岩裂隙水的补给、径流、排泄

基岩裂隙水主要接受大气降水补给。由大气降水渗入形成的地下水顺地形坡向向低洼处运动，遇沟谷切割后大部分往往以下降泉排泄转化成地表水，其余部分沿风化裂隙流向埋藏较深的风化带中。其地下水的运动呈现出就地补给，补给途径较长，缓慢径流，短距离排泄等特点。

2.5 湖区含水层水力联系研究

为查明黄河侧渗及湖区渗漏情况，查明各岩土层的渗透系数及富水性，根据《水利水电工程水文地质勘察规范》要求，勘察期间有针对性地布设了4组抽水试验(湖区内3组，编号分别为S1、S3、S4，湖区外布设1组，编号为S2)对湖区含水层富水性及水力联系进行研究(图4、图5)。

1—湖区范围；2—水井位置及编号；3—勘探孔位置及编号；4—勘探线位置及编号图4 实际材料图

图5 各井组平面布置图

(1)S1井组：位于华山西北约450m，共实施2组水井，分别为S1W1和S1W2，对②层含水层及③层相对隔水层进行抽水试验，为验证③层的隔水性能，在S1W1抽水第二降深时，专门同时监测S1W2水井的水位。试验开始时，S1W1水位埋深为2.64m，S1W2初始水位埋深为1.10m.试验进行至第300min时，S1W1水位下降至18.31m，水位下降15.67m，此时，S1W2水位埋深为1.08m，反而上升0.02m，说明S1W1抽水对S1W2无影响，当实验进行至450min，S1W1水位趋于稳定，此时，S1W1水位为18.89m，下降16.25m，S1W2水位1.10m，与实验开始时水位一致，没有变化，说明③层粘土可视为相对隔水层，与②层含水层基本无水力联系。

(2)S2井组：位于华山北偏西约1500m，共实施2组水井，分别为S2W1和S2W2，对②层含水层及③层相对隔水层进行抽水试验，通过抽水试验求得，②层渗透系数平均为9.14m/d，③层渗透系数为1.03m/d。

(3)S3井组：位于华山东南约300m，共实施3组水井，分别为S3W1，S3W2和S3W3，对②层含水层、③层相对隔水层及④层基岩裂隙水进行抽水试验，通过抽水试验求得，②层渗透系数平均为5.23m/d，③层渗透系数为2.33m/d，④层渗透系数为2.91m/d。

其中，为查明④层基岩裂隙水与②层潜水之间的水力联系，在S3W3进行抽水试验时，同步观测S3W2水井水位，试验开始时S3W3水位埋深为2.54m，S3W2水位埋深为1.96m，当抽水进行至第11 h时，S3W3水位埋深为8.36m，下降5.82m，S3W2水位埋深为2.01m，降低0.05m，说明S3W3抽水对S3W2基本无影响，④层基岩裂隙水与②层潜水基本无水力联系，同时也证明③层隔水效果较好，可视为相对隔水层。

(4)S4井组：位于华山西南约800m，共实施2组水井，分别为S4W1和S4W2，对②层含水层及③层相对隔水层进行抽水试验，通过抽水试验求得，②层渗透系数平均为0.86m/d，③层渗透系数为0.41m/d。其中，为进一步验证③层的隔水效果，在S4W1进行抽水时，同步观测S4W2水位变化情况，结果均证明③层与②层基本无水力联系。

通过湖区3组抽水试验及湖外1组抽水试验，基本查明了工作区含水层及隔水层的分布情况，查明了湖区各岩土层的水文地质参数以及相互之间的水力联系，通过各井组抽水试验结果发现，湖区②层潜水含水层岩性主要为粉土，富水性一般，单井涌水量为57.5～240.5m3/d，渗透系数为0.86～6.13m/d。③层粉质粘土层虽然具有一定的富水性(单井涌水量为12.5～121.5m3/d)，但分层抽水试验结果显示仍有效阻隔了②层潜水与其他含水层的水力联系，可以视为相对隔水层。各井组抽水试验结果见表1。

表1 工作区各井组抽水试验结果统计

3 湖区数值模拟分析

3.1 水文地质条件概化

水文地质概念模型是把所研究的含水系统实际的边界性质、内部结构、水动力和水化学特征、对应参数空间分布以及补给排泄条件等进行概化，使得概化模型能反映水文地质条件的同时，又便于进行数值模拟的计算[12-16]。

(1)含水层概化

在模拟区内，由于地下水的赋存形式及含水介质的不同，含水层的水力特性在空间上表现不同。从水文地质的角度分析，模拟范围内主要为第四系松散岩类孔隙水含水层。

模型概化为一层：潜水含水层厚度约25m，标高分布在-8m～30m，主要为第四系粉质粘土夹2～3层粉土，粉土层厚度在0.7～5m不等，总体向南逐渐变薄，覆盖整个模拟区。

(2)边界条件概化

北部边界以黄河为界，概化为一类边界(定水头边界)；东部边界傅家庄—北辛店—小清河大桥，结合野外实测水位概化为通用水头边界；南部边界以小清河为界，概化为一类边界；西部边界沿李家庄东—新城小区一线，概化为通用水头边界。

内部边界：模拟范围内有两条规模较小的沟渠经过，对模拟区范围内地下水起到重要的排泄作用，最终汇入小清河。一条发源于济南北立交东部1km左右，围绕华阳宫一带分布，另一条发源于蒋家庄一带，经堰头村在孟家庄附近汇入小清河，模型中将两条河流概化为排水边界。

综上所述，对研究区水文地质条件概化后，模型可归结为：非均质各向异性的二维非稳定流数学模型。

3.2 数学模型

选用GMS软件进行模拟。根据水文地质条件，模拟区可概化成非均质水平各向异性的非稳定地下水流系统，公式如下：

式中：Ω—渗流区域；h—含水层水位标高(L)；h0—含水层初始水位(L)；Kx,Ky—分别为x,y方向的渗透系数(LT-1)；Sy—重力给水度；Γ1—渗流区域的二类边界，包括含水层隔水底边界和渗流区域的侧向流量边界。Γ2—混合边界，即地表河流边界；kn—边界面法向方向的渗透系数(LT-1)；q(x，y，t)—定义为二类边界的单位面积流量(L2T-1)。

3.3 参数设定

地下水模型模拟的水文地质参数主要为渗透系数(K)、重力给水度(Sy)，水文地质参数的初值主要依据勘察抽水试验钻孔资料和经验参数(水文地质手册)取值范围，结合长观孔(位于黄台村附近)资料和富水性分区进行模拟调试，在模型计算模拟过程中再对各项参数分区范围及其参数值进行调整，最终得出参数优化结果，获得校准后的水文地质参数(表2)。

表2 第四系水文地质参数取值

综合拟合曲线效果可知，所建立的模型满足精度要求，符合研究区水文地质条件，反映了地下水系统的水力特征，可利用模型，结合实际工程的建设进行地下水位预测。

3.4 识别验证

该次模拟对研究区地下水系统进行了识别和验证。通过反复调整参数和均衡量，识别水文地质条件，从而确定模型结构、参数和均衡要素。结合长观孔水位检测资料，2005年1月1日—2009年12月31日作为识别期(图6)。2010年1月1日—2014年12月31日作为验证期(图7)。

1—实际观测水位(m)；2—模拟水位(m)图6 识别期长观水位拟合情况

1—实际观测水位(m)；2—模拟水位(m)图7 验证期长观孔水位拟合情况

通常水位变化值较小时(<5m)，水位拟合误差控制在0.5m，参数的调整主要结合长观孔水位拟合及勘查阶段的抽水试验成果进行。

3.5 模拟结果

(1)湖区渗漏情况

不同水文年份维持湖区蓄水位21.5m时，湖区的渗漏对周围地下水的补给量分别为109m3/d(丰水年)，148m3/d(平水年)，231m3/d(枯水年)，371m3/d(特枯水年)。

(2)湖区蓄水对周边环境的影响

综合分析湖区蓄水21.5m时对周围地下水位的影响，不同水文年对周围地下水流场影响均小于1.5m(特枯水年影响最大值为1.5m)，其中平水年份(常规年份)对湖区周围地下水流场的影响最小，影响值小于0.5m(图8)。

1—模拟区范围；2—湖区范围；3—水位影响等值线图8 湖区蓄水位21.5m时对周围地下水影响等值线图(平水年)

(3)周边地下水对湖区的补给情况

在维持湖区水位21.5m时，湖区主要接收周围地下水的补给，不同水文年份补给量分别为327m3/d(丰水年份)，217m3/d(平水年份)，100m3/d(枯水年份)，28.1m3/d(特枯水年份)。

4 黄河侧渗分析

(1)黄河侧渗量计算

黄河与湖区之间含水层岩性主要为粉砂、粉土及粉质粘土等，含水层厚度为26.2～32.9m，平均29.5m，据S2W2抽水试验，求出地层渗透系数为9.14m/d；由2017年1月22日等水位线图，求得地下水水力坡度分别为0.0004和0.001,根据达西公式[17]，用断面法求得黄河单宽补给量。

g=KMJ

式中：g—单宽补给量(m2/d)；K—渗透系数(m/d)；M—含水层厚度(m)；J—水力坡度

将以上数据带入公式，求得单宽补给量分别为0.11m2/d·m，0.27m2/d·m。湖区内河水补给带长度分别为1434m和2187m，湖区黄河水天然补给量由下式求得：

Q补=g·L

式中：Q补—天然补给量(m3/d)；g—单宽补给量(m2/d)；L—补给带长度(m)

天然状态下黄河补给量：Q补=0.11m2/d·m×1434m+0.27m2/d·m×2187m=748.23m3/d。

(2)湖区向小清河排泄量计算

湖区南部含水层岩性主要为粉土及粉质粘土，含水层厚度取值13.4m，根据抽水试验求该层渗透系数为5.23m/d，据2017年1月22日等水位线图，求得水力坡度为0.0004，补给带长度为1856m，根据公式①求得单宽补给量g=0.028m2/d·m，根据公式②求得Q=52.03m3/d，因此，天然状态下，湖区向小清河排泄量为52.03m3/d。

5 湖区防渗综合分析

(1)湖底防渗

结合以上分析，整个湖区底部分布一层连续稳定的③层粉质粘土，根据土工试验，该层水平渗透系数为(0.01～7.25)×10-6cm/s，平均1.40×10-6cm/s，垂直渗透系数为(0.06～3.54)×10-6cm/s，平均值0.41×10-6cm/s，可视为相对隔水层[3]，为验证其隔水效果，专项勘察期间专门布置了4组抽水试验，结果均验证该层为隔水层，有效阻断了②层潜水的下渗，且各含水层及相对隔水层水位标高线均高于湖底设计标高线，因此，湖区底部不需防渗措施。

(2)湖区周边防渗

根据地下水流场及黄河侧渗量计算及数值模拟结果，工作区地下水流向为由黄河流向湖区，最终排向小清河，湖区常年接受黄河侧渗补给，然后排向小清河，维持目前的地下水动态平衡，勘察期间，黄河水位标高23.5m，湖区水位21.04～22.20m，与湖区设计蓄水位标高21.50m相差很小。黄河补给湖区的水量(748.23m3/d)要大于湖区排向小清河的水量(52.03m3/d)，因此，湖区四周不需要做防渗措施，但要严格控制周边活动对湖区地下水的影响。