豫东平原调蓄水库地质问题导析

周子东，张利滨,韩志浩

(1.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008；2.河南省特殊岩土环境控制工程技术研究中心，河南 郑州 450008)

建设大型引调水工程能缓解缺水地区对水资源的需求。近年来为解决人多水少的问题，河南省豫东地区兴建了引江济淮工程(河南段)、河南省引江济淮供水配套工程(郸城、淮阳、太康、夏邑、永城等)、南水北调受水区周口供水配套工程(淮阳、项城、沈丘)等国家、省重点引调水项目，均布置有调蓄水库。本文以豫东地区调蓄水库地质特性为例，论述其存在的水文地质、工程地质及环境地质问题，并提出相应地质建议及处理措施，为类似工程设计、建设提供参考。

1 地质条件

1.1 地形地貌

河南省东部属黄淮冲积平原，地势平坦、开阔，地势总体由西北高向东南缓倾，平均坡降一般0.2‰～0.4‰。场区较多河流，走向一般由西北至东南，主要有：涡河、贾鲁河、惠济河、清水河、鹿辛运河、大沙河等。场区多为耕地、林地，分布较多民井。

1.2 地层岩性

工程区在大地构造单元上为淮河台向斜，长期下沉，该区发育有巨厚的第三系、第四系地层，厚度一般500～1000m，每个统、组一般下部的颗粒较粗，由下向上逐渐变细，从而组成不完整的沉积旋回，本区地壳沉降频繁，但沉降幅度各异。其中第四系地层钻孔揭露厚度多在150～300m之间，分布广泛，以冲积和洪积为主，多具二元结构，具有明显的沉积韵律。同一地层顺水流方向黏粒逐渐增加；同一时期上部颗粒相对较细，下部颗粒相对较粗。

尤其第四系全新统上段冲积层，多为新近黄河、淮河支流冲积而成，属黄泛区，具有明显的层状结构、岩相变化快、岩层多而薄、层厚差异大等特点。

场区揭露第四系全新统及上更新统冲积层岩性主要为轻粉质壤土、重粉质壤土、粉质黏土、砂壤土、粉细砂等。工程区典型地质剖面如图1所示。

1.3 水文地质条件

影响工程建设的含水层主要为浅层地下水，地下水主要类型为第四系松散层孔隙水，下部砂层中地下水具微承压性。砂壤土、砂层为主要含水层，含水层分布厚度不均。地下水自西北向东南流动，流向总体与地形倾向一致，水力坡降一般为1/5000～1/2500。地下水位埋深一般为3.0～6.0m，局部6.0～10.0m。地下水具动态变化特征，年变幅一般1～3m。

砂性土层一般属中等透水性，壤土层一般属微-弱等透水性，见表1。地下水主要补给自大气降水、灌溉回渗、河渠入渗及侧向迳流，主要消耗于蒸发、人工开采及侧向迳流排泄。地下水与渠水、河水水力联系密切，在不同地段互相补给。

表1 场区主要土体渗透性试验建议值表

2 地质问题分析

2.1 渗漏问题

豫东地区上部地层多分布有砂壤土、轻粉质壤土、粉砂等少黏性土，具中等透水性，故水库库底或库周多存在渗漏问题。另，库区内分布的水井(民井、降水井等)均揭露下部砂层，成为天然的渗漏通道。

长距离引调而来的水源弥足珍贵，需采取合适的防渗处理措施。防渗处理措施应从施工工艺、工程投资、防渗效果、完工后影响等方面综合分析比较。主要有下列几种情况：

(1)库底位于相对不透水的黏土层中、库底下伏黏性土厚度足够、库区开挖料中可利用防渗土料储量及质量指标满足规范和设计等相关要求，则可采用水平防渗：黏性土换填的方式进行防渗处理。如引江济淮工程(河南段)试量、后陈楼、七里桥调蓄水库均采用此类防渗方式：设计对库周砂壤土层进行换填处理，虽然黏性土换填需要将可利用的黏性土专门存放、晾晒，工序较多，但投资较低，优势较大，只需合理安排好施工工序即可，故选择黏性土置换对岸坡渗漏夹层进行防渗处理；在库周遇到砂壤土时，将砂壤土在水平向挖除厚度不小于2.5m、向下进入黏性土不少于0.5m，然后换填为重粉质壤土，压实度不小于0.98。

(2)库底位于相对透水的砂性土层中、且库底下伏砂性土较厚时，则可采用垂直防渗：如高压喷射灌浆防渗墙、塑性混凝土防渗墙等方式进行防渗处理；若施工降排水问题突出、降水量大且工期较长时，亦可考虑垂直防渗处理措施。采用垂直防渗措施时，场区下部需具备适宜的相对不透水层作为隔水底板。如引江济淮工程(河南段)新城调蓄水库则采用此类防渗方式：库底位于砂壤土层中，且库周边坡分布有砂壤土、轻粉质壤土层；现有水库开挖的重粉质壤土厚度较薄、开挖难度大、储量不足，需从土料场借土；场区地下水位较高，库底截水槽开挖深度较深存在较大的施工期降排水难度，长期降排水对周边环境产生不利影响；投资对比壤土铺盖防渗虽少于塑性混凝土防渗墙防渗，但减少幅度不大；塑性混凝土防渗墙防渗墙施工时，对库区土方开挖影响不大，且在防渗墙闭合后，再开挖地下水位以下部分土方时，可减少施工期降排水的难度；综合考虑选择塑性混凝土防渗墙防渗墙方案。下部重粉质壤土层分布相对较稳定，作为垂直防渗处理隔水层。防渗墙沿堤防轴线布置，设计厚度为0.4m，其深度深入重粉质壤土层深度不少于1m，墙体渗透系数小于1×10-6cm/s。

(3)当库底位于相对不透水的黏土层中，但下伏黏性土厚度不够、且黏性土下部分布有承压含水层时，在检修工况下存在承压水顶托破坏问题，则需采取垂直防渗处理措施，且需用更深处黏性土作为隔水底板；库区开挖料中可利用防渗土料储量及质量指标不满足规范和设计等相关要求时，建议采取垂直防渗处理措施。

另外，库区内分布的水井(民井、降水井等)需严格按照设计要求进行回填处理，防止成为天然的渗漏通道。在维护期库水放空时，封堵不牢的水井亦是天然的涌水通道。

2.2 施工降排水问题

工程涉及地下水主要为浅层地下水，地下水主要类型为第四系松散层孔隙水，水位埋深一般为3.0～6.0m。地下水具动态变化特征，随大气降水量的增大而升高，多在7—9月份因集中降雨，水位多处于高值，因农业灌溉开采地下水在5—6月份水位多达到低值，地下水位年变幅一般1～3m。故工程施工过程中多存在施工降排水问题。

为保证干地施工，需采取合适的降排水措施。可采取井点降水、明沟排水等降排水措施。库底地层岩性为砂性土时不宜采取明沟排水，因在降排水过程中砂性土易形成流砂现象，破坏库底、护脚基面及坡脚的稳定；库底下伏黏性土较薄时，因下部砂层中地下水多具承压性，深挖排水沟会减少承压水顶板上覆不透水层厚度，当不透水层厚度减少到临界点时，会造成承压水顶托破坏，造成突涌现象，进而破坏地基强度，并给施工带来很大困难，故不宜采取明排法降排水；当采取垂直防渗施工时，在防渗墙闭合后，再开挖地下水位以下部分土方，可减少施工期排水的难度及排水量，并降低因降排水对周边环境的影响。

宜在场区合理布置若干长观井，在不同的勘察阶段、不同季节进行地下水动态观测，以便更全面、准确的查明场区地下水动态变化特征。

2.3 浸没问题

调蓄水库蓄水后将不同程度造成库周地下水位的雍高，可能引起库周浸没问题。浸没地下水埋深临界值可按下式确定：

Hcr=Hk+ΔH

式中,Hcr—浸没地下水埋深临界值,m；Hk—土的毛管水上升高度,m；ΔH—安全超高值，m。

Hk测定方法可采用以下2种：①观测法：选择水位长期稳定的天然坑塘的朝阴面，然后剥离表层浮土，进行观测；②试坑法：如果场区无合适的坑塘，则可利用人工开挖的试坑进行试验测得，试坑开挖→灌水→保持水位稳定足够的时间→自水面向上每间隔10cm取1组试样→含水率试验→绘制含水率与试样高度曲线，当含水率线与该层试样的塑限相交所对应的试样高度则为该土层的毛细水上升高度。

对农业区，ΔH为所种植农作物的根系层的厚度；对城镇和居民区，ΔH由建筑物基础形式、荷载、砌置深度决定。

当Hcr大于调蓄水库设计水位埋深时，则调蓄水库运行一定时期后会产生浸没问题。影响的大小由场区地层、农作物种类、建筑物类型、库水位等综合决定。为消除浸没对库周农田、建筑物的影响，在库周可设截渗暗沟，深度需大于Hcr，暗沟内设软式透水管，周围回填中粗砂，中粗砂周围铺设土工布，其上回填砂壤土或壤土。截渗暗沟将库内渗水引至周边河、沟内排走。

2.4 边坡稳定问题

该区调蓄水库开挖深度一般5～7m，组成边坡岩性主要为砂壤土、轻粉质壤土、重粉质壤土，局部为粉砂。砂壤土、轻粉质壤土、粉砂结构疏松，抗冲刷能力差，重粉质壤土呈可塑状(局部软塑状)，强度偏低，自稳能力偏差。蓄水时水位升降和冲刷作用下易造成边坡坍塌，存在边坡稳定问题。

为保证水库边坡的安全，需采取相应的护砌措施。若采取现浇混凝土板护坡，需考虑冬季施工、混凝土面板上排水孔容易淤堵、易裂缝等问题；若采取砌石护坡，则需考虑石料采购难易问题等。预制混凝土块：虽然预制的难度比较大、投资也相对较大，但施工工期短，可以不受季节影响；容易养护，维修管理方便；透水性较好，整体稳固性好；而且砌块的尺寸可根据需要控制，生产过程可工厂化和标准化，大大缩短工期；整体美观、环保。如引江济淮工程(河南段)调蓄水库岸坡防护材料选用0.18m厚的预制六边形C25混凝土砌块，整体效果较好。

根据地层揭露情况，结合工程类比，建议蓄水池边坡坡比采用1∶2.00～1∶2.50。开挖较深时宜采用分级开挖，并设置马道。施工时避免在水库坡顶附近施加堆载，并加强基坑监测，必要时采取相应的保护措施，确保边坡稳定。

2.5 环境地质问题

(1)地形地貌的改变。场区地处黄淮冲积平原，地势平坦开阔，修建调蓄水库需要移动大量的土方，而场区周边多为耕地，水库开挖及堆放渣土势必会改变库区一定范围内的地形地貌。

对于工程多余的土方可与城市建设及附近在建的高速公路、铁路等项目相结合，最大限度的减少对耕地的侵占。

(2)水文地质条件的改变。水库蓄水后，若库水位高于库周地下水位，则存在库水补给附近地下水，从而引起附近地下水为抬升；若库水位低于库周地下水位，则存在附近地下水补给库水，从而引起附近地下水为下降。同时，工程运行后会阻断上部含水层的径流，引起局部地段地下水的绕排、抬升；库水对场区地下水予以不同程度的补充产生浸没问题等。对此需采取相应的处理措施，如对库区内原有河、沟、渠改建，尽量保持其效能；在库周布置排水沟，排泄地表水及涌高的地下水。

(3)水库边岸再造。边坡重粉质壤土(局部为粉质黏土)黏粒含量较高，失水易干裂；砂壤土、粉砂、轻粉质壤土结构较疏松。边坡在库水冲刷及上部土层失水干裂等因素作用下，边坡易产生塌岸，且在库水的长期作用下，逐渐向库外延伸，危害库周的土地、公路及房屋建筑。对此需对边坡采取相应的护砌措施。

(4)水库淤积问题当引调水的水源含泥砂量大时，来水进入调蓄水库后流速突然减慢，水流的搬运能力会下降，所挟泥砂在库口堆积，形成水库淤积。影响水库的正常使用，缩短水库使用寿命。对此类水库宜前置沉砂池，减少泥砂的流入量，并根据淤积情况及时进行清淤。

3 结论

豫东平原因其独特的地质特性，在该地区兴建调蓄水库具有相似的地质风险。本文通过对在建工程勘察成果总结，对本地区建设调蓄水库可能存在的地质问题进行归纳，为类似平原水库工程建设提供参考。本文未包含豫东地区调蓄水库施工和运行中存在的所有地质风险，具体到某个工程需根据自身特点按相关规范、规程严格进行勘测、设计、施工及运行管理，以保障调蓄水库的总体安全平稳运行。