洱海灌区末端拦截调蓄带浸没问题初步研究

2021-07-15王玉川翟卫红杨立立余建光

资源环境与工程 2021年3期

王玉川，翟卫红，贾鑫，杨立立，余建光

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003)

水库蓄水使水库周边地下水位壅高，引起土壤盐渍化或沼泽化、建筑物地基沉陷或破坏、地下工程充水或涌水量增加、居住环境恶化等现象统称为浸没[1]。浸没问题会影响水库正常蓄水位的选择，甚至影响大坝的选址，因此浸没问题的研究具有重要意义。水库浸没问题多发生在库尾地形平缓地段，对于一般库坝型水库来说，其浸没计算方法和相关研究均较成熟，总体思路是：在调查水库区水文地质条件的基础上，对可能浸没的地区进行稳定态潜水回水预测计算，并根据浸没区土壤毛细水上升高度确定农业区和建筑物区的临界地下水位埋深，进而计算浸没区的范围[2-6]。调蓄带浸没评价方法不同于一般库坝型水库，其相关研究较少。对于调蓄带，尤其是地形平缓、地下水位埋深浅的调蓄带来说，采用常规水库浸没地下水埋深临界值计算判别方法，往往会造成浸没范围和影响程度的判别结果偏大，与实际偏差较多。调蓄带浸没计算方法和评价标准较水库浸没不同，对其开展研究具有一定的工程意义。

洱海灌区分为灌区工程和末端拦截调蓄带工程，前者包括上关、喜洲、下关、凤仪、海东和挖色等6个片区，后者包括海西片A-M段和海东片挖色段、海东段等15段。末端拦截调蓄带工程通过对农田灌溉回归水和初期雨水进行末端拦截，并利用回用泵站将调蓄带内净化后的水用于农田灌溉。调蓄带总长38.71 km，总容积557.89万m3，有效容积472.23万m3。根据现状地形，调蓄带采用半挖半填形式，正常蓄水位水深2 m，两侧填筑宽度为15～20 m的堤防，堤防高度2.5 m。调蓄带临近洱海，地下水位埋深浅，正常蓄水位时调蓄带水补给地下水，造成地下水位壅高，存在浸没问题。本文对该调蓄带进行浸没范围预测和评价，结合工程布置提出相应的防治措施，可为合理开展调蓄带工程建设提供相关参考依据。

1 工程概况

1.1 地形地貌与地层岩性

工程区为断陷盆地堆积地貌，地形总体呈四周高、中间低的特点，最低点为洱海北端河尾村，海拔为1 963.5 m。调蓄带环洱海周边布设(图1)，地形坡度为1°～3°，周围农田密布，局部居民建筑物较为集中。

图1 洱海灌区末端拦截调蓄带分布示意图Fig.1 Distribution of interception and storage zoneat the end of Erhai Irrigation District

调蓄带沿线主要发育第四系全新统冲湖积物(Qhal+l)，岩性以粉质粘土和粉土为主，含淤泥质，一般呈深灰色，单层厚度为15～20 m，总厚度>50 m，地质结构不均匀，层间局部夹厚度0.1～0.3 m的粉砂、砾砂透镜体。根据现场测试及室内试验，地基土主要物理指标见表1。

表1 地基土物理指标统计表Table 1 Physical indexes of foundation soil

1.2 水文地质条件

调蓄带沿线水文地质条件受地形地貌和地层岩性控制。地下水类型主要为松散层孔隙水，以潜水为主，局部有承压水。地基土富水性弱，其中粉质粘土属于弱透水—微透水，粉土属于中等透水—弱透水，粉砂、砾砂等夹层多属于中等透水。地下水埋藏较浅，一般为0.3～1.5 m，主要受大气降水补给，通过孔隙径流向洱海排泄。

调蓄带受限于地形、村庄及苍山十八溪分布的影响，在村镇集中处和穿越十八溪处断开，海西片包括A-M段共13段，海东片分挖色段和海东段。调蓄带设计正常蓄水位多高于现状地下水位(表2)，一般为调蓄带水补给地下水。

表2 调蓄带浸没面积和影响程度统计表Table 2 Statistics of submerged area and influence degree of storage belt

2 浸没范围预测和评价

2.1 浸没初判

工程区是由第四系冲湖积层组成的平缓地带，分布大量的农田及村庄。调蓄带开挖范围地基土主要为粉质粘土及粉土，根据原状土样室内试验结果，其渗透系数一般为1×10-6～1×10-4cm/s，属弱透水—微透水，总体为相对不透水层。但该区地层结构不均匀，层间局部夹粉砂、砾砂等夹层，属中等透水，可能构成调蓄带渗漏的通道。因调蓄带设计正常蓄水位一般高于地下水位，会造成周边地下水位雍高，加上毛细水的上升，可能存在农作物区和建筑物区浸没问题。

工程区地下水矿化度为165～725 mg/L，属于淡水。另外工程区现有排水设施完善，浸没区为不可能次生盐渍化地段。

2.2 浸没复判

浸没地下水临界埋藏深度计算公式为：

Hcr=Hk+ΔH

(1)

式中：Hcr为浸没地下水埋深临界值；Hk为土壤毛细水上升高度；ΔH为安全超高值。

2.2.1地下水临界深度的选取

根据现场调查及室内试验，发现工程区粉质粘土毛细水上升高度一般为0.42～0.90 m，平均为0.66 m；粉土毛细水上升高度一般为0.70～0.99 m，平均为0.81 m。基于安全考虑，取地基土毛细水上升高度为1.0 m。调蓄带周边农作物大多为水稻，其根系深度一般为0.2～0.3 m，取农作物区安全超高值为0.3 m。按公式(1)计算得出拦蓄工程周边农作物区地下水位临界深度为1.3 m。根据地质勘察结果，调蓄带沿线地下水位埋深一般为0.5～1.5 m，而水稻田等地势稍低地段的地下水埋深多<1.0 m，因此地下水临界埋深取值1.3 m对于水稻来说是偏于保守的。地下水位长期过高会影响水稻产量；另根据广东、江苏等省的试验，水稻在分蘖末期晒田期间，地下水埋深以0.3～0.6 m为宜[7]。因此综合考虑，取拦蓄工程周边农作物区地下水位临界深度为0.5 m。

调蓄带周围居民区建筑物多为砖混结构，一般不超过3层，为条形基础，埋深一般为1～2 m，取居民区安全超高值为2.0 m，根据公式(1)算出拦蓄工程周边居民区地下水临界埋深为3.0 m。工程区现状地下水位埋深浅，建筑物地基持力层多已处于饱和状态，因此调蓄带蓄水后，地下水位壅高一般不会造成建筑物基础沉降变形，但会使建筑物地面和墙体经常处于潮湿状态而无法居住。此时地下水临界埋深取3.0 m对于工程周边建筑物区来说是偏于保守的。建筑物区因地下水上升引起地面经常处于潮湿状态，表明地下水位或毛管水带到达地面，导致生态环境恶化，应判定为浸没区，这种情况的浸没地下水埋深临界值应为地下水的毛管水上升高度[7]。因此综合考虑，取拦蓄工程周边建筑物区地下水位临界深度为1.0 m。

2.2.2浸没计算

调蓄带两侧堤防采用沿线挖方土填筑，岩性以粉质粘土和粉土为主，渗透系数一般为1.0×10-6～1.0×10-4cm/s。根据渗流计算(图2)，在正常蓄水位时，调蓄带堤防背水侧堤脚地下水位于地面高程以下0.1～0.2 m处，接近地表。基于安全考虑，调蓄带堤防背水侧堤脚地下水位按地面高程计算。

图2 调蓄带渗流计算水头等值线图Fig.2 Water head contour map of seepage calculationin regulation and storage zone

根据调蓄带两侧水文地质条件的不同，浸没计算方法也不同。调蓄带苍山侧地形较为平坦，地下水位与堤防背水侧堤脚地下水位基本相当，因此堤防背水侧堤脚地下水位与临界埋深之和即为调蓄带外侧可能产生浸没的临界地面高程。调蓄带洱海侧地下水壅高后，地下水位埋深≤1.0 m的范围即为调蓄带内侧的浸没范围。

地下水壅高计算模型见图3，其计算公式[8]为：

图3 浸没计算示意图Fig.3 Schematic diagram of immersion calculation

(2)

式中：h为调蓄带蓄水前计算断面处的含水层厚度；H1为调蓄带正常蓄水位；h1为蓄水前调蓄带位置的含水层厚度；h2为洱海位置的含水层厚度；x为计算断面与调蓄带的距离；L为调蓄带—洱海的距离。

调蓄带正常蓄水后，农作物和建筑物在壅高后的地下水位埋深分别为<0.5 m和1.0 m时，将受浸没影响，末端拦截工程浸没临界地面高程统计见表2。根据1∶2 000地类地形图显示，在调蓄带正常蓄水位时，农田浸没范围总计约431.11 hm2，其中苍山侧浸没面积193.04 hm2，洱海侧浸没面积238.07 hm2；调蓄带两侧附近村庄受浸没影响，除江上村部分居民点外，其余大多集中在调蓄带和洱海之间，主要包括沙村、马久邑、洱滨村以及海东片的康廊村和挖色村等。典型段浸没范围示意图见图4。

图4 海西片E段调蓄带浸没范围示意图Fig.4 Schematic diagram of submergence range ofregulation and storage zone in section E of Haixi

浸没区按照影响程度可分为严重浸没影响区和轻微浸没影响区。根据浸没区的地形地质特征、蓄水后的地下水位及可能的危害程度等，将调蓄带各段的浸没影响程度进行划分(表2)，结果显示海西片D-H段为严重浸没影响区，其余地段为轻微浸染影响区。

2.3 浸没评价

调蓄带两侧地形平缓，地下水埋深浅，处于正常蓄水位时周围农田和建筑物均存在浸没问题。

调蓄带两侧农田均受浸没影响，主要集中在海西片D-H段，占总浸没面积的68%。调蓄带周围农作物大多为水稻，仅下关片南部局部为蔬菜，植物根系深度小。考虑到调蓄带工程任务主要为收集高污染浓度的初期雨水并进行回灌，并非永久保持高水位运行，因此认为调蓄带周围农作物受浸没危害程度较小。

受浸没影响的居民区建筑物地基土持力层多已经处于饱和状态，调蓄带蓄水后地下水位壅高一般不会造成建筑物基础沉降变形，但会使建筑物地面和墙体经常处于潮湿状态而无法居住。

综合分析认为，在现状种植结构下，农作物受浸没影响较小，浸没区建筑物受浸没影响较大，主要包括江上村、沙村、马久邑、洱滨村以及海东的康廊村和挖色村等。

3 浸没防治措施分析

根据工程区地形地质条件，并结合工程布置，提出了防治调蓄带浸没问题的排水、防渗和填高措施[9-11]。建议对浸没影响程度严重区进行填高和排水处理，对浸没影响程度轻微区进行排水、防渗处理。

3.1 排水措施

在堤防外侧设置排水沟，沟底高程应与现状地下水位基本一致。但排水沟深挖后，渗透水流的动水压力增大，地基土可能产生渗透变形破坏，影响堤防安全运行。

据参考文献[7]附录G显示，工程区粉质粘土和粉土渗透变形类型为流土，临界水力比降计算公式为：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(3)

式中：Jcr为土的临界水力比降；Gs为土的比重；n为土的孔隙率(以小数计)。

临界水力比降除以安全系数(一般为1.5～2.0)即为允许水力比降。安全系数取值为2，则地基土允许水力比降为0.39～0.43(表3)。排水沟挖深按2 m考虑，调蓄带正常蓄水位水深为2 m，堤防宽度一般为15～20 m，则调蓄带蓄水后的实际水力比降为0.20～0.26 m，小于地基土的允许水力比降，因此一般不会产生渗透破坏。