周子?xùn)|，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(huán)境控制工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450008)

建設(shè)大型引調(diào)水工程能緩解缺水地區(qū)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(qū)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(diào)受水區(qū)周口供水配套工程(淮陽、項城、沈丘)等國家、省重點引調(diào)水項目，均布置有調(diào)蓄水庫。本文以豫東地區(qū)調(diào)蓄水庫地質(zhì)特性為例，論述其存在的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)問題，并提出相應(yīng)地質(zhì)建議及處理措施，為類似工程設(shè)計、建設(shè)提供參考。

1 地質(zhì)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(qū)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(qū)多為耕地、林地，分布較多民井。

1.2 地層巖性

工程區(qū)在大地構(gòu)造單元上為淮河臺向斜，長期下沉，該區(qū)發(fā)育有巨厚的第三系、第四系地層，厚度一般500～1000m，每個統(tǒng)、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(qū)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)上段沖積層，多為新近黃河、淮河支流沖積而成，屬黃泛區(qū)，具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)、巖相變化快、巖層多而薄、層厚差異大等特點。

場區(qū)揭露第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖積層巖性主要為輕粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、砂壤土、粉細砂等。工程區(qū)典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

1.3 水文地質(zhì)條件

影響工程建設(shè)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(tài)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(cè)向逕流，主要消耗于蒸發(fā)、人工開采及側(cè)向逕流排泄。地下水與渠水、河水水力聯(lián)系密切，在不同地段互相補給。

表1 場區(qū)主要土體滲透性試驗建議值表

2 地質(zhì)問題分析

2.1 滲漏問題

豫東地區(qū)上部地層多分布有砂壤土、輕粉質(zhì)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(qū)內(nèi)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(diào)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(yīng)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(qū)開挖料中可利用防滲土料儲量及質(zhì)量指標滿足規(guī)范和設(shè)計等相關(guān)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(diào)蓄水庫均采用此類防滲方式：設(shè)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(yōu)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?xí)r，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(zhì)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?guī)斓紫路靶酝凛^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(qū)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(diào)蓄水庫則采用此類防滲方式：庫底位于砂壤土層中，且?guī)熘苓吰路植加猩叭劳?、輕粉質(zhì)壤土層；現(xiàn)有水庫開挖的重粉質(zhì)壤土厚度較薄、開挖難度大、儲量不足，需從土料場借土；場區(qū)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(huán)境產(chǎn)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(qū)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(zhì)壤土層分布相對較穩(wěn)定，作為垂直防滲處理隔水層。防滲墻沿堤防軸線布置，設(shè)計厚度為0.4m，其深度深入重粉質(zhì)壤土層深度不少于1m，墻體滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s。

(3)當(dāng)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(qū)開挖料中可利用防滲土料儲量及質(zhì)量指標不滿足規(guī)范和設(shè)計等相關(guān)要求時，建議采取垂直防滲處理措施。

另外，庫區(qū)內(nèi)分布的水井(民井、降水井等)需嚴格按照設(shè)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(tài)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(nóng)業(yè)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?？刹扇【c降水、明溝排水等降排水措施。庫底地層巖性為砂性土?xí)r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(xiàn)象，破壞庫底、護腳基面及坡腳的穩(wěn)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(dāng)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(xiàn)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(dāng)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(huán)境的影響。

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

2.3 浸沒問題

調(diào)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(wěn)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(qū)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(wěn)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(dāng)含水率線與該層試樣的塑限相交所對應(yīng)的試樣高度則為該土層的毛細水上升高度。

對農(nóng)業(yè)區(qū)，ΔH為所種植農(nóng)作物的根系層的厚度；對城鎮(zhèn)和居民區(qū)，ΔH由建筑物基礎(chǔ)形式、荷載、砌置深度決定。

當(dāng)Hcr大于調(diào)蓄水庫設(shè)計水位埋深時，則調(diào)蓄水庫運行一定時期后會產(chǎn)生浸沒問題。影響的大小由場區(qū)地層、農(nóng)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(nóng)田、建筑物的影響，在庫周可設(shè)截滲暗溝，深度需大于Hcr，暗溝內(nèi)設(shè)軟式透水管，周圍回填中粗砂，中粗砂周圍鋪設(shè)土工布，其上回填砂壤土或壤土。截滲暗溝將庫內(nèi)滲水引至周邊河、溝內(nèi)排走。

2.4 邊坡穩(wěn)定問題

該區(qū)調(diào)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(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土，局部為粉砂。砂壤土、輕粉質(zhì)壤土、粉砂結(jié)構(gòu)疏松，抗沖刷能力差，重粉質(zhì)壤土呈可塑狀(局部軟塑狀)，強度偏低，自穩(wěn)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(wěn)定問題。

為保證水庫邊坡的安全，需采取相應(yīng)的護砌措施。若采取現(xiàn)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(yù)制混凝土塊：雖然預(yù)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(jié)影響；容易養(yǎng)護，維修管理方便；透水性較好，整體穩(wěn)固性好；而且砌塊的尺寸可根據(jù)需要控制，生產(chǎn)過程可工廠化和標準化，大大縮短工期；整體美觀、環(huán)保。如引江濟淮工程(河南段)調(diào)蓄水庫岸坡防護材料選用0.18m厚的預(yù)制六邊形C25混凝土砌塊，整體效果較好。

根據(jù)地層揭露情況，結(jié)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(shè)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(jiān)測，必要時采取相應(yīng)的保護措施，確保邊坡穩(wěn)定。

2.5 環(huán)境地質(zhì)問題

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

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

(2)水文地質(zhì)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(qū)地下水予以不同程度的補充產(chǎn)生浸沒問題等。對此需采取相應(yīng)的處理措施，如對庫區(qū)內(nèi)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(zhì)壤土(局部為粉質(zhì)黏土)黏粒含量較高，失水易干裂；砂壤土、粉砂、輕粉質(zhì)壤土結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(yīng)的護砌措施。

(4)水庫淤積問題當(dāng)引調(diào)水的水源含泥砂量大時，來水進入調(diào)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(jù)淤積情況及時進行清淤。

3 結(jié)論

豫東平原因其獨特的地質(zhì)特性，在該地區(qū)興建調(diào)蓄水庫具有相似的地質(zhì)風(fēng)險。本文通過對在建工程勘察成果總結(jié)，對本地區(qū)建設(shè)調(diào)蓄水庫可能存在的地質(zhì)問題進行歸納，為類似平原水庫工程建設(shè)提供參考。本文未包含豫東地區(qū)調(diào)蓄水庫施工和運行中存在的所有地質(zhì)風(fēng)險，具體到某個工程需根據(jù)自身特點按相關(guān)規(guī)范、規(guī)程嚴格進行勘測、設(shè)計、施工及運行管理，以保障調(diào)蓄水庫的總體安全平穩(wěn)運行。