廣西中部武宣盆地紅黏土浸沒問題分析與評價

孫 政，莊景春，楊曉晗，于景宗

中水東北勘察設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021

1 工程背景及研究意義

1.1 背景

大藤峽水利樞紐是紅水河梯級規劃的最末一個梯級，位于廣西的黔江河段上，是一座大（1）型水利樞紐工程。水庫設計正常蓄水位61m，相應庫容為28.13×108m3。武宣盆地位于水庫上庫段的黔江，包括三里、武宣、二塘等城鎮，長約30km，寬2～10km，是武宣縣居民和耕地比較集中的地段。水庫蓄水后將造成地下水位抬升，對承壓水頭高于黏土底板的地段產生浸沒影響。

1.2 研究意義

評價水庫區浸沒與否的一個關鍵指標是臨界地下水位埋深，進行浸沒初判時一般臨界地下水位埋深按毛細水上長升高度加上安全超高值；浸沒復判時農作物區及建筑物區都需要考慮土層毛細水上升高度。由此可見，水庫浸沒評價的一個重要指標是土的毛細水上升高度值[1-2]。武宣盆地地表覆蓋層基本為殘積紅黏土或次生紅黏土，取得可靠的紅黏土毛細水上升高度值，對水庫區的浸沒評價具有重要意義。

2 地質概況

武宣盆地以黔江為界武宣盆地分為兩個地貌類型，左岸為溶蝕平原，地勢平緩，地面高程一般為65～70m，覆蓋層一般由殘積紅黏土、次生紅黏土（Q3el）兩層組成，厚度一般為4～18m，最厚處為26m，最薄處為1.4m，屬于滲透性極微弱的高液限黏土；灰白色含碎石的風化砂，厚度一般1.7～2.5m，最厚達5.9m，屬中等～強透水層，七星河、三里河、東鄉河等三條黔江一級支流在武宣盆地左岸匯入黔江。右岸為峰叢谷地，地形平坦，孤峰、殘丘和洼地等巖溶地貌分布廣泛，地面高程一般54～70m。覆蓋層為沖洪積和殘積黏土層，厚度一般為4.5～6.6m。兩條黔江一級支流濠江和武來河流經峰叢谷地匯入黔江。

該區地下水類型主要為巖溶裂隙水，盆地的前部和中部地下水位在基巖內，至盆地后緣地下水位高于基巖面，局部呈承壓狀態，在三里、馬王附近基巖面較低，黏土層較厚，承壓水頭較高，如在ZK107孔和T267孔都發現有承壓水，T267孔承壓水頭達11.29m。巖溶裂隙水坡降平緩，一般3‰～6‰，向黔江排泄。據長期觀測資料，地下水年變幅為5～10m。

3 浸沒初判

根據《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487—2008）（以下簡稱《勘察規范》）的規定進行初判。武宣盆地黔江右岸為溶蝕峰叢谷地，地層結構為殘積紅黏土（Q3el）、次生紅黏土直接覆蓋于基巖面上，且黏土層均較厚，滲透系數小，為相對不透水層，一般都大于5m，其頂板高程高于水庫正常蓄水位，預測在水庫蓄水后地下水仍為裂隙巖溶潛水，即使局部承壓，也不會產生浸沒現象。濠江與武來河發育于谷地內，兩岸地層結構為均為殘積紅黏土（Q3el）、次生紅黏土直接覆蓋于基巖面上，且黏土層均較厚，一般都大于5m，不透水層（黏土）頂板高程高于水庫正常蓄水位，預測在水庫蓄水后地下水仍為裂隙巖溶潛水，即使局部承壓，也不會產生浸沒現象。

武宣盆地黔江左岸地層結構均為雙層結構，表部為黏土，黏土下為強透水砂礫石層、含泥砂礫石層、風化砂層。從地層結構分析，水庫蓄水后這片區域易發生浸沒。針對這一地區，應進行詳細的勘察和進一步的評價工作。

4 浸沒評價復判方法及標準

根據《勘察規范》的規定，浸沒評價采用地下水埋深臨界值。評價范圍內地下水埋深小于臨界值，判定為浸沒區；地下水埋深大于臨界值，判定為不浸沒。

4.1 地下水埋深臨界值的確定方法

根據《勘察規范》的規定，在確定地下水埋深臨界值時，應對當地農業管理部門、農業科研部門和農民進行調查，收集相關資料，根據需要開挖試坑驗證。

（1）經走訪廣西水電設計院可知，廣西已建成水庫按1m確定浸沒評價地下水埋深臨界值，預測的浸沒范圍，當地農民沒有提出異議。水田按0.5m無實際問題，但存在一定風險。通過走訪，當地農民提出，水田只要水不到地面就無影響，旱田水不淹沒種子就無影響。

（2）根據調查情況，2014年在武宣縣三里鎮馬王防護區內的甘蔗地上開挖探坑進行驗證，地下水位埋深為0.5m時不會對農作物產生影響，驗證數據如表1所示。

表1 野外驗證探坑數據表 單位：m

當地農作物主要為水稻和甘蔗，根據驗證結果結合走訪情況，初步確定地下水埋深臨界值：水稻為0.8m，甘蔗為1.5m。

（3）根據現場勘察取樣試驗成果，采用土層毛細水高度+農作物根系層厚度（0.5m），對調查走訪初步確定的地下水埋深臨界值進行調整。基本原則如下：旱田深度＜1.5m的區片，采用1.5m；旱田深度＞1.5m的區片，采用土層毛細水高度+農作物根系層厚度。水田采用調查值0.8m。

（4）根系層厚度，現場探坑表明，甘蔗的根系層主要在0.3m深度內，深度0.3～0.5m很少有甘蔗根，深度0.5m以下見不到甘蔗根。

4.2 毛細高度的確定

評價水庫區浸沒與否一個關鍵指標就是臨界地下水位埋深，進行浸沒初判時一般臨界地下水位埋深按毛細水上長升高度+安全超高值；浸沒復判時農作物區及建筑物區均需要考慮土層毛細水上升高度[3]。由此可見，水庫浸沒評價的一個重要指標是土的毛細水上升高度值。

（1）現場觀測。實踐中筆者注意到，在坑內積水面以上的坑壁存在一定高度的土體浸濕現象，原因是毛細水上升，水面以上浸濕土的厚度代表了大部分毛細水的上升高度。利用人工開挖的天然基坑（基坑己挖至地下水位）和開挖的豎井現場觀測毛細水上升高度。天然基坑觀測為0.50～0.90m，平均值為0.69～0.72m；豎井觀測值較基坑觀測值稍高，為0.70～0.90m，平均值為0.78m。基坑毛細水上升高度觀測現場如圖1所示。

圖1 基坑毛細水上升高度觀測現場圖

（2）室內試驗。室內試驗測試依據《土工試驗規程》（YS/T 5225—2016），采用卡明斯基毛細儀法，探坑試樣一般采用現場毛細上升高度環環刀采取土層原狀樣品，鉆孔采用取土器采取原狀土樣。經統計，紅黃相間紅黏土②室內毛細水上升高度值為0.19～1.21m，平均值為0.76m；黃褐色紅黏土③室內毛細水上升高度值為1.0～2.0m，平均值大于1.70m。測試結果如表2所示。

表2 室內毛細水上升高度試驗成果統計表

（3）紅黏土毛細上升高度確定。通過野外觀察，室內原狀樣試驗及含水量—塑限圖法等方法確定，分析認為現場觀察毛細水上升高度值的方法缺少理論支持，只作為參考值使用。室內毛細水上升高度值較為精確，但取得的數值是毛細力，沒有毛細水量的因素，是最大毛細上升高度，高于農田浸沒意義上的毛細上升高度。結合當地農業種植特點和安全性，紅黏土浸沒評價毛細水上升高度取0.72m。

4.3 地下水壅高值的確定

（1）地下水位壅高值的初始計算。第一，干流岸邊溶蝕平原，以地表黏土層為弱透水層，基巖表面不連續的風化砂為強透水層，完整基巖面為不透水層。考慮到含水層底板（風化砂）高于現狀黔江水位，而岸邊基巖內的地下水坡降不能代表上部含水層坡降，因此采用雙層結構水平巖層公式，即

第二，支流一級階地，將地表沖積黏土層、砂礫石（含泥砂礫石）作為統一含水層，以完整基巖面為不透水層。含水層底板低于現狀支流河水位。故采用均一含水層，水平巖層公式，即

（2）壅高水位的折減。①上部黏土層厚度＞5m的地方，采用黏土層的初始比降對壅高水位進行了折減，T=H0/（I0+1）。②折減水位低于正常蓄水位時，采用正常蓄水位；折減水位高于正常蓄水位時，采用折減水位。③現場通過觀察鉆孔初見水位和終孔水位，計算得出黏土層的初始比降I0，并根據鉆孔計算值與室內試驗值成果比較后，確定建議值如表3所示。

表3 I0地質取值表

5 浸沒評價

5.1 分區評價

（1）黔江干流左岸：覆蓋層主要為殘積紅黏土（Q3el）、次生紅黏土，屬于滲透性極微弱的高液限黏土，黏土層下在洼地、溝谷處，白云巖表部分布有不連續的風化砂，屬強透水層。毛細水高度綜合取值72cm。地下水埋深臨界值旱田采用150cm，水田采用80cm。

（2）支流一級階地：地形平坦開闊，具有二元結構。上部為沖洪積黃褐色、棕黃色黏土（Q4pal），屬弱透水性；下部為含泥砂卵礫石（Q4pal），屬中等～強透水性。根據現場調查，一級階土質松軟，水源豐富，適宜種植水稻。農作物主要為水稻，故浸沒評價地下水埋深臨界值采用80cm。

5.2 浸沒評價結果

武宣盆地黔江左岸在無防護和有防護情況下，總浸沒評價結果如表4所示。

表4 武宣盆地浸沒面積匯總表 單位：m2

6 結論

（1）大藤峽水庫區武宣盆地浸沒預測，對浸沒地下水臨界埋深取值相關的地下水毛細上升高度的取值，參考現場觀測到的毛細上升高度，對室內試驗成果結合當地農業種植特點進行折減后綜合取值，在國內應用不多，缺乏實踐經驗，文章對數值折減量較為慎重，僅做浸沒研究的一次嘗試。旱田作物的根系深度為0.5m，是取現場實際觀察甘蔗成熟期的最大深度，安全性較高。

（2）在預測地下水雍高值時，考慮紅黏土具有一定的隔水性，采用黏土層的初始比降I0折減后的壅高水位，彌補了傳統壅高計算方法用壅高水頭代替壅高水位的缺陷。

（3）武宣盆地地處多雨區，浸沒區不會產生土地的鹽堿化，但若地表排水不暢，則可能產生沼澤化而形成濕地。建議對浸沒區建議采用風化土料墊高及設置排水溝進行排澇處理。