水库浸没评价影响因素分析

吴 平，彭德慧

(江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029)

1 概述

水库浸没是水库蓄水使水库周边地区地下水位壅高而引起土壤盐渍化和沼泽化、建筑物地基沉陷或破坏、地下工程和矿井充水或涌水量增加等灾害现象的统称。

江西省位于长江中下游南岸，地貌多为低山丘陵和河谷平原交错分布，已建成水库1.08万座，水库类型多分为低水头径流式平原型水库及中高水头引水式山区型水库。低水头径流式平原型水库多为抬高水头利用两岸堤防挡水成库，形成正常蓄水位高于两岸阶地的水库，江西近期已建成的峡江水库、石虎塘水库均属此类。中高水头引水式山区型水库为利用大坝上游周边高地挡水成库，正常蓄水位一带多无阶地的水库，江西近期已建或在建的山口岩水库、伦潭水库、四方井水库均属此类。

针对江西省上述两种类型的水库，由于其所处的地形地貌、地层结构、水文地质条件及水库回水位等不同，水库浸没评价影响因素亦有所区别。

2 水库浸没评价影响因素

根据某工程蓄水后预测的地下水位埋深值与工程所在地区的浸没地下水埋深临界值之间的关系可以判断该地区是否属于浸没区。浸没地下水埋深临界值计算公式为：

Hd-Hw=Hyc

(1)

式中，Hcr—浸没地下水埋深临界值，m；Hk—地下水位壅高后，其上土壤毛细水上升带高度，m；ΔH—安全超高值，m；Hyc—蓄水后某点地下水位埋深，m；Hd—某点地面高程，m；Hw—蓄水后某点地下水位高程，m。

当式(1)成立时，该地区应判定为浸没区。由式(1)可知，蓄水后某点地下水位高程Hw、地下水位壅高后土壤毛细水上升带高度Hk及安全超高值ΔH均直接或间接对水库浸没评价造成影响，均属水库浸没评价影响因素。现分别根据两种不同类型的水库，对上述浸没评价影响因素进行分析。

2.1 水库蓄水后地下水位高程Hw

水库蓄水后地下水位高程与水库蓄水后地下水位壅水计算方法及水库回水位直接相关。不同类型的水库，由于其地层结构、水文地质条件的不同，致使地下水位壅水计算方法及水库回水位取值方法亦截然不同。

2.1.1水库蓄水后地下水位壅水计算方法

平原型水库浸没区地层多为二元结构，即上部为透水性弱～微的粘性土层，下部为透水性为中等～强的砂层或砂卵砾石层，水库蓄水后地下水位壅水计算方法采用的是结合水动力学方法。平原型水库地下水壅高计算方法如图1所示。

图1 平原型水库地下水壅高计算图

首先根据下式计算起始水力坡度：

T=H0/(I0+1)

(2)

式中，T—初见水位距下伏含水层顶板距离，m；H0—水库蓄水前由含水层顶板起算的下伏含水层测压水位高度，m；I0—起始水力坡度。

然后根据下式计算水库蓄水后粘性土层含水带厚度，得到库岸地下水壅高后的水位：

(3)

(4)

山区型水库浸没区地层多为单一结构，即为具中等～强透水性的粘土质砾、碎石层，水库蓄水后地下水位壅水计算方法采用的是地下水动力学教材中的解析法。山区型水库壅水值方法如图2所示。

图2 山区型水库地下水壅高计算图

库岸地下水壅高后的水位根据下式计算：

(5)

式中，h2—水库蓄水前库岸地下水，m。

2.1.2水库回水位取值方法

平原型水库一般位于大江、大河的中下游冲积平原地区，水库库岸长，河床坡降较小，但入库流量大，建库后一般采用枯水期水轮机机组额定流量对应的水面线来确定水库回水位。由于水库回水较长，致使库尾翘高值较大，一般比正常蓄水位高较多，如石虎塘水库水库回水长38.19km左右，库尾比正常蓄水位高4.01m。

山区型水库一般位于河流的上游，水库库岸短，河床坡降较陡，但入库流量小，建库后一般按采用建库后多年平均流量对应的水面线来确定水库回水位，由于水库回水较短，致使库尾翘高值较小，与正常蓄水位几乎相当，如四方井水库回水长8.02km，库尾比正常蓄水位高出仅0.5m。

2.2 毛细水上升带高度Hk

毛细水上升高度主要与土体的结构相关，如土体的矿物成分、颗粒大小、颗粒级配、颗粒形状等。上述因素决定了土体孔隙的大小、连通性及毛细管弯曲度。通过实验研究可知：一般土的孔隙越小，毛细水上升高度就越大，即细粒土比粗粒土的毛细水上升高度大；而细粒土毛细水上升高度随土的塑性而变化，粉土的毛细水上升高度随土体自身的密实程度增大而增大，而粘土的毛细水上升高度随土体自身的密实程度增大而减小；粗粒土的毛细水上升高度随土体颗粒的变粗而变小，随含粉细粒的增加而变大，随自身的密实程度增加而增加。针对平原型水库，表层一般为冲积形成的粘性土，一般较松散，其毛细水上升高度较大，如峡江水库经现场挖坑观测，第四系全新统冲积粘土、壤土的毛细水上升高度分别达1.5、1.1m；而山区型水库表层一般为残坡积形成的碎石土，粉细粒一般较多，密实程度多为稍密，如四方井水库经现场挖坑观测，第四系全新统残积碎石土的毛细水上升高度为0.6m。

2.3 安全超高值ΔH

2.3.1农业区

安全超高值即为当地植被根系层的厚度，根系层厚度越大，其安全超高值越大，在其他条件相同的情况下，可能产生的浸没范围就越大。

平原型水库库区一般种植水稻、玉米、花生等耐水性植物，其根系层厚度一般较薄，且浸没范围广。如峡江水库水稻、玉米、花生的安全超高值分别为0.2m。

山区型水库库区多种植杉树、樟树等，其地形较陡，一般不考虑浸没问题，局部靠库尾山间冲沟分布植物为水稻、玉米、花生等耐水性植物，其根系层厚度一般较薄，浸没范围小。

2.3.2城镇和居民区

安全超高值取决于建筑物荷载、基础形式和砌置深度，其产生的浸没的原理及地下水埋深临界值计算如图3所示。

图3 建筑物区浸没地下水埋深临界值计算示意图

根据前述临界地下水位埋深概念，将h定义为“蓄水后地下水位上升对建筑物地基稳定的影响临界深度”，则临界地下水位埋深公式中的安全超高△H=h+d，如图3所示。基础埋深d根据库区现场调查统计确定。影响临界深度h通过采用GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》中的计算方法，分别试算出地下水位上升到不同高度处的附加应力及其地基的承载力特征值，并绘制出地下水位上升到不同高度处自重应力加土体附加应力图及土体饱和状态下地基承载力特征值图，两图交汇点对应的埋深为浸没地下水埋深临界值Hcr，再根据2.2中确定的毛细水上升带高度Hk值，即可得到安全超高值ΔH。对于平原型水库库区均多分布有1—3层的房屋，如峡江水库库区1—3层的房屋安全超高值为1.0m。而山区型水库库区多无房屋分布，故亦不考虑房屋浸没问题。

3 结语

(1)根据浸没判定公式分析，确定水库浸没评价影响因素为水库蓄水后地下水位高程、毛细水上升带高度及安全超高值。浸没评价影响因素受地形地貌、地层结构、水文地质条件及水库运营调度等条件影响极大，致使江西省境内分布的平原型水库及山区型水库浸没评价方法截然不同。

(2)平原型水库浸没分析中，水库蓄水后地下水位壅水计算方法多采用结合水动力学方法，一般采用枯水期水轮机机组额定流量对应的水面线来确定水库回水位，水库回水位翘高值较大，不能直接采用正常蓄水位；表层多为冲积松散粘性土，毛细水上升高度较大；浸没区多分布大范围的居民区及农业区，农业区一般分布耐水性植物，其根系层厚度一般较薄，居民区以1—3层民房居多。水库浸没对平原型水库的建设及运营影响较大。

(3)山区型水库浸没分析中，水库蓄水后地下水位壅水计算方法多采用地下水动力学教材中的解析法，按多年平均流量对应的水面线来确定水库回水位；水库回水位翘高值较小，可直接采用正常蓄水位；表层多为残坡积稍密粗粒土，其毛细水上升高度相对较小，浸没区分布的居民区及农业区范围极小。水库浸没对山区型水库的建设及运营影响较小。