纯化水库围坝外侧环境地质评价

杨继东杨亚茹

（1河南省水利勘测有限公司；2河南省特殊岩土环境工程控制技术中心；3河南省山水水利工程有限公司）

0 前言

水库渗漏、水库浸没是水库蓄水后主要水文地质问题，不仅降低水库效益，对周边建筑物安全及生态环境也会造成一定影响形成环境地质问题。纯化水库场区地层渗透系数较大，地下水水位埋深较浅，一般为2.00 m左右，加以当地蒸发量为降水量3倍多，水库渗漏对引水成本加大、效益降低影响严重，同时围坝外侧浸没问题发生加剧周边盐渍化，环境地质问题较为突出。文章在分析纯化水库库坝区的水文、气象及地质条件等基础上，对水库渗漏量、浸没范围进行计算，分析了水库运行后由于库水位升高引起的库水渗漏、围坝外侧浸没影响，计算结果对水库防渗设计及对水库后期的运行、监测等具有一定指导意义。

1 水库概况

纯化水库距东营市东营区约24 km，位于东营市与博兴县交界处的纯化镇魏家庄，东临东营～博兴公路。该水库由胜利石油管理局和博兴县政府携手共建，主要为保障该地区工农业用水。纯化水库工程总占地面积6.59 km2，设计水位16.50 m，死水位8.00 m，设计总库容3 341.49万m3，死库容363.35万m3，兴利库容2 978.14万m3，为一综合性引黄蓄水三等中型平原水库。该水库平面上呈近正方形，坝体为碾压式均质土坝，围坝总长7 671.71m，四边坝轴线长：北坝1 849.61m、东坝1 983.40m、南坝1 855.22 m、西坝1 983.48 m。坝顶高程18.00 m，坝高约10 m。纯化水库为水资源短缺区平原围坝供水工程，水库库坝区渗漏及围坝外侧浸没范围、程度及影响是水库效益发挥主要制约因素。

2 场区气象水文地质概况

2.1 气象水文

场区位于黄河三角洲冲积、海积平原上，气候为半干旱季风气候，夏秋季节炎热多雨，春冬季节多风少雨，多年平均气温12.50℃，多年平均降雨量601.40 mm，多年平均蒸发量2 003.30 mm。

2.2 地层岩性

2.3 地质构造

工程区位于中朝准地台华北平原断拗冀东～勃海断陷东南部边缘与鲁西隆起之交接处，主要构造线方向为北东东向。在场区南约20 km 有一北东东向的济南～博兴断裂，此断裂为第三系以来有过活动的断裂。晚第三纪～第四纪的沉积厚度在1 200 m以上，场区附近目前未发现第四纪活动断裂，区域稳定性较好。

2.4 水文地质条件

场区地下水类型为第四系松散层孔隙潜水。含水层主要为粉细砂、砂壤土；相对隔水层为中、重粉质壤土层及粉质粘土层。据室内及野外试验，场区各土层的透水性为第①、③层属中等透水性，第②、④、⑤、⑥、⑧层属微～极微透水层。由于含水层与相对隔水层呈互层或透镜体状分布，因此局部具微承压性，地下水主要接受大气降水、黄河水、引黄渠水入渗补给，以蒸发、人工开采及侧向迳流方式排泄。

地下水化学类型为CL-（K+Na）和CL-（K+Na）-Mg 型水，地表水化学类型为CL-（K+Na）-Mg型水。地下水对普通水泥具强腐蚀性；地表水对普通水泥具弱腐蚀性。地下水、地表水对抗硫酸盐水泥不具腐蚀性。

3 环境地质问题分析

3.1 水库渗漏问题

3.1.1 水库渗漏量的估算

计算水库渗漏量可考虑两个状态：一是无防渗措施；二是采取防渗措施。无防渗措施，透水地基上土坝渗流的计算：水库大坝在无防渗措施时边界条件为“均质土坝，没有排水设备；坝体渗透系数小于或等于地基渗透系数的情况”计算时坝体和坝基按都透水考虑。假设坝体和坝基都是均质的，图1为透水地基土无排水设备均质坝渗流计算图。

图1 透水地基土无排水设备均质坝渗流计算图

3.1.1.1 通过坝体的渗流量q1的计算

3.1.1.2 通过坝基的渗流量q2的计算

式中字母含义同上。

下游逸出点高度，a0近似按下式计算：

式中字母含义同上。

3.1.1.3 总渗流量的计算

式中字母含义同上。

这里计算的为单宽流量，围坝总流量为单宽渗流量乘以围坝长度，即

式中：B为围坝长度（m）。

根据浸润线勘探断面，代入数据可近似估算：Q=4 160×10-5cm/s =3 594.20 m3/d =1.31×106m3/a；a0=0.27，即逸出点基本上与地面相平。

经计算，水库在无防渗措施时渗漏量约为1.31×106m3/a。由估算渗漏量可知，如果不做防渗则一年损失水量约占总库容量的4%，影响水库发挥其效益。因此须进行防渗处理。可采用铺塑防渗方案，以第②层粉质粘土作为相对隔水层，一般垂直铺塑到该层即可，但在第②层较薄处，可考虑铺塑深度适当加大到第④层粉质粘土。

3.1.2 对于采取防渗状态下渗漏

为减缓水库渗漏量，需对水库采取一定的工程防渗措施。如果对大坝及坝基进行防渗处理（如采用铺塑），坝基处理深度到第②层粉质粘土，若防渗效果好，则水库渗漏只有通过第②层粉质粘土越流到第③层砂壤土中，然后通过砂壤土向下游渗漏。第②层平均厚度约1.50 m，换算成与第①层相同透水性等效厚度约1 000 m，也就相当于无防渗措施条件下，渗径增加了1 000 m，相当于渗径增加了20倍，即渗漏量减少了20倍，因此渗漏可以忽略不计。如果防渗施工不当，或防渗体局部失效，则渗漏量难以估算。因此宜加强水库运营前后地下水位及库水位的监测。

3.2 水库浸没问题

3.2.1 地下水临界深度确定

由于场区范围内地下水埋深较浅，一般为2.00 m多一点。根据野外观测和经验值，场区地下水临界深度（hcr）可确定为2.00 m。

3.2.2 无防渗情况下围坝周围浸没范围的预测

由渗漏计算可知，逸出点在外坝脚下几乎与地面相平，取断面1-1和2-2为计算断面。其中2-2为预测地下水临界深度的位置，图2为坝后浸没预测设计示意图。

图2 坝后浸没预测设计示意图

图中坝后实线为壅水抬高后潜水位。假设第①层含水层为均质的，通过1-1 断面渗流量与通过2-2 断面渗流量相同，则有下式：

式中字母含义同上。

根据勘探资料：地面高程8.00 m 左右，第①层底板高程约4.50 m。水库蓄水后，1-1 剖面水位高程约8 m，2-2 剖面水位高程约6 m。则：h1=3.50 m，h2=1.50 m，根据前面计算渗漏量q值代入求得L≈13 m。即在确定地下水临界深度2.00 m时，水库浸没范围为坝脚外约13 m。

3.2.3 渗控措施下浸没范围预测

从场区水文地质条件分析，工程采取渗控措施是必要的，可考虑铺塑防渗，坝前坡与坝基垂直搭接。第②层粉质粘土为相对隔水层，较为连续，且有一定厚度根，可作为防渗控制下限，局部地段第②层较薄时，可通过竖井观察现场确定，必要时铺塑到第④层粉质粘土。由于防渗状态下库水位渗漏量较小，工程渗控有效情况下渗漏量有限，围坝外侧地下水补给和抬升不大，浸没影响范围较小，可以通过水库运营期间大坝长观剖面观测资料进行判定。

3.3 运行后监测建议

基于以上分析，水库运行后监测主要应控制围坝外侧接近坝脚三分之一坝高位置设置坝体浸润线监测设施，在坝脚外侧10 m附近参照坝体监测断面设置地下水监测设施。根据水位监测资料，考虑同期库水位，定期分析渗漏量及水位动态变化规律，为工程运行优化提供支撑。

4 结语

文章根据勘察成果，结合工程设计，针对纯化库区渗漏、围坝外侧浸没等环境地质问题，进行了渗漏量与浸没范围估算。在无防渗措施下水库蓄水后，存在坝体与坝基渗漏和坝外库周浸没问题，渗漏量较大，浸没范围可达围堤外侧13 m，可能导致局部盐渍化加重。工程采取渗控措施是必要的，可考虑坝前坡采用铺塑防渗和坝基采用垂直铺塑相结合方法，渗控深度以第②层粉质粘土为相对隔水层，局部地段第②层较薄时，建议通过竖井观察确定，根据需要可铺塑到第④层粉质粘土。运行前后应加强库水位和地下水位的监测，根据监测成果合理调度，必要时围坝坝脚外可设置截渗沟减压、排水，减少浸没范围，降低盐渍化等危害。