豫東平原調蓄水庫地質問題導析

周子東，張利濱,韓志浩

(1.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省特殊巖土環境控制工程技術研究中心，河南 鄭州 450008)

建設大型引調水工程能緩解缺水地區對水資源的需求。近年來為解決人多水少的問題，河南省豫東地區興建了引江濟淮工程(河南段)、河南省引江濟淮供水配套工程(鄲城、淮陽、太康、夏邑、永城等)、南水北調受水區周口供水配套工程(淮陽、項城、沈丘)等國家、省重點引調水項目，均布置有調蓄水庫。本文以豫東地區調蓄水庫地質特性為例，論述其存在的水文地質、工程地質及環境地質問題，并提出相應地質建議及處理措施，為類似工程設計、建設提供參考。

1 地質條件

1.1 地形地貌

河南省東部屬黃淮沖積平原，地勢平坦、開闊，地勢總體由西北高向東南緩傾，平均坡降一般0.2‰～0.4‰。場區較多河流，走向一般由西北至東南，主要有：渦河、賈魯河、惠濟河、清水河、鹿辛運河、大沙河等。場區多為耕地、林地，分布較多民井。

1.2 地層巖性

工程區在大地構造單元上為淮河臺向斜，長期下沉，該區發育有巨厚的第三系、第四系地層，厚度一般500～1000m，每個統、組一般下部的顆粒較粗，由下向上逐漸變細，從而組成不完整的沉積旋回，本區地殼沉降頻繁，但沉降幅度各異。其中第四系地層鉆孔揭露厚度多在150～300m之間，分布廣泛，以沖積和洪積為主，多具二元結構，具有明顯的沉積韻律。同一地層順水流方向黏粒逐漸增加；同一時期上部顆粒相對較細，下部顆粒相對較粗。

尤其第四系全新統上段沖積層，多為新近黃河、淮河支流沖積而成，屬黃泛區，具有明顯的層狀結構、巖相變化快、巖層多而薄、層厚差異大等特點。

場區揭露第四系全新統及上更新統沖積層巖性主要為輕粉質壤土、重粉質壤土、粉質黏土、砂壤土、粉細砂等。工程區典型地質剖面如圖1所示。

1.3 水文地質條件

影響工程建設的含水層主要為淺層地下水，地下水主要類型為第四系松散層孔隙水，下部砂層中地下水具微承壓性。砂壤土、砂層為主要含水層，含水層分布厚度不均。地下水自西北向東南流動，流向總體與地形傾向一致，水力坡降一般為1/5000～1/2500。地下水位埋深一般為3.0～6.0m，局部6.0～10.0m。地下水具動態變化特征，年變幅一般1～3m。

砂性土層一般屬中等透水性，壤土層一般屬微-弱等透水性，見表1。地下水主要補給自大氣降水、灌溉回滲、河渠入滲及側向逕流，主要消耗于蒸發、人工開采及側向逕流排泄。地下水與渠水、河水水力聯系密切，在不同地段互相補給。

表1 場區主要土體滲透性試驗建議值表

2 地質問題分析

2.1 滲漏問題

豫東地區上部地層多分布有砂壤土、輕粉質壤土、粉砂等少黏性土，具中等透水性，故水庫庫底或庫周多存在滲漏問題。另，庫區內分布的水井(民井、降水井等)均揭露下部砂層，成為天然的滲漏通道。

長距離引調而來的水源彌足珍貴，需采取合適的防滲處理措施。防滲處理措施應從施工工藝、工程投資、防滲效果、完工后影響等方面綜合分析比較。主要有下列幾種情況：

(1)庫底位于相對不透水的黏土層中、庫底下伏黏性土厚度足夠、庫區開挖料中可利用防滲土料儲量及質量指標滿足規范和設計等相關要求，則可采用水平防滲：黏性土換填的方式進行防滲處理。如引江濟淮工程(河南段)試量、后陳樓、七里橋調蓄水庫均采用此類防滲方式：設計對庫周砂壤土層進行換填處理，雖然黏性土換填需要將可利用的黏性土專門存放、晾曬，工序較多，但投資較低，優勢較大，只需合理安排好施工工序即可，故選擇黏性土置換對岸坡滲漏夾層進行防滲處理；在庫周遇到砂壤土時，將砂壤土在水平向挖除厚度不小于2.5m、向下進入黏性土不少于0.5m，然后換填為重粉質壤土，壓實度不小于0.98。

(2)庫底位于相對透水的砂性土層中、且庫底下伏砂性土較厚時，則可采用垂直防滲：如高壓噴射灌漿防滲墻、塑性混凝土防滲墻等方式進行防滲處理；若施工降排水問題突出、降水量大且工期較長時，亦可考慮垂直防滲處理措施。采用垂直防滲措施時，場區下部需具備適宜的相對不透水層作為隔水底板。如引江濟淮工程(河南段)新城調蓄水庫則采用此類防滲方式：庫底位于砂壤土層中，且庫周邊坡分布有砂壤土、輕粉質壤土層；現有水庫開挖的重粉質壤土厚度較薄、開挖難度大、儲量不足，需從土料場借土；場區地下水位較高，庫底截水槽開挖深度較深存在較大的施工期降排水難度，長期降排水對周邊環境產生不利影響；投資對比壤土鋪蓋防滲雖少于塑性混凝土防滲墻防滲，但減少幅度不大；塑性混凝土防滲墻防滲墻施工時，對庫區土方開挖影響不大，且在防滲墻閉合后，再開挖地下水位以下部分土方時，可減少施工期降排水的難度；綜合考慮選擇塑性混凝土防滲墻防滲墻方案。下部重粉質壤土層分布相對較穩定，作為垂直防滲處理隔水層。防滲墻沿堤防軸線布置，設計厚度為0.4m，其深度深入重粉質壤土層深度不少于1m，墻體滲透系數小于1×10-6cm/s。

(3)當庫底位于相對不透水的黏土層中，但下伏黏性土厚度不夠、且黏性土下部分布有承壓含水層時，在檢修工況下存在承壓水頂托破壞問題，則需采取垂直防滲處理措施，且需用更深處黏性土作為隔水底板；庫區開挖料中可利用防滲土料儲量及質量指標不滿足規范和設計等相關要求時，建議采取垂直防滲處理措施。

另外，庫區內分布的水井(民井、降水井等)需嚴格按照設計要求進行回填處理，防止成為天然的滲漏通道。在維護期庫水放空時，封堵不牢的水井亦是天然的涌水通道。

2.2 施工降排水問題

工程涉及地下水主要為淺層地下水，地下水主要類型為第四系松散層孔隙水，水位埋深一般為3.0～6.0m。地下水具動態變化特征，隨大氣降水量的增大而升高，多在7—9月份因集中降雨，水位多處于高值，因農業灌溉開采地下水在5—6月份水位多達到低值，地下水位年變幅一般1～3m。故工程施工過程中多存在施工降排水問題。

為保證干地施工，需采取合適的降排水措施。可采取井點降水、明溝排水等降排水措施。庫底地層巖性為砂性土時不宜采取明溝排水，因在降排水過程中砂性土易形成流砂現象，破壞庫底、護腳基面及坡腳的穩定；庫底下伏黏性土較薄時，因下部砂層中地下水多具承壓性，深挖排水溝會減少承壓水頂板上覆不透水層厚度，當不透水層厚度減少到臨界點時，會造成承壓水頂托破壞，造成突涌現象，進而破壞地基強度，并給施工帶來很大困難，故不宜采取明排法降排水；當采取垂直防滲施工時，在防滲墻閉合后，再開挖地下水位以下部分土方，可減少施工期排水的難度及排水量，并降低因降排水對周邊環境的影響。

宜在場區合理布置若干長觀井，在不同的勘察階段、不同季節進行地下水動態觀測，以便更全面、準確的查明場區地下水動態變化特征。

2.3 浸沒問題

調蓄水庫蓄水后將不同程度造成庫周地下水位的雍高，可能引起庫周浸沒問題。浸沒地下水埋深臨界值可按下式確定：

Hcr=Hk+ΔH

式中,Hcr—浸沒地下水埋深臨界值,m；Hk—土的毛管水上升高度,m；ΔH—安全超高值，m。

Hk測定方法可采用以下2種：①觀測法：選擇水位長期穩定的天然坑塘的朝陰面，然后剝離表層浮土，進行觀測；②試坑法：如果場區無合適的坑塘，則可利用人工開挖的試坑進行試驗測得，試坑開挖→灌水→保持水位穩定足夠的時間→自水面向上每間隔10cm取1組試樣→含水率試驗→繪制含水率與試樣高度曲線，當含水率線與該層試樣的塑限相交所對應的試樣高度則為該土層的毛細水上升高度。

對農業區，ΔH為所種植農作物的根系層的厚度；對城鎮和居民區，ΔH由建筑物基礎形式、荷載、砌置深度決定。

當Hcr大于調蓄水庫設計水位埋深時，則調蓄水庫運行一定時期后會產生浸沒問題。影響的大小由場區地層、農作物種類、建筑物類型、庫水位等綜合決定。為消除浸沒對庫周農田、建筑物的影響，在庫周可設截滲暗溝，深度需大于Hcr，暗溝內設軟式透水管，周圍回填中粗砂，中粗砂周圍鋪設土工布，其上回填砂壤土或壤土。截滲暗溝將庫內滲水引至周邊河、溝內排走。

2.4 邊坡穩定問題

該區調蓄水庫開挖深度一般5～7m，組成邊坡巖性主要為砂壤土、輕粉質壤土、重粉質壤土，局部為粉砂。砂壤土、輕粉質壤土、粉砂結構疏松，抗沖刷能力差，重粉質壤土呈可塑狀(局部軟塑狀)，強度偏低，自穩能力偏差。蓄水時水位升降和沖刷作用下易造成邊坡坍塌，存在邊坡穩定問題。

為保證水庫邊坡的安全，需采取相應的護砌措施。若采取現澆混凝土板護坡，需考慮冬季施工、混凝土面板上排水孔容易淤堵、易裂縫等問題；若采取砌石護坡，則需考慮石料采購難易問題等。預制混凝土塊：雖然預制的難度比較大、投資也相對較大，但施工工期短，可以不受季節影響；容易養護，維修管理方便；透水性較好，整體穩固性好；而且砌塊的尺寸可根據需要控制，生產過程可工廠化和標準化，大大縮短工期；整體美觀、環保。如引江濟淮工程(河南段)調蓄水庫岸坡防護材料選用0.18m厚的預制六邊形C25混凝土砌塊，整體效果較好。

根據地層揭露情況，結合工程類比，建議蓄水池邊坡坡比采用1∶2.00～1∶2.50。開挖較深時宜采用分級開挖，并設置馬道。施工時避免在水庫坡頂附近施加堆載，并加強基坑監測，必要時采取相應的保護措施，確保邊坡穩定。

2.5 環境地質問題

(1)地形地貌的改變。場區地處黃淮沖積平原，地勢平坦開闊，修建調蓄水庫需要移動大量的土方，而場區周邊多為耕地，水庫開挖及堆放渣土勢必會改變庫區一定范圍內的地形地貌。

對于工程多余的土方可與城市建設及附近在建的高速公路、鐵路等項目相結合，最大限度的減少對耕地的侵占。

(2)水文地質條件的改變。水庫蓄水后，若庫水位高于庫周地下水位，則存在庫水補給附近地下水，從而引起附近地下水為抬升；若庫水位低于庫周地下水位，則存在附近地下水補給庫水，從而引起附近地下水為下降。同時，工程運行后會阻斷上部含水層的徑流，引起局部地段地下水的繞排、抬升；庫水對場區地下水予以不同程度的補充產生浸沒問題等。對此需采取相應的處理措施，如對庫區內原有河、溝、渠改建，盡量保持其效能；在庫周布置排水溝，排泄地表水及涌高的地下水。

(3)水庫邊岸再造。邊坡重粉質壤土(局部為粉質黏土)黏粒含量較高，失水易干裂；砂壤土、粉砂、輕粉質壤土結構較疏松。邊坡在庫水沖刷及上部土層失水干裂等因素作用下，邊坡易產生塌岸，且在庫水的長期作用下，逐漸向庫外延伸，危害庫周的土地、公路及房屋建筑。對此需對邊坡采取相應的護砌措施。

(4)水庫淤積問題當引調水的水源含泥砂量大時，來水進入調蓄水庫后流速突然減慢，水流的搬運能力會下降，所挾泥砂在庫口堆積，形成水庫淤積。影響水庫的正常使用，縮短水庫使用壽命。對此類水庫宜前置沉砂池，減少泥砂的流入量，并根據淤積情況及時進行清淤。

3 結論

豫東平原因其獨特的地質特性，在該地區興建調蓄水庫具有相似的地質風險。本文通過對在建工程勘察成果總結，對本地區建設調蓄水庫可能存在的地質問題進行歸納，為類似平原水庫工程建設提供參考。本文未包含豫東地區調蓄水庫施工和運行中存在的所有地質風險，具體到某個工程需根據自身特點按相關規范、規程嚴格進行勘測、設計、施工及運行管理，以保障調蓄水庫的總體安全平穩運行。