三家店水庫水文地質(zhì)特征及其對工程施工的影響

姚旭初 張琦偉 王 巍

（1. 北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院 北京 100048 2. 北京市門頭溝區(qū)水務(wù)局 北京 102300）

1 引言

卵石或漂石粗顆粒土層在人工水庫或湖等地表水體的長期作用下，其形成的滲透規(guī)律較特殊，往往導(dǎo)致水文地質(zhì)條件也比較復(fù)雜，而水文地質(zhì)條件是采取合理施工措施和防滲設(shè)計方案的關(guān)鍵因素之一。

北京六環(huán)路工程穿過三家店人工水庫，其特點是地表水體下的土層巖性主要以粗顆粒的卵石或漂石為主，工程場區(qū)的地下水分布條件以及補、徑、排關(guān)系在一定程度上決定了工程的施工措施和設(shè)計方案，以及運行后的使用安全。本文分析粗顆粒土層在地表水體的長期作用下形成的普遍滲透規(guī)律，并討論其對六環(huán)路擋土墻工程施工的影響。

2 水文地質(zhì)條件

北京西六環(huán)公路穿過永定河上游三家店水庫庫區(qū)，庫底地層巖性以卵石和漂石為主。根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)勘察與地下水監(jiān)測結(jié)果，將庫底的地下水以庫底下約11~12m深度為界線劃分為淺層地下水和深層地下水。

淺層地下水總體特征是接受地表水體補給、以垂向滲流為主，按其賦水土層的滲透特性，可將賦水土層細劃為4個飽水層，自上而下依次為：

第1飽水層（即淤泥②層），厚度約0.3~2m，其土層滲透系數(shù)較小，為0.05m/d左右。地下水水位監(jiān)測期間（2006.9.10~2006.9.26），于相應(yīng)該層的監(jiān)測孔（孔號：C5，其結(jié)構(gòu)見圖1）中量測到的最高水位標(biāo)高為 108.18m，與同期量測的水庫最高水位標(biāo)高108.22m基本一致。

第 2飽水層（即含少量的粘性土卵石③1層），層厚約 3m，分布于淤泥②層之下，該飽水層的滲透性相對較弱，其土層滲透系數(shù)在2.00m/d左右，地下水水位監(jiān)測期間，于相應(yīng)層位的監(jiān)測孔（孔號：A3，其結(jié)構(gòu)見圖1）中量測的該層不同深度處水位埋深為 0.68~2.06m，水位標(biāo)高為 104.82~107.24m，地下水水位標(biāo)高隨著監(jiān)測深度增加而降低。13

第3飽水層（即基本不含粘性土的卵石③2層），厚度約0.5~2m，其土層滲透性相對較強，滲透系數(shù)約為25.00m/d，地下水水位監(jiān)測期間，于相應(yīng)層位的監(jiān)測孔（孔號：A2，其結(jié)構(gòu)見圖1）中量測到的水位埋深為 2.16~4.20m，水位標(biāo)高為103.93~105.79m，地下水水位標(biāo)高隨著監(jiān)測深度的增加略有降低，但沒有第2飽水層中明顯。

第 4飽水層（即含粘性土較多的卵石③3層），層厚約 6m，其土層滲透性相對較差，滲透系數(shù)約為 0.50m/d，現(xiàn)場勘探過程中于該層不同深度處量測到的地下水水位隨深度增加而降低，該層頂板附近的地下水水位與第3飽水層水位一致。深層地下水主要賦存于卵石、漂石的卵石③5層中，其土層滲透性大，滲透系數(shù)大于500m/d，飽水層的底板是基巖，地下水水位隨著基巖頂板標(biāo)高的起伏而變化較大，飽水層厚度較小，地下水水位監(jiān)測期間量測到的該層地下水水位埋深為13.51~13.76m，水位標(biāo)高為94.19~94.44m。

圖1 C5、A3和A2監(jiān)測孔的結(jié)構(gòu)示意圖

3 粗 粒土層的滲 規(guī)律

3.1 滲 規(guī)律分析

分析上述的水文地質(zhì)條件，粗顆粒土層在地表水的長期作用下，在水庫庫底11~12m深度范圍內(nèi)形成了淺層地下水，其下形成了深層地下水。淺層地下水與水庫地表水之間存在密切的水力聯(lián)系，并主要接受地表水入滲補給，地下水動態(tài)與地表水基本一致（圖2）。

地下水的排泄方式主要為垂向滲流，因此，即便在同一飽水層中不同深度監(jiān)測的地下水水位也不一致，即隨著監(jiān)測深度的增加而地下水位標(biāo)高降低，存在明顯的垂向水頭損失。深層地下水主要接受淺層地下水的滲流補給，以側(cè)向徑流排泄為主。其賦水層位的土層滲透系數(shù)大，飽水層中地下水總水頭不隨深度變化，因此，其垂向滲流的水頭損失可以忽略不計。

圖2 水庫水位及地下水水位動態(tài)曲線（監(jiān)測時 ：2006.9.10~2006.9.22）

3.2 數(shù)值模擬分析

為了從理論上更好地分析粗顆粒地層在地表水體作用下的普遍滲透規(guī)律，根據(jù)場區(qū)的水文地質(zhì)條件，并結(jié)合現(xiàn)場地下水水位的監(jiān)測結(jié)果，建立了人工水庫庫區(qū)滲流場的二維非穩(wěn)定流的數(shù)學(xué)模型如下：

（1）式中，

D——計算區(qū)域；

K——滲透系數(shù)（LT-1）；

H——水頭（L）；

h——含水層厚度（L）；

μ——給水度，無量綱；

W——單位時間、單位面積上垂直方向的水交換量（LT-1）；

H0——初始水頭（L）；

H b——第一類邊界上的已知水頭（L）；

q——第二類邊界上的法線方向單寬流量（L2T-1）；

n——第二類邊界的外法線方向；

Γ1——第一類邊界；

Γ2——第二類邊界。

采用有限單元法對水庫滲流場進行模擬，建立的二維非穩(wěn)定流問題的有限元方程如下：

（2）式中，

[G]——導(dǎo)水矩陣；

{H}——未知水頭的列矩陣（向量）；

[S]——給水矩陣；

{dH/dt}——節(jié)點水頭對于時間一階導(dǎo)數(shù)的列矩陣（向量）；

[E]——源匯列矩陣（向量）；

[B]——邊界列矩陣（向量）。

圖3 有 單元法計算單元網(wǎng)格剖分

有限單元法計算時單元網(wǎng)格剖分見圖 3，計算結(jié)果見圖4（總水頭隨垂向標(biāo)高變化曲線）。從圖4可以看出，深層地下水的總水頭不隨深度變化，即在飽水層中總水頭是一定值；而淺層地下水總體上由于垂向滲流作用導(dǎo)致水頭損失，總水頭隨著深度的增加而減小，尤其在第2和第4飽水層中比較顯著，這也與其滲透系數(shù)較小相一致，即飽水層的滲透系數(shù)越小其對水頭的損失越大。

4 水文地質(zhì)條件對 基擋土墻施工的影響

西六環(huán)路基擋土墻施工初期由于沒有充分考慮到水庫庫區(qū)水文地質(zhì)特征，沒有在庫區(qū)設(shè)置隔水圍擋，大量水庫水沿著滲透性較強的③2層水平向流入到施工豎井，并導(dǎo)入到深層含水層③5層中，每天庫水漏水量達 2萬 m3左右，導(dǎo)致水庫管理部門緊急叫停工程施工，并責(zé)令采取相應(yīng)措施解決庫水大量漏失問題。解決這問題需要采取隔水圍擋，但問題是設(shè)置鋼板樁圍擋深入庫底多深才能起到較好的隔水作用？根據(jù)上述庫區(qū)水文地質(zhì)條件分析，不難解決這一難題，將淺層地下水（尤其是第3飽水層的③2層的地下水）阻隔住，問題便可迎刃而解，即將圍擋插入③2層中1~2m，基本阻隔住庫水及淺層地下水。按此施工了隔水圍擋，實際隔水效果良好，也充分表明對庫區(qū)水文地質(zhì)特征充分分析的重要性。

圖4 地下水總水頭 垂向標(biāo) 變化曲線

5 結(jié)語

（1）人工水庫庫底下埋深約11~12m深度范圍內(nèi)賦存淺層地下水，淺層地下水的賦存土層主要為卵石或含粘性土的卵石，沒有傳統(tǒng)意義上的含水層和隔水層之分。淺層地下水主要接受地表水體的補給，地下水動態(tài)與地表水一致；淺層地下水以垂向滲流排泄為主，在同一飽水層中隨著深度的增加總水頭減小，這種水頭損失大小與飽水層的滲透系數(shù)成反比。

（2）深層地下水賦存于庫底埋深12m以下的卵石、漂石層中，飽水層的地板是基巖，地下水水位標(biāo)高隨著基巖頂板起伏而變化較大，飽水層厚度一般較小。深層地下水的補給主要是淺層地下水通過非飽水帶對其補給，其排泄以側(cè)向徑流為主。

（3）水文地質(zhì)條件往往是采取合理工程措施和防滲設(shè)計的關(guān)鍵因素。

1. 王大純, 張人權(quán), 等. 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ). 北京: 地質(zhì)出版社,1995.

2. 曹劍峰,遲寶明, 等. 專門水文地質(zhì)學(xué). 北京: 科學(xué)出版社,2006.

3. 朱學(xué)愚, 錢孝星. 地下水水文學(xué). 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社,2005.