#南方低水頭徑流式電站的水庫(kù)浸沒(méi)問(wèn)題李寧新（中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司廣州510611）摘要水庫(kù)浸沒(méi)是低水頭徑流式電站水庫(kù)的主要環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題之一。工程實(shí)踐表明，對(duì)南方河槽型水庫(kù)或平原水庫(kù)，規(guī)范［1］及手冊(cè)［2］提供的預(yù)測(cè)方法與實(shí)際不符。本文根據(jù)河流一級(jí)階地（含高漫灘）水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特殊性，分析水庫(kù)蓄水后兩岸地下水動(dòng)力條件的變化，提出一級(jí)階地宜采用承壓水計(jì)算模式預(yù)測(cè)兩岸地下水雍高；論證岸后承壓滲流場(chǎng)作用下形成的浸沒(méi)實(shí)質(zhì)是粘性土蓋層的“弱結(jié)合水浸沒(méi)”。同時(shí)，針對(duì)浸沒(méi)區(qū)承壓滲流和“弱結(jié)合水浸沒(méi)”特征，分析了常見(jiàn)的治理措施存在的問(wèn)題，提出了徹底治理建議關(guān)鍵詞河槽型水庫(kù)平原水庫(kù)水庫(kù)浸沒(méi)弱結(jié)合水浸沒(méi)壓滲（填高）復(fù)墾前言受地形地貌條件限制和考慮水庫(kù)淹沒(méi)因素，低山丘陵盆地區(qū)及三角洲平原區(qū)則只能修建低水頭徑流式電站或綜合樞紐。低水頭徑流式電站正常蓄水位一般限制在河流一級(jí)階地附近，形成河槽型水庫(kù)；不少樞紐還為抬高水頭而需要靠?jī)砂兜谭罁跛蓭?kù)，形成正常蓄水位高于兩岸一級(jí)階地的平原水庫(kù)。因水庫(kù)蓄水抬高河水位導(dǎo)致兩岸地下水位雍高而產(chǎn)生水庫(kù)浸沒(méi)，是低水頭徑流式電站水庫(kù)的主要環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題之一。工程實(shí)踐表明，對(duì)南方河槽型水庫(kù)，由于地質(zhì)環(huán)境的區(qū)域性及水庫(kù)工程條件的差異性，按照規(guī)范［1］及手冊(cè)［2］提供的方法預(yù)測(cè)的結(jié)果明顯偏大；而對(duì)正常蓄水位高于兩岸一級(jí)階地的平原水庫(kù)，由于實(shí)際工況與規(guī)范［1］及手冊(cè)［2］提供的預(yù)測(cè)模型差異較大，不再適用其地下水雍高計(jì)算公式，以致水庫(kù)浸沒(méi)預(yù)測(cè)缺乏依據(jù)。研究表明，一級(jí)階地水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)是一級(jí)階地地下水滲流場(chǎng)的控制性因素［3］。本文在分析水庫(kù)浸沒(méi)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)河流一級(jí)階地（含高漫灘）水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特殊性，分析河槽型或平原型水庫(kù)蓄水后兩岸地下水動(dòng)力條件的變化，提出具“二元結(jié)構(gòu)”的一級(jí)階地宜采用承壓水計(jì)算模式預(yù)測(cè)兩岸地下水雍高；根據(jù)結(jié)合水動(dòng)力學(xué)研究成果分析［4，］論證岸后承壓滲流場(chǎng)作用下形成的浸沒(méi)實(shí)質(zhì)是粘性土蓋層的“弱結(jié)合水浸沒(méi)”。同時(shí)，針對(duì)水庫(kù)蓄水后一級(jí)階地形成的承壓滲流特征，分析了常見(jiàn)的治理措施存在的問(wèn)題，提出了徹底治理建議。水庫(kù)浸沒(méi)研究現(xiàn)狀水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)現(xiàn)狀在中國(guó)，自官?gòu)d水庫(kù)蓄水(1955年)運(yùn)行后出現(xiàn)嚴(yán)重的水庫(kù)浸沒(méi)問(wèn)題以后，水庫(kù)浸沒(méi)問(wèn)題成為水庫(kù)工程地質(zhì)四大問(wèn)題之一。七十年代出版的經(jīng)典著作——《水利水電工程地質(zhì)》，根據(jù)官?gòu)d水庫(kù)等北方水庫(kù)浸沒(méi)情況總結(jié)出一套預(yù)測(cè)方法［5］,以后的規(guī)范［1］及手冊(cè)［2］都以此為藍(lán)本，絕大部分水利水電工程的水庫(kù)浸沒(méi)預(yù)測(cè)一般按照規(guī)范［1］及手冊(cè)［2］提供的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行。對(duì)具“二元結(jié)構(gòu)”的一級(jí)階地的地下水雍高計(jì)算，采用卡明斯基公式(如圖1)：兀MG-扎)+*屁(押-陽(yáng))=KiM(y-yf)式中:K1—下層含水層滲透系數(shù)(m/d)；K2—上層含水層滲透系數(shù)(m/d)；y—水庫(kù)正常蓄水位(m)；y—地下水壅高后，計(jì)算斷面上的含水層厚度(m)；XM—下層含水層厚度(m)；h,h—水庫(kù)蓄水位提高前在斷面1,n處的含水層厚（m）。X工程實(shí)踐表明，對(duì)南方河槽型水庫(kù)的一級(jí)階地，按照上述方法計(jì)算地下水雍高作出的預(yù)測(cè)結(jié)果明顯偏大。為此，有的工程采用調(diào)整浸沒(méi)標(biāo)準(zhǔn)修正水庫(kù)浸沒(méi)預(yù)測(cè)［6］，有的運(yùn)用結(jié)合水動(dòng)力學(xué)修正（降低）地下水雍高預(yù)測(cè)［7］，均可在一定程度上減少預(yù)測(cè)的浸沒(méi)范圍，但地下水雍高計(jì)算仍然采用卡明斯基公式，未能從根本上解決預(yù)測(cè)結(jié)果明顯偏大的問(wèn)題。有些工程干脆采用經(jīng)驗(yàn)方法，把正常蓄水位線以上lm（以內(nèi)）定為農(nóng)田浸沒(méi)范圍［8］。深入分析卡明斯基公式：由于上覆粘土K2很小，下伏砂礫層￡很大，K2<<牟，不考慮上覆粘土的潛水側(cè)向補(bǔ)給，令K2~0,卡明斯基公式可以簡(jiǎn)化為h—hx=y—yx即yx—hx=y—h簡(jiǎn)化式反映出：水庫(kù)蓄水后，兩岸地下水呈承壓水線性補(bǔ)給水庫(kù)，庫(kù)水抬高多少，地下水相應(yīng)同步雍高多少；而且雍高后的近庫(kù)岸地段地下水位較低，似乎浸沒(méi)程度更低，雍高后的遠(yuǎn)庫(kù)岸地段地下水位更高，似乎浸沒(méi)程度更高，顯然與工程實(shí)際不符。此外，對(duì)正常蓄水位高于兩岸一級(jí)階地的平原水庫(kù)，由于實(shí)際工況與規(guī)范［2］及手冊(cè)［3］提供的預(yù)測(cè)模型差異較大：蓄水后，兩岸地下水不再是由岸補(bǔ)給河床，而是改變?yōu)閹?kù)水補(bǔ)給地下水，地下水雍高計(jì)算不再適用卡明斯基公式，有人建議選擇滲水模型的浸潤(rùn)線公式預(yù)測(cè)地下水雍高［9］。1.2水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)研究意義一方面，原來(lái)發(fā)電效益不佳的低水頭電站越來(lái)越多地以環(huán)境水利或資源水利工程的形式出現(xiàn)，低水頭徑流式電站水庫(kù)浸沒(méi)問(wèn)題隨之引起越來(lái)越多的重視。如潮州水利樞紐為代表的韓江干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)、東江水利樞紐為代表的東江中下游梯級(jí)開(kāi)發(fā)，還有北江清遠(yuǎn)梯級(jí)和湖南湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐等，水庫(kù)浸沒(méi)問(wèn)題舉足輕重。另一方面，隨著新時(shí)期治水思路的提出，水庫(kù)環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題確實(shí)需要加強(qiáng)研究，才能滿足現(xiàn)代水利對(duì)工程地質(zhì)的要求。筆者認(rèn)為，一級(jí)階地土質(zhì)及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊是手冊(cè)［2］提供的預(yù)測(cè)方法在南方低水頭徑流式電站水庫(kù)失效的根本原因，一級(jí)階地水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)是控制南方低水頭徑流式電站水庫(kù)浸沒(méi)的關(guān)鍵因素。從河谷地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析入手，分析河槽型或平原型水庫(kù)蓄水后兩岸地下水動(dòng)力條件的變化，采用承壓水計(jì)算模式預(yù)測(cè)兩岸地下水雍高，可以從根本上解決預(yù)測(cè)結(jié)果明顯偏大的問(wèn)題。一級(jí)階地水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及岸后地下水動(dòng)力條件的變化強(qiáng)透水層的堤后封閉產(chǎn)出由于正常蓄水位多限制在河流一級(jí)階地附近，階地沖積層下部與河水連通的是河床相的強(qiáng)透水層（砂層及砂卵礫層），受河床擺動(dòng)范圍限制，它一般在階地后緣尖滅或消失，周邊不是受基巖風(fēng)化殘丘所限，就是受阻于高階地粘性土層，即所謂強(qiáng)透水層在堤后（平面上）呈封閉產(chǎn)出。強(qiáng)透水層在堤后（平面上）封閉產(chǎn)出的范圍，就是可能產(chǎn)生浸沒(méi)的區(qū)域。如圖2－1。圖2－1一級(jí)階地水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖強(qiáng)透水層的上、下封閉結(jié)構(gòu)一級(jí)階地沉積具二元結(jié)構(gòu)，上部細(xì)粒土以粘、壤土為主，滲透系數(shù)K]V1X10-4cm/s,為弱?微透水層；下部粗粒土為砂和砂卵礫石層，一般K2>1X10-2cm/s,為強(qiáng)?極強(qiáng)透水層；下伏基巖多為弱?微透水層，即使是巖溶地區(qū)，深部亦存在相對(duì)弱透水層。由此構(gòu)成一級(jí)階地下部強(qiáng)透水層在剖面上的封閉結(jié)構(gòu)。一旦河水位抬高至上部細(xì)粒土（弱?微透水層））底面以上，在上述特殊的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的岸后承壓水封閉系統(tǒng)中，形成一種筆者俗稱為“滲而不流”的承壓滲流場(chǎng)。2X10HH弱透水層土堤K?>1X|0*:2X10HH弱透水層土堤K?>1X|0*:二強(qiáng)透水層卒磁％不透水層江水圖3-1岸后承壓水頭的線性分布蓄水后岸后地下水動(dòng)力條件的變化水庫(kù)蓄水后，岸后地下水隨庫(kù)水位抬高而上升，一旦河水位抬高至上部細(xì)粒土（弱?微透水層）底面以上，即形成岸后承壓滲流場(chǎng)。大江大河一級(jí)階地沉積相對(duì)較穩(wěn)定，含水層（砂礫層）可視為均質(zhì)各向同性，有承壓水的水頭線方程：H-HH=H—一2XiL水庫(kù)蓄水后，形成的岸后承壓滲流場(chǎng)具有如下特征［3］：（1）承壓水滲透速度緩慢；（2）岸后承壓水頭損失很小，水力坡降小，i<0.01；（3）岸后外水力聯(lián)系密切，漲落同步，近乎靜水壓力傳遞；（4）岸后承壓水分布范圍廣，且在強(qiáng)透水層范圍內(nèi)水頭呈線性分布。河槽型或平原型水庫(kù)浸沒(méi)的實(shí)質(zhì)水庫(kù)蓄水后，岸后地下水隨庫(kù)水位抬高而上升，一旦河水位抬高至上部細(xì)粒土（弱?微透水層）底面以上，即形成岸后承壓滲流場(chǎng)。不同于潛水雍高形成的浸沒(méi)，岸后承壓滲流場(chǎng)作用下形成的浸沒(méi)實(shí)質(zhì)是粘性土蓋層的“弱結(jié)合水浸沒(méi)”。結(jié)合水動(dòng)力學(xué)研究表明［4］，對(duì)于可塑狀粘性土，孔隙中自由液態(tài)水已完全消失，其所含的水是弱結(jié)合水。弱結(jié)合水既有固體性質(zhì)（即具有抗剪強(qiáng)度），又有液體性質(zhì)，只有在外力克服結(jié)合水抗剪強(qiáng)度時(shí)才能發(fā)生流動(dòng)，消耗于克服結(jié)合水阻力

的能量，就是起始水力坡降10。因此，在下伏含水層承壓水頭H0長(zhǎng)期作用下，上覆粘性土中形成的是含水帶，如圖4-1。根據(jù)結(jié)合水動(dòng)力學(xué)研究成果，含水帶與下伏含水層承壓水頭H0的關(guān)系如下:式中T初見(jiàn)水位距下伏含水層頂板距離；圖4-1粘性土蓋層含水帶H。由含水層頂板起算的下伏含水層測(cè)壓水位高度；I°起始水力坡度。從上式可知，當(dāng)10>0時(shí),TvH°。而只要是粘性土，I0必大于0,因而T必小于H°，亦即粘性土中的實(shí)際地下水位總是低于下伏含水層測(cè)壓水位所能達(dá)到的高度。正是由于含水帶頂面低于承壓水頭，以致直接采用承壓水頭H°預(yù)測(cè)浸沒(méi)明顯偏高。另?yè)?jù)文獻(xiàn)[7],從作物栽培學(xué)的角度看，根系的最大入土深度一般可達(dá)到1?2m,但其70%分布在地表30cm土層范圍內(nèi)，90%分布在地表50cm土層范圍內(nèi)。大于50cm埋深范圍的根系，只在作物生長(zhǎng)過(guò)程中的某個(gè)時(shí)期及一定程度上可能構(gòu)成產(chǎn)量影響因素,而不會(huì)對(duì)作物的成活構(gòu)成威脅。綜合上述兩方面，經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法把正常蓄水位線以上1m（以內(nèi)）才定為農(nóng)田浸沒(méi)范圍是合理的：一方面，實(shí)際地下水位總是低于下伏含水層測(cè)壓水位（與正常蓄水位相當(dāng)）所能達(dá)到的高度；另一方面，大部分農(nóng)作物根系埋深達(dá)50cm就滿足正常生長(zhǎng)要求。值得進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)的是，含水帶中充滿的是結(jié)合水，與充滿自由重力水的含水層（潛水）有本質(zhì)區(qū)別。由此決定了地表排水系統(tǒng)對(duì)粘性土蓋層“弱結(jié)合水浸沒(méi)”不僅難于奏效，而且人為挖薄粘性土蓋層的部位，易變成產(chǎn)生“管涌”的薄弱部位。只有通過(guò)有效滲控措施降低下伏含水層承壓水頭H。，才能使其上覆粘性土蓋層免遭“弱結(jié)合水浸沒(méi)”。水庫(kù)浸沒(méi)預(yù)測(cè)方法可能浸沒(méi)的最大范圍不少地區(qū)與一級(jí)階地地面高程相當(dāng)?shù)呐_(tái)地范圍很大，但并非都是一級(jí)階地，即使都是一級(jí)階地，遠(yuǎn)離河岸地區(qū)往往多是漫灘相沉積，即粘性土下缺乏強(qiáng)透水層與庫(kù)水連通，如果只按“雍高后地下水位＋臨界埋深”得出的可能浸沒(méi)高程圈定可能浸沒(méi)的最大范圍，可能出現(xiàn)較大偏差。實(shí)際上，只有強(qiáng)透水層在堤后（平面上）封閉產(chǎn)出的范圍，才是可能浸沒(méi)的最大范圍。因此，水庫(kù)浸沒(méi)區(qū)勘察需要安排跨越不同地貌單元的水文地質(zhì)剖面，才能有效控制“可能浸沒(méi)的最大范圍”。浸沒(méi)預(yù)測(cè)明確了可能浸沒(méi)的最大范圍后，仍然可以按傳統(tǒng)預(yù)測(cè)程序進(jìn)行：1）地下水雍高計(jì)算由于水庫(kù)蓄水后，岸后承壓水頭在強(qiáng)透水層范圍內(nèi)水頭呈線性分布，而且承壓水頭損失很小，水力坡降?。╥vO.Ol）,長(zhǎng)期蓄水更將使岸后承壓水頭在強(qiáng)透水層范圍內(nèi)接近水庫(kù)蓄水位。因此，可以直接采用水庫(kù)長(zhǎng)期蓄水位作為岸后承壓水頭，按含水帶厚度計(jì)算公式計(jì)算出含水帶頂面高程，就可以視為雍高后的地下水位高程。其中，起始水力坡度10,據(jù)文獻(xiàn)⑺實(shí)測(cè)，其平均值為094,小值平均值為064。基于安全考慮，實(shí)際運(yùn)用時(shí)I。取小值平均值。2）浸沒(méi)高程確定無(wú)論從理論上，還是工程實(shí)踐中，以農(nóng)作物根系是否進(jìn)入含水帶作為評(píng)價(jià)是否產(chǎn)生浸沒(méi)的原則，對(duì)于南方水庫(kù)都是合適的。雖然農(nóng)作物根系的最大入土深度一般可達(dá)到1?2m,但90%分布在地表50cm土層范圍內(nèi)［刀。因此，以“含水帶頂面高程+1m”作為浸沒(méi)高程，可以滿足南方水庫(kù)浸沒(méi)評(píng)價(jià)要求。對(duì)于缺乏I0試驗(yàn)值的中小型工程，經(jīng)驗(yàn)方法簡(jiǎn)化采用“水庫(kù)蓄水位+1m”亦可以滿足要求。5浸沒(méi)治理措施分析5.1垂直防滲難于奏效垂直防滲被人為是堤基防滲處理措施中最為有效的方法?！?8”洪水后，各種防滲墻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，尤其是薄防滲墻技術(shù)的不斷完善提高，使防滲墻造價(jià)大幅降低，更易于推廣。但是，實(shí)踐證明，對(duì)于必須通過(guò)降低岸后承壓水頭的水庫(kù)浸沒(méi)治理而言，垂直防滲難于奏效。一方面，由于堤基存在的強(qiáng)透水層沿堤線連續(xù)分布很長(zhǎng)（以km計(jì)），堤基防滲處理僅針對(duì)堤后蓋層厚度不足或地勢(shì)較低的局部堤段，因而常形成局部截滲?！皾B而不流”條件下，承壓滲流場(chǎng)呈近乎靜水承壓，理論上只有全封閉才能真正減壓，局部截滲試圖用延長(zhǎng)繞滲途經(jīng)而達(dá)到減壓目的缺乏理論依據(jù)。工程實(shí)踐亦表明，多數(shù)局部截滲的防滲墻難于奏效，少數(shù)能起減壓效果的堤段與其堤后具較好天然排水條件有關(guān)，如堤后存在溝、渠、塘等。另一方面，大江大河堤基存在的強(qiáng)透水層，不僅沿堤線連續(xù)分布很長(zhǎng)（以計(jì)），而且厚度較大，堤基截滲處理難于做到全截式，即使做了全截式，由于強(qiáng)透水層厚度大，亦即防滲墻深度大，超薄防滲墻連續(xù)性難于保證，易形成事實(shí)上的懸掛式防滲，對(duì)“滲而不流”模式而言，直觀地理解，就像在靜水環(huán)境中插入一塊懸空防滲（墻）板，滲壓通道貌似縮窄，但靜水壓力傳導(dǎo)通暢依舊，因而無(wú)法減壓；理論上分析，懸掛式防滲的根本目的是通過(guò)延長(zhǎng)滲徑而增加水頭損失、減少滲漏量，但是，這種企圖只有在水流起來(lái)的前提下才能實(shí)現(xiàn)?！皾B而不流”條件兀，2承壓滲流場(chǎng)呈近乎靜水承壓，承壓滲流水力梯度非常平緩（千分之幾），i=34按L,由于其中的水頭差（h3-h4）-0,因而滲徑（L）的作用無(wú)從體現(xiàn)。此外，對(duì)于截滲處理，一般把基巖視為相對(duì)不透水層。事實(shí)上，基巖頂部常見(jiàn)中等甚至是強(qiáng)透水層，全截式防滲墻一般未能截?cái)嗷鶐r滲漏，同樣可能導(dǎo)致形成事實(shí)上的懸掛式防滲，以至以減壓為目的的防滲措施失效。排水減壓有效加強(qiáng)排水，能使?jié)B徑L發(fā)揮產(chǎn)生沿程水頭損失的作用。懸掛式防滲延長(zhǎng)滲徑的企圖只有在水流起來(lái)的前提下才能實(shí)現(xiàn)，因而必須與有效排水措施相結(jié)合。據(jù)此原理,對(duì)事實(shí)上的懸掛板墻,只要堤后加強(qiáng)排水,就可以最大限度地發(fā)揮其延長(zhǎng)滲徑而增加水頭損失的作用，可能取得較好的減壓效果。但需強(qiáng)調(diào),通常采用的地表（挖溝）排水系統(tǒng)對(duì)粘性土蓋層“弱結(jié)合水浸沒(méi)”不僅難于奏效，而且人為挖薄粘性土蓋層的部位，易變成產(chǎn)生“管涌”的薄弱部位。對(duì)深厚強(qiáng)透水地基，因?yàn)槿霛B潛能太大,需要系統(tǒng)的排水措施才能在堤后形成與之相匹配的（減壓）排水條件。此外，減壓井易堵塞、運(yùn)行維護(hù)工作量大的缺點(diǎn)突出。壓滲（填高）復(fù)墾徹底如上所述，對(duì)于岸后承壓滲流場(chǎng)作用下形成的粘性土蓋層的“弱結(jié)合水浸沒(méi)”，常規(guī)防滲排水措施均不可靠，甚至還帶來(lái)“管涌”威脅。參照堤防滲控思路，建議采用壓滲（填高）復(fù)墾的方法，既可以增加蓋重，以抗衡作用于蓋層底板的承壓水壓力，避免堤腳附近發(fā)生有害“管涌”，同時(shí)將浸沒(méi)區(qū)全面填高至一定高程再作復(fù)墾，可以徹底避免粘性土蓋層的“弱結(jié)合水浸沒(méi)”。對(duì)于全面填高方案，回填土料及回填高程的選定直接影響到投資，甚至影響到方案本身是否成立。筆者建議，對(duì)于新建工程，可以采用擋土墻護(hù)岸＋全面填高至蓄水位高程的方案；對(duì)于已建工程的浸沒(méi)治理，可以采用多層結(jié)構(gòu)：底層回填土料可以利用施工或清庫(kù)棄渣，復(fù)墾耕植土之下設(shè)置一定厚度的、由均質(zhì)土料填筑的弱透水保水層，棄渣層與弱透水保水層之間，設(shè)置透水夾心層阻斷毛細(xì)水，配合預(yù)留排水溝，以保證復(fù)墾耕植土及其下伏弱透水保水層不再受岸后承壓水頭的影響為原則，優(yōu)化（降低）回填高程。6結(jié)論1）本文分析表明，一級(jí)階地土質(zhì)及水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊，水庫(kù)蓄水后，岸后地下