平原型水库浸没治理措施探讨

《湖南水利水电）２００８年第５期　原燮　摩凝　辫　探　＇　＇’＇＇＇ｌ＇，，ｌ＇＇ｌｌｌ’，ｌ，＇ｌｌ　ｌｌ’　，ｌ　＇＇ｌ＇＇ｌ，’）１），＇ｌｌ　ｌｌ＇　ｌ，’　＇ｌ＇ｌ＇，　ｌ＇＇　ｌｌ，　ｌ，＇　，＇＇　ｌ，，　，，１　＇，　余际可　黄　辉　（湖南省水利厅　长沙市４１０００７）（湖南省建筑设计院　长沙市４１０００７）　【摘　要】　浸没问题是平原型水库主要地质灾害之一。文章对浸没范围预测方法提出了看法，研究浸　没治理措施时应和垸内渗透稳定问题统筹考虑，根据天然铺盖情况采用减压及压渗综合措施进行治理。　【关键词】　平原水库浸没减压井压渗　建国以来，湖南省水利建设取得了长足的发展，一些调　蓄性能好、经济效益佳的水电站已先期开发。目前，在建和拟　建的水电站多以径流式电站为主，其特点是水面囿于河槽，　ｅ广　定水位（日　）　／　１／＇　ｊ　见水位（　，ｃ）　称为“河槽型水库”或两岸建堤，正常蓄水位超越一级阶地称　／　ｌ：：：：：：：２　２：２：：：：：　含水唏：Ｈ：：　为“平原型水库”。这类水库的共同特点：一是发电效益欠佳，　Ｏ。　０　Ｏ０　。舍　层　；　常需借助环境水利，从市政、生态、景观等综合社会效益论证　其可行性；二是由冲积阶地构成的库岸段均为二元地层结　图１　浸没预测计算示意图　构，即上部为粘土、粉粘、壤土组成的相对不透水层，渗透系　数　＜１ｘｌ０　ｃｍ／ｓ；下部主要为砂砾石，部分带粉细砂，一般　鲁　（１）　Ｋ２＞１０。ｃｍ／ｓ，两者渗透值相差３～４个量级；二是库区二元结　式中　卜含水带厚，由初见水位至下伏含水层顶板距离；　构的下部砂砾石含水层为一单独的承压含水层，和库区上部　丑广由含水层顶板起算的下伏含水层测压水位高度；　粘性土内的上层滞水，两者不为同一水文地质单元；三是库　，厂起始水力坡度。　区内四大地质问题（渗漏、浸没、塌岸、淤积）中的浸没问题最　当　值大于粘土厚度６时，将会产生浸没。　为普遍，某些工程如广东省的北江大堤、潮洲水利枢纽为代　采用“起始水力坡度”法，按式（１）计算后，较好地解决了　表的韩江干流梯级开发及湖南省的长沙综合枢纽等工程浸　二元结构库区浸没范围预测问题。据文献Ⅲ对大量实测资料　没问题尤为严重，其浸没处理费用已占到全部工程造价的　统计分析，起始水力坡度，０平均值为０．９４，小值平均值为　４０％左右。因此，认真研究浸没处理措施，至关重要。笔者根据　０．６４。为安全计，实际运用时，，０取小值平均值。具体到库区工　平原型水库的特点，对此类库区的浸没处理问题进行探讨并　程的某一垸区时，仍须通过该区的勘探资料，算出各自的起　提出看法。　始水力坡度，ｎ。　１水库浸没范围预测方法　（３），０计算值产生差异的原因。采用“起始水力坡度”法　后，一些工程在采用式（１）计算厶值时，得出的结果仍不相同，　水库浸没范围预测方法，已有不少文献Ｉｌ＿团进行了较深入　有时相差较大，其原因分析如下：　的研究：　根据达西定律，由图１，令ＡＨ＝Ｈｏ－Ｔ，ＡＬ＝Ｔ，可得　（１）最初，对二元结构地层采用水文地质理论计算地下　Ｈｏ－Ｔ　（２）　水壅高值（卡明斯基公式），以确定水库浸没范围。预测结果　＝丁一与水库运行实际情况不符，据湖南省对已建成多年的大源　由式（２）可导出式（１）。　渡、白鱼潭、近尾洲、南津渡等水库调查资料，按照该法预测　求，０时，应通过勘探，取得上部粘性土层的含水带厚度　将产生浸没的地区却未发现明显的浸没现象，预测值明显偏　及下部承压含水层的测压水头凰，由式（２）算出起始水力坡　大。目前，二元结构地区一般已不再使用这一方法嘲。　度，ｎ。　（２）文献Ⅲ根据粘性土层存在“起始水力坡度”　，粘性土　但某些工程求，０值是通过任选一钻孔，测出其初见水位　中的实际地下水位总是低于下伏含水层（即砂卵石层，下同）　（日　）、稳定水位（日　）及含水带厚“　’值，再求出　，以　表示　测压水位所能达到的高度导出如下关系式（图１）：　（图１）。　余际可黄辉，，平原型水库浸没治理措施探讨　虽　（３）　浆堤段一般长（５．０～１５）ｋｍ左右，每公里堤段喷浆的结合点达　５００多个（按孔距２．０　ｍ计），要求在每个接合点，自下而上结　比较式（２）和式（３），可以发现，“日　～日　”是小于“日ｏ＿一　”　合紧密，无渗水通道绝非易事，湖南省澧县黄沙湾高喷防渗　的。其中“７Ｔ＂即为初见水位日ｃ时的含水带厚，但圩。却大于稳　墙效果很不理想，即可为鉴。　定水位日　时的相应水深，因为由ｎｏ到堤后的　，还有一个　由于上述原因，不少工程（如广东北江大堤堤基渗控分　沿程损失。因此，用式（３）算出的，０　必然要小于式（２）算出的　析）均不推荐高喷防渗墙等垂直防渗方案。　值。据统计　测值一般在ｏ．１－ｏ．８之间，大部分都在ｏ．３左　３－２减压、压渗等综合措施有效　右，较式（２）算出的，０值（平均值ｏ．９４，小值平均值ｏ．６４）偏小　一般堤基防渗的方法应为“前堵后排”，即在垸外用粘土　甚多，导致含水带“　”值偏厚、浸没范围偏大的后果。　或塑膜铺盖，以延长渗经，但库区大堤一般无宽阔的外滩，若　２浸没处理原则及要点　在堤内采用垂直铺膜防渗，又有前叙的截断地下水自由交换　之弊，且施工较难。因此可以在堤背不远处采用排渗沟或减　２．１　充分利用天然粘土铺盖的防渗作用　压井。对二元结构且上层不厚时，可将表面不透水层挖沟截　（１）以长沙综合枢纽库区为例，据历史资料，在一般洪　断，沟底直达透水层，形成减压排渗沟，可大大降低地下水　水情况下（相当Ｐ＝ｌＯ％）即水位为（３４．８～３５．３）ｍ，９　＝１８　ｏｏｏ　位，减低不透水层底部承压水头达到浸没治理的目的。　ｍ３／ｓ，历时约７～１５　ｄ时，不存在防洪抢险问题，表明天然粘土　当上层透水层较厚，挖排渗沟不经济，可在堤内侧设减　铺盖在起作用。长沙枢纽治理浸没的设计水位为３１．３０　ＩＴＩ．尚　压井，穿过弱透水层直达强透水层进行排水减压。　低于上述水位。因此，在研究浸没治理方案时应考虑此因素。　实践表明：对于堤基为二元多或多层结构时，采用排渗　（２）笔者２００２年参加过三峡库区开县的一个防护工程　沟或减压井是一种十分有效的消减堤后剩余水头，治理浸没　的设计审查，该工程堤基为二元结构，透水层顶板以上挡水　确保渗透稳定的措施。　深度　＝２０　ｍ，堤基采用塑性混凝土防渗墙，直达砂卵石层以　减压井在国内首用于水库浸没治理的有沭河大官庄工　下相对不透水层（基岩）。按照粘土渗透坡降　＝５～１０，渗流坡　程、黄壁压、龙门、岳城、白黾山及大栗子、梅城等，其后长江　降［，ｏ］＝Ｏ＿３５，要求粘土厚度为２ｏ／（５～１０）：（２～４）ｍ，粘土带宽度　荆江大堤、广东北江大堤作渗透稳定处理采用减压井取得了　为２０／０．３５＝６０　ｍ。而现有天然粘土厚度（８　ｍ）及宽度（２００　ｍ　一些经验，湖南省大源渡、近尾洲及遥田等电站库区采用减　以上）均大于要求的粘土厚度与宽度，因此将堤基的混凝土　压井治理浸没也取得了较好的效果。　防渗墙全部取消，工程建成后运行情况良好。　如遥田电站库区油屋垸，所处的枫水滩平原是由河水冲　２．２将库区堤垸的渗透稳定和浸没治理措施统筹考虑　积形成的Ｉ、ＩＩ级阶地构成，冲积层厚（１０～１２）ｍ，呈椭圆形，三　堤垸的渗透稳定和浸没原因都是水头偏高、粘土层较　面环水，南临丘陵山地，垸内大部分地区低于外河水位，地层　薄。考虑治理措施时应优先满足渗透稳定要求，在此基础上，　属二元结构，土层隔水性差，底层为砂卵石透水层．且地表排　再针对浸没问题采取补充措施。　水不畅。电站于１９８８年１２月发电，次年达到正常蓄水位后垸　２．３浸没治理不应导致原来水环境的恶化　内出现十分严重的浸没现象，田不能耕种，屋不能住人，路不　２．４浸没的直接原因是蓄水后库区地下水位拾高。治理措施　能行走。且时常在堤脚发生管涌现象，危及人民生命财产安全。　应立足于降低地下水位　治理方案最初是上堵（高喷墙）下排（垸内设排水沟）方　３浸没治理措施　案，后考虑堤外水位与堤内地面高程相差不大，用导排方案　引起的渗透坡降不致危及堤垸安全，决定改用减压井代替高　３．１　垂直防渗方案慎用　喷墙，使整个垸内形成一个有减压井、水平排水管网、排水沟　悬挂式垂直防渗效果很差，早有定论。但全截式垂直防　的“以排为主，井沟结合”的排水体系（图２）。　渗仍常被作为堤基防渗最有效的治理措施。１９９８年大洪水后　各种防渗墙建造技术发展很快，但工程实践表明：对旨在降　低库区地下水位的浸没治理，垂直防渗方案并非佳策。　（１）破坏了原地下水自然交换的规律，恶化了水环境。未　修防渗墙前，丰水季节，库水入垸；枯水季节，垸水返库。建墙　后防渗墙破坏了原地下水自然交换的平衡关系，在截断外水　渗入的同时，也截断了垸内地下水向外河排泄的途径，其后　果是垸田变成为冷浸田甚至沼泽化ｌ引。　（２）造价高。前文提到的广东、湖南几个枢纽库区的浸　没处理方案，当采用高喷防渗墙时，墙体造价占到浸没处理　图２油屋垸浸没治理平面布置图　总造价的６０％以上。　该方案造价（８５．９万元）仅为高喷墙方案（７２３．５万元）的　（３）施工难度大。　上述工程采用高喷防渗墙时，单元灌　１２％。１９９４年竣工后至今，垸内浸没现象已完全消失，高水位　余际可黄辉，，平原型水库浸没治理措施探讨　时，堤脚附近也没有管涌现象，汛期排水管出口仍是一股清　流．取得了很好的工程处理效果　。　４采用减压井方案需考虑的几个问题　减压井在治理浸没及确保渗透稳定的作用已为大量工　程实践证明，但人们对采用减压井仍存在疑虑，一是采用减　压井后是否会危及堤垸的渗透稳定；二是减压井易于堵塞的　缺点是否会影响其减压功能的发挥。　４．１　浸没治理与渗透稳定关系　前已叙及，库区浸没治理应和渗透稳定统筹考虑，因此　应首先查明库区堤垸内天然铺盖或表土层的厚度、分布情　况、物理性质、成层结构及各层渗透系数；天然铺盖的连续　性、被人工破坏的状况等。　４．１．１满足渗透稳定及防止浸没所要求的粘土厚度（８　）　设堤前水头为风（图１）分别核算渗透稳定及浸没治理　所需粘土厚６ｌ粘。　（１）渗透稳定。　已知允许渗透坡降　＝５—１Ｏ，取５，则艿￣＝ＨＪ５－－０．２Ｈｏ。　允许渗流坡降嘲＿０．３５，则粘土带宽度Ｌ　＝日　．３５＝３　Ｈ。。　（２）浸没治理。　设起始水力坡度偏安全取小值平均值，ｇ－－ｏ．６４（见前文），　按式（１）可求出Ｔ＝０．６１风。即粘土厚度６　应≥０．６１　Ｈ，才不　致产生浸没，同时可得：　册　＝　３　（４）　即防治浸没所需粘土厚度一般为满足渗透稳定粘土厚　的３倍。　４．１．２结论　（１）当粘土厚度能防止浸没发生时，同时也能满足渗透　稳定要求。　（２）当粘土厚度不能防止浸没，需采取减压措施时，需　核算堤垸土层的渗透稳定。若采用排渗沟，需核算开挖排渗　沟后剩余的土层厚能否满足渗透坡降砌的要求；若采用减压　井，则需核算排水井至内堤脚一段的渗流坡降［，０１是否在允许　范围之内（减压井下游的地段一般是比较安全的）。　（３）核算后，当粘土厚度６　、宽度　均满足渗透稳定　要求时，减压井位置可距堤脚远一些，取（１００～１５０）ｍ。　（４）若粘土厚度６　不能满足渗透稳定，则需在减压井　至堤内脚之间采用“压渗”措施，由于“压渗”既需要压渗的材　料（一般用透水材料）又需占地，造价较贵，故压渗段长度应　控制在５０　ｍ以内。文献嘲对“全部压渗”和“减压井结合压渗”　进行比较，后者造价仅为前者的５０％。　（５）设堤前水头Ｈｏ＝（８￣１０）ｍ，　＝５，则满足渗透稳定需　６　：（１．６～２）ｍ，防治浸没需粘土厚（５－６）ｍ。但实际垸区内一　般难有成片、等厚、完整的天然粘土铺盖能满足此要求。因此　在多数情况下，防治浸没可能都需要采用减压井和压渗相结　合的综合措施（减压井布置在压渗段的末端）。湖南江干　堤（湖南段）下荆江段的民生垸、君山农场等堤垸（６处堤长　ｎ．９４　ｋｍ）．常德市鼎城区沅水南岸三合垸何家堤段（９＋４１３—　６＋６９０）试验工程、广东北江大堤渗控分析均采用了减压井和　压渗相结合的综合治理方案，取得良好的工程效果。　４．２减压井存在问题分析　前已叙及．单从渗流控制、减压效果看，减压井效果显著，　毋庸置疑。但传统减压井最大的问题是堵塞，使人们心存疑　虑，在这方面，湖北黄冈孙堤历年来设置的大量减压井其　运行情况可兹借鉴。该县在未使用土工合成材料做减压井材　料时，失效情况也很普遍，在失效减压井附近就有管涌出现。　１９８５年后改用带孔ＰＶＣ管以及非织造土工织物过滤后，失效　率大为降低。在２０世纪９Ｏ年代设置的减压井有效率达　１００％。长孙堤李家寨段于１９８６年建成的ｌ６口减压井一直运　行良好．并在１９９５年、１９９６年、１９９８年三年大汛中发挥了良　好的工程效益，而对个别失效的减压井，检查其原因往往与管　理不善有关，他们认为减压井确实是一种颇为有效的渗控设　施．而且造价低廉，但不是一种一劳永逸的工程设施，和其它　水利工程一样．它需要维护、保养、检查和维修，而且有一定的　使用年限，对于运用期可以从经济分析得出一个“最少使用　年限”。当减压井的使用年限达到和超过“最少使用年限”时，　这种渗控措施仍是合算的，没有理由要求它无限期的使用。　此外，科技人员近年来也提出了许多解决减压井堵塞和　延长使用年限的措施，如由活动井管及固定井管组成的可拆　洗式减压井，可置换滤芯新型减压井嗣以及水利工程减压井　淤堵清理器（专利号ＺＬ　０３２０１２４７２５）等。　因此．通过工程实践，不断改进、完善后的减压井是可以　克服堵塞缺点，更好地为堤垸渗透稳定、库区浸没治理发挥　更大的作用。　５结语　（１）对二元结构地层，预测浸没范围宜采用“起始水力　坡度法”。在计算起始水力坡度，ｎ值时，不应按式（３）计算，以　免　值偏小，导致浸没范围偏大的后果。　（２）研究浸没处理措施时，应将浸没治理和渗透稳定统　筹考虑。治理浸没诸措施中，垂直防渗由于造价高、施工难，　特别是不利地下水自由交换造成垸内溃害，不宜采用。　（３）浸没治理要充分考虑天然粘土铺盖的作用，根据具　体情况采用减压井或减压井、压渗相结合的综合措施。改进　后的减压井可以克服传统减压井堵塞的缺点，更好地为堤垸　渗透稳定、库区浸没治理发挥作用。　参考文献　１袁宏利，等．水库浸没勘察研究工作的新思路叩．水利水电工程设　计，２００３（４）．　２顾淦臣，等．土坝设计：下册【Ｍ】．北京：水力电力出版社，１９８８．　３甘明辉，罗谷怀．洞庭湖病险堤基的治理研究　．湖南水利水电，　２０００（５）．　４张小莉，陈德宜．岳阳长江干堤堤基渗控处理田．湖南水利水电，２００６（４）．　５赵坚，等．可置换滤芯新型减压井管的研究硼．水利水电技术，２００４（４）．　（收稿日期：２００８—０７一ｌ９）