哈达山水利枢纽工程左岸防护区浸没治理研究
2022-07-19崔永建
崔永建
(吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春 130021)
1 工程概况
1.1 地理位置
哈达山水利枢纽工程(一期)位于第二松花江干流的下游,大坝坝址位于吉林省松原市东南向20 km 左右处,下距离第二松花江与嫩江汇合口60 km 左右处,是第二松花江流域最末一级控制性枢纽工程,工程由坝区枢纽工程、防护区防护工程和输水工程组成。
哈达山水利枢纽工程(一期)为低坝方案,为了减少移民占地,水库库区控制在二松河道内,利用现有的二松堤防加高加固措施来满足水库运行要求。根据水库淹没区回水水面线,工程完工蓄水到140.50 m 后,库区左岸将有约21.5 km 受到影响,对沿岸的防洪排水工程带来不利影响、并将浸没堤后的耕地。
本工程项目区位于前郭县王府站镇及哈拉毛都镇境内,距哈达山水利枢纽电站南约9 km,紧邻二松堤防西侧。
1.2 浸没处理实施情况及现状
哈达山浸没处理自蓄水以来,由于各种原因,浸没处理方案一直没有全面实施,截至目前针对浸没处理已实施的工程主要包括:强排站5 座(分别为哈玛I 强排站、哈玛II 强排站、郭家店强排站、下园子强排站和桥南强排站)和浸没Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区堤后纵向排水沟,以及浸没Ⅳ区桥南强排站前池上下游共535 m 长堤后纵向排水沟。
5 座强排站现运行良好,堤后纵向排水沟整体运行较好,但浸没Ⅰ区堤防左岸最北端哈玛尔村地块排水沟淤积严重,已无排渗排涝能力。浸没Ⅳ区哈拉毛都敬老院地块和浸没Ⅳ区前哈拉毛都村北侧地块堤后无纵向排水沟,浸没和内涝问题严重。
1.3 工程建设范围
浸没区以哈玛回水堤、郭家店回水堤和卡拉木回水堤为分界共分四个区。现未种及受影响较大地块可分为四块:第一块为浸没Ⅰ区堤防左岸最北端(哈玛尔村)地块,整片地块约31.4 hm2;第二块为浸没Ⅰ区哈玛回水堤北侧和浸没Ⅱ区地块,为不连续零散地块,约26.4 hm2;第三块为浸没Ⅳ区哈拉毛都敬老院地块,整片地块约27.8 hm2;第四块为浸没Ⅳ区前哈拉毛都村北侧地块,约44.4 hm2。
哈达山浸没处理自蓄水以来,由于各种原因浸没处理方案一直没有全面实施,实施难度大情况复杂,选定一浸没影响地块作为试验段先期治理,积累成功工程技术及现场管理经验后,再对其他地块综合治理。本次以第三块浸没Ⅳ区哈拉毛都敬老院地块为试验段,先期治理。
2 工程地质
2.1 地形地貌
本区位于松辽平原之松嫩平原的东南部。在差异性升降运动等新老的构造控制作用下,形成了以台地为代表的剥蚀堆积地形和以岗地漫滩为代表的堆积地形两大成因类型。而河流侵蚀与堆积、风蚀与风积等近代地质作用则塑造了目前的地貌形态,并由此构成了本区的冲洪积、冲湖积、冰水堆积平原(地面高程200~293 m)、冲积湖积平原(地面高程160~200 m)和河谷平原(地面高程130~160 m)三个明显阶梯。
2.2 地层岩性
库区松散层以第四系全新统冲积堆积和风积堆积为主,风积层以中砂和细砂为主,厚度达33 m,主要分布于二松右岸。冲积堆积层以中砂和砾质粗砂为主,厚度达17 m,分布于河谷冲积平原,库区表层为黏土和壤土,一般厚度达1~3 m,局部被风成砂丘覆盖。下部为细砂和中砂,为典型的二元结构。
2.3 水文地质
工程区内,地下水类型主要分为第四系全新统冲积层中的孔隙潜水及基岩裂隙水。
第四系全新统冲积层中的孔隙潜水:主要赋存于第四系全新统冲积堆积的壤土及中砂层中,与松花江江水有水力联系,上部黏性土较厚的局部具有承压性。地下水位埋深0.60~1.90 m,高程139.30~139.70 m。补给源主要为江水、大气降水。枯水期地下水向江道排泄。
基岩裂隙水:主要赋存于粉砂质泥岩中,裂隙发育较差,其富水性和透水性普遍较差。
2.4 库区左岸防护区浸没地质评价
防护区浸没Ⅳ区位于卡拉木回水堤和桥南强排站之间,现调查该区域内农作物主要为玉米、水稻及大豆。从分布上看,玉米及大豆主要种植在区内南侧地势较高处,靠近堤防一带基本种植的是水稻。
在2013 年堤后有大面积的泡泽地,目前泡泽地已多开垦为水田地,还剩下少量的泡泽地。但绝大多数水稻长势不好,杂草丛生,靠桥南强排站上游和原泡泽地的外围地势较高的水稻长势较好。在浸没区外地势相对低洼处局部玉米长势不好。
浸没Ⅳ区内地势平坦,地面高程140.10~144.60 m,堤坝后水泡及沼泽地地势较低,地面高程137.50~139.80 m。多年壤土(6-2)层毛细管水上升高度室内试验平均值1.50 m,若用该毛细管水上升高度值,再加上植物根系深度(玉米一般0.40~0.50 m,水稻一般0.20 m 左右),计算得出的地下水临界深度较大,用此地下水临界深度预测的浸没范围偏大,与浸没情况实际不符。由于水库运行多年,本次浸没范围根据现场实际调查农作物的长势好坏,并结合地层、地下水位埋深及实际毛细管水上升高度(0.75 m)等情况综合确定。主要农作物生长地下水位埋深适宜情况见表1,历年降雨量及各勘察阶段浸没面积统计见表2。
表1 主要农作物生长地下水位埋深适宜情况调查表 单位:m
表2 本区历年降雨量及各勘察阶段浸没面积统计表
表2 说明浸没面积大小受地区降雨量、地下水位、内涝和日照积温等因素影响。
除此之外,根据调查结果,该区内涝严重,地表汇水无处可排,建议在堤坝后地势最低处设置强排站,打通堤后排水沟,排水沟两侧用透水材料反虑砌护,有利于地下水位排泄、降低,将地下水位降低到地面以下1.5 m。并且应将浸没区内的旱田改为水田,也可以采取抬田造地处理措施。
3 浸没防治处理措施
3.1 治理区条件
经多次现场查勘和地勘成果显示,本地块具有如下特点。
(1)本地块有7.25 hm2弃种水田,高程139.8~139.9 m,现耕种水田高程140.0~140.1 m。
(2)堤防背水侧有50~200 m 的高岗台地,高程141~145 m,现为旱田,长势良好,无浸没和内涝问题。
(3)水田和旱地之间为已有水沟和荒草地,宽3~5 m。
(4)根据地勘成果堤防背水侧过高岗后,约2.5 m厚壤土层渗透系数为8.46×10-6cm/s;其下砂层厚约13 m,渗透系数为2×10-2~5×10-2cm/s;砂层以下为泥岩不透水层。
3.2 浸没处理措施
根据上述特点,结合左岸浸没影响区的水文地质条件和拟于水田和旱地间新建截渗沟1.5 km,并于敬老院北侧新建排水泵站。截渗沟底宽1.0 m,两侧边坡1∶2,采用25 cm 厚石笼护坡,下设10 cm 厚碎石垫层和无纺布,沟深2.5~3.0 m。截渗沟深2.5~3.0 m,壤土层全部挖除,将排水沟深入到砂层中,因砂层的渗透系数为壤土的2 400~6 000 倍左右,自库区渗流水将自砂层全部排至截渗沟内并排出(如图1 所示),该区域耕地的浸没问题可得到解决。同时,因堤防背水侧有宽约50~200 m 的高岗台地,渗流渗径较长L=100~250 m,上下游水头差H=2.5 m。本段渗流计算如下:
对于稳定渗流,符合达西定律的非均各向异性二维渗流场,水头势函数满足微分方程
式中:φ=φ(x,y)为待求水头势函数;x,y 为平面坐标;kx,ky为x,y 轴方向的渗透系数。
水头φ 还必须满足一定的边界条件,经常出现以下几种边界条件。
(1)在上游边界上水头已知:
φ=φn。
(2)在逸出边界水头和位置高程相等:
φ=z 。
(3)在某边界上渗流量q 已知:
其中lx,ly为边界表面向外法线在x,y 方向的余弦。
将渗流场用有限元离散,假定单元渗流场的水头函数势φ 为多项式,由微分方程及边界条件确定问题的变分形式,可导得出线性方程组为
式中:[H]为渗透矩阵;{φ}为渗流场水头;{F}为节点渗流量。
求解以上方程组可以得到节点水头,据此求得单元的水力坡降,流速等物理量。渗流计算与渗透稳定分析采用Autobank 程序计算,计算水位采用哈达山库区正常高水位。对本工程治理范围内堤防典型进行渗流计算与渗透稳定分析如图1 所示,经计算渗流流量Q=0.25 m3/s,i=0.03 小于中砂层icr=0.10。
图1 浸没区典型断面流网图
3.3 工程布置
本工程由浸没治理工程和田间治理工程组成,其中浸没治理工程主要包括1.643 km 纵向排水沟和敬老院强排站,田间治理工程主要包括4 条垂直于纵向排水沟的横向排水沟。详细布置如图2 所示。
图2 哈达山左岸浸没处理工程平面布置图
敬老院强排站排水中心线位于哈达山防护堤桩号8+354 m 背水侧地势低洼处,厂房呈“一”字型布置,进水前池与布置于泵站东侧的排水沟相连,下游出水管垂直于堤防布置。敬老院强排站站址高程为145.0 m,设置4 台潜水轴流泵,单机设计排水流量0.27~0.31 m3/s,扬程5.0~6.8 m,水泵安装高程137.20 m,总装机容量120 kW。厂房外轮廓长18.2 m,宽6.4 m,高15.57 m,强排站厂区平台长18.2 m,宽15.1 m,与堤顶直接相连。
纵向排水沟位于浸没Ⅳ区水田和旱地之间已有水沟和荒草地处,沿防护堤背坡坡脚布置于敬老院强排站南侧,用于将本区域内的积水和库区渗流水汇入敬老院强排站前池。以本次治理区域东侧高岗处起始点,敬老院强排站为终点,排水沟总长1 643 m,排水沟排涝流量0.768 m3/s,排渗流量为0.25 m3/s。
根据实际测量勘查,水田弃种的主要原因为排水不畅,形成内涝。在弃种水田范围,新建田间排水沟4条,为田间排水沟(敬老院)一~四,分别与纵向排水沟桩号为0+722.6 m、0+827.1 m、0+940.9 m、1+051.1 m处垂直相接,总长度为989 m,排渍流量为0.002 m3/s。
3.4 纵向排水沟设计
排水沟为梯形断面,考虑施工方便,底宽为1 m,两侧边坡为1∶2。排水沟兼顾排涝和排渗,沟底需挖透壤土覆盖层方可有效将库区渗流水排出,排水沟起始点壤土层厚度约为2.0 m,地面高程为140.5 m,排水沟起始点底高程定为138.5 m。本次治理区根据调查情况,地下水位降低至地面以下1.5 m,可不影响地面农作物生长,由此确定排渗水位不应大于0.5 m,由明渠均匀流公式反算可得,排水沟底坡比降为1∶2050时,满足要求,同时考虑排水沟底应挖透壤土覆盖层,由此排水沟终点高程确定为137.7 m。排水沟排涝流量(P=10%)Q=0.768 m3/s,水深0.78 m,排渗流量为0.25 m3/s 水深0.45 m。
排水沟底层为中砂,坡面易受水流淘刷破坏,应对排水沟面进行石笼护砌,石笼护砌顶高程确定:排水沟为5 级建筑物,根据《灌溉与排水工程设计规范》4、5级渠道岸顶超高确定按:F=h/4+0.2 计算,设计水深h=0.78 m,可求得石笼护砌的高度为1.18 m。考虑本工程排水沟右岸为高岗台地,降雨时水流汇入排水沟流速较大,存在坡水冲刷问题,为使排水沟能够长久安全运行,本次设计对排水沟坡面整体进行护砌。排水沟采用250 mm 厚铅丝石笼护坡,石笼下依次为50 mm厚级配碎石垫层和一层无纺布(400 g/m2)反滤层,底宽1 m,采用500 mm 厚铅丝石笼护底,石笼下为一层无纺布(400 g/m2)反滤层。
4 结束语
浸没问题是平原水库库区的主要地质灾害之一,水库的建成将会导致增加库岸地下水的渗透压力,将地下水水位抬高,进而影响耕地的产量甚至造成绝产。在治理过程中需确定地下水浸没的临界深度,根据临界水深确定截渗沟的坡降、断面尺寸、运行水位和深度,同时截渗沟设计时必须注意渗透稳定问题,进而确定截渗沟与坝(堤)脚的距离。