南方低水头径流式电站的水库浸没问题.doc

南方低水头径流式电站的水库浸没问题摘 要 水库浸没是低水头径流式电站水库的主要环境工程地质问题之一。工程实践表明，对南方河槽型水库或平原水库，规范1及手册2提供的预测方法与实际不符。本文根据河流一级阶地（含高漫滩）水文地质结构的特殊性，分析水库蓄水后两岸地下水动力条件的变化，提出一级阶地宜采用承压水计算模式预测两岸地下水雍高；论证岸后承压渗流场作用下形成的浸没实质是粘性土盖层的“弱结合水浸没”。同时，针对浸没区承压渗流和“弱结合水浸没”特征，分析了常见的治理措施存在的问题，提出了彻底治理建议关键词 河槽型水库 平原水库 水库浸没 弱结合水浸没 压渗（填高）复垦前言受地形地貌条件限制和考虑水库淹没因素，低山丘陵盆地区及三角洲平原区则只能修建低水头径流式电站或综合枢纽。低水头径流式电站正常蓄水位一般限制在河流一级阶地附近，形成河槽型水库；不少枢纽还为抬高水头而需要靠两岸堤防挡水成库，形成正常蓄水位高于两岸一级阶地的平原水库。因水库蓄水抬高河水位导致两岸地下水位雍高而产生水库浸没，是低水头径流式电站水库的主要环境工程地质问题之一。工程实践表明，对南方河槽型水库，由于地质环境的区域性及水库工程条件的差异性，按照规范1及手册2提供的方法预测的结果明显偏大；而对正常蓄水位高于两岸一级阶地的平原水库，由于实际工况与规范1及手册2提供的预测模型差异较大，不再适用其地下水雍高计算公式，以致水库浸没预测缺乏依据。研究表明，一级阶地水文地质结构是一级阶地地下水渗流场的控制性因素3。本文在分析水库浸没研究现状的基础上，根据河流一级阶地（含高漫滩）水文地质结构的特殊性，分析河槽型或平原型水库蓄水后两岸地下水动力条件的变化，提出具“二元结构”的一级阶地宜采用承压水计算模式预测两岸地下水雍高；根据结合水动力学研究成果分析4，论证岸后承压渗流场作用下形成的浸没实质是粘性土盖层的“弱结合水浸没”。同时，针对水库蓄水后一级阶地形成的承压渗流特征，分析了常见的治理措施存在的问题，提出了彻底治理建议。1水库浸没研究现状1.1水库浸没评价现状在中国，自官厅水库蓄水（1955年）运行后出现严重的水库浸没问题以后，水库浸没问题成为水库工程地质四大问题之一。七十年代出版的经典著作水利水电工程地质，根据官厅水库等北方水库浸没情况总结出一套预测方法5,以后的规范1及手册2都以此为蓝本，绝大部分水利水电工程的水库浸没预测一般按照规范1及手册2提供的预测方法进行。对具“二元结构”的一级阶地的地下水雍高计算，采用卡明斯基公式（如图1）：式中:1下层含水层渗透系数(/)；2上层含水层渗透系数(/)；水库正常蓄水位()；x地下水壅高后,计算断面上的含水层厚度()；M下层含水层厚度()；,x水库蓄水位提高前在断面1,处的含水层厚()。工程实践表明，对南方河槽型水库的一级阶地，按照上述方法计算地下水雍高作出的预测结果明显偏大。为此，有的工程采用调整浸没标准修正水库浸没预测6，有的运用结合水动力学修正（降低）地下水雍高预测7，均可在一定程度上减少预测的浸没范围，但地下水雍高计算仍然采用卡明斯基公式，未能从根本上解决预测结果明显偏大的问题。有些工程干脆采用经验方法，把正常蓄水位线以上1（以内）定为农田浸没范围8 。深入分析卡明斯基公式：由于上覆粘土K2很小，下伏砂砾层K1很大，K2K1，不考虑上覆粘土的潜水侧向补给，令K20，卡明斯基公式可以简化为x=x即xx简化式反映出：水库蓄水后，两岸地下水呈承压水线性补给水库，库水抬高多少，地下水相应同步雍高多少；而且雍高后的近库岸地段地下水位较低，似乎浸没程度更低，雍高后的远库岸地段地下水位更高，似乎浸没程度更高，显然与工程实际不符。此外，对正常蓄水位高于两岸一级阶地的平原水库，由于实际工况与规范2及手册3提供的预测模型差异较大：蓄水后，两岸地下水不再是由岸补给河床，而是改变为库水补给地下水，地下水雍高计算不再适用卡明斯基公式，有人建议选择渗水模型的浸润线公式预测地下水雍高9。1.2水库浸没评价研究意义一方面，原来发电效益不佳的低水头电站越来越多地以环境水利或资源水利工程的形式出现，低水头径流式电站水库浸没问题随之引起越来越多的重视。如潮州水利枢纽为代表的韩江干流梯级开发、东江水利枢纽为代表的东江中下游梯级开发，还有北江清远梯级和湖南湘江长沙综合枢纽等，水库浸没问题举足轻重。另一方面，随着新时期治水思路的提出，水库环境工程地质问题确实需要加强研究，才能满足现代水利对工程地质的要求。笔者认为，一级阶地土质及水文地质结构特殊是手册2提供的预测方法在南方低水头径流式电站水库失效的根本原因，一级阶地水文地质结构是控制南方低水头径流式电站水库浸没的关键因素。从河谷地质结构分析入手，分析河槽型或平原型水库蓄水后两岸地下水动力条件的变化，采用承压水计算模式预测两岸地下水雍高，可以从根本上解决预测结果明显偏大的问题。2一级阶地水文地质结构及岸后地下水动力条件的变化2.1强透水层的堤后封闭产出由于正常蓄水位多限制在河流一级阶地附近，阶地冲积层下部与河水连通的是河床相的强透水层（砂层及砂卵砾层），受河床摆动范围限制，它一般在阶地后缘尖灭或消失，周边不是受基岩风化残丘所限，就是受阻于高阶地粘性土层，即所谓强透水层在堤后（平面上）呈封闭产出。强透水层在堤后（平面上）封闭产出的范围，就是可能产生浸没的区域。如图21。图21一级阶地水文地质结构示意图2.2强透水层的上、下封闭结构一级阶地沉积具二元结构，上部细粒土以粘、壤土为主，渗透系数K1<1×10-4cm/s，为弱微透水层；下部粗粒土为砂和砂卵砾石层，一般K2>1×10-2cm/s，为强极强透水层；下伏基岩多为弱微透水层，即使是岩溶地区，深部亦存在相对弱透水层。由此构成一级阶地下部强透水层在剖面上的封闭结构。一旦河水位抬高至上部细粒土（弱微透水层）底面以上，在上述特殊的水文地质结构构成的岸后承压水封闭系统中，形成一种笔者俗称为“渗而不流”的承压渗流场。图3-1岸后承压水头的线性分布2.3蓄水后岸后地下水动力条件的变化水库蓄水后，岸后地下水随库水位抬高而上升，一旦河水位抬高至上部细粒土（弱微透水层）底面以上，即形成岸后承压渗流场。大江大河一级阶地沉积相对较稳定，含水层（砂砾层）可视为均质各向同性，有承压水的水头线方程： 水库蓄水后，形成的岸后承压渗流场具有如下特征3：（1）承压水渗透速度缓慢；（2）岸后承压水头损失很小，水力坡降小，i<0.01；（3）岸后外水力联系密切，涨落同步，近乎静水压力传递；（4）岸后承压水分布范围广，且在强透水层范围内水头呈线性分布。3 河槽型或平原型水库浸没的实质水库蓄水后，岸后地下水随库水位抬高而上升，一旦河水位抬高至上部细粒土（弱微透水层）底面以上，即形成岸后承压渗流场。不同于潜水雍高形成的浸没，岸后承压渗流场作用下形成的浸没实质是粘性土盖层的“弱结合水浸没”。结合水动力学研究表明4，对于可塑状粘性土，孔隙中自由液态水已完全消失，其所含的水是弱结合水。弱结合水既有固体性质（即具有抗剪强度），又有液体性质，只有在外力克服结合水抗剪强度时才能发生流动，消耗于克服结合水阻力的能量，就是起始水力坡降I0。因此，在下伏含水层承压水头H0长期作用下，上覆粘性土中形成的是含水带， 如图4-1。根据结合水动力学研究成果，含水带与下伏含水层承压水头H0的关系如下：式中 初见水位距下伏含水层顶板距离； 图4-1粘性土盖层含水带0由含水层顶板起算的下伏含水层测压水位高度； 0起始水力坡度。 从上式可知，当0>0时,<0。而只要是粘性土，0必大于0，因而必小于0，亦即粘性土中的实际地下水位总是低于下伏含水层测压水位所能达到的高度。正是由于含水带顶面低于承压水头，以致直接采用承压水头H0预测浸没明显偏高。另据文献7，从作物栽培学的角度看,根系的最大入土深度一般可达到12,但其70%分布在地表30土层范围内，90%分布在地表50土层范围内。大于50埋深范围的根系，只在作物生长过程中的某个时期及一定程度上可能构成产量影响因素,而不会对作物的成活构成威胁。综合上述两方面，经验预测方法把正常蓄水位线以上1（以内）才定为农田浸没范围是合理的：一方面，实际地下水位总是低于下伏含水层测压水位（与正常蓄水位相当）所能达到的高度；另一方面，大部分农作物根系埋深达50就满足正常生长要求。值得进一步强调的是，含水带中充满的是结合水，与充满自由重力水的含水层（潜水）有本质区别。由此决定了地表排水系统对粘性土盖层“弱结合水浸没”不仅难于奏效，而且人为挖薄粘性土盖层的部位，易变成产生“管涌”的薄弱部位。只有通过有效渗控措施降低下伏含水层承压水头H0，才能使其上覆粘性土盖层免遭“弱结合水浸没”。4 水库浸没预测方法4.1 可能浸没的最大范围不少地区与一级阶地地面高程相当的台地范围很大，但并非都是一级阶地，即使都是一级阶地，远离河岸地区往往多是漫滩相沉积，即粘性土下缺乏强透水层与库水连通，如果只按“雍高后地下水位临界埋深”得出的可能浸没高程圈定可能浸没的最大范围，可能出现较大偏差。实际上，只有强透水层在堤后（平面上）封闭产出的范围，才是可能浸没的最大范围。因此，水库浸没区勘察需要安排跨越不同地貌单元的水文地质剖面，才能有效控制“可能浸没的最大范围”。4.2浸没预测明确了可能浸没的最大范围后，仍然可以按传统预测程序进行：1）地下水雍高计算由于水库蓄水后，岸后承压水头在强透水层范围内水头呈线性分布，而且承压水头损失很小，水力坡降小（i<0.01），长期蓄水更将使岸后承压水头在强透水层范围内接近水库蓄水位。因此，可以直接采用水库长期蓄水位作为岸后承压水头，按含水带厚度计算公式计算出含水带顶面高程，就可以视为雍高后的地下水位高程。其中，起始水力坡度0，据文献7实测，其平均值为0 94,小值平均值为0 64。基于安全考虑，实际运用时0取小值平均值。2）浸没高程确定 无论从理论上，还是工程实践中，以农作物根系是否进入含水带作为评价是否产生浸没的原则，对于南方水库都是合适的。虽然农作物根系的最大入土深度一般可达到12,但90%分布在地表50土层范围内7。因此，以“含水带顶面高程1m”作为浸没高程，可以满足南方水库浸没评价要求。对于缺乏0试验值的中小型工程，经验方法简化采用“水库蓄水位1m”亦可以满足要求。5 浸没治理措施分析5.1垂直防渗难于奏效垂直防渗被人为是堤基防渗处理措施中最为有效的方法。“98”洪水后，各种防渗墙技术应运而生，尤其是薄防渗墙技术的不断完善提高，使防渗墙造价大幅降低，更易于推广。但是，实践证明，对于必须通过降低岸后承压水头的水库浸没治理而言，垂直防渗难于奏效。一方面，由于堤基存在的强透水层沿堤线连续分布很长（以km计），堤基防渗处理仅针对堤后盖层厚度不足或地势较低的局部堤段，因而常形成局部截渗。“渗而不流”条件下，承压渗流场呈近乎静水承压，理论上只有全封闭才能真正减压，局部截渗试图用延长绕渗途经而达到减压目的缺乏理论依据。工程实践亦表明，多数局部截渗的防渗墙难于奏效，少数能起减压效果的堤段与其堤后具较好天然排水条件有关，如堤后存在沟、渠、塘等。另一方面，大江大河堤基存在的强透水层，不仅沿堤线连续分布很长（以 计），而且厚度较大，堤基截渗处理难于做到全截式，即使做了全截式，由于强透水层厚度大，亦即防渗墙深度大，超薄防渗墙连续性难于保证，易形成事实上的悬挂式防渗，对“渗而不流”模式而言，直观地理解，就像在静水环境中插入一块悬空防渗（墙）板，渗压通道貌似缩窄，但静水压力传导通畅依旧，因而无法减压；理论上分析，悬挂式防渗的根本目的是通过延长渗径而增加水头损失、减少渗漏量，但是，这种企图只有在水流起来的前提下才能实现。“渗而不流”条件下，承压渗流场呈近乎静水承压，承压渗流水力梯度非常平缓（千分之几），按，由于其中的水头差（h3-h4）0，因而渗径（L）的作用无从体现。此外， 对于截渗处理，一般把基岩视为相对不透水层。事实上，基岩顶部常见中等甚至是强透水层，全截式防渗墙一般未能截断基岩渗漏，同样可能导致形成事实上的悬挂式防渗，以至以减压为目的的防渗措施失效。5.2排水减压有效加强排水，能使渗径L发挥产生沿程水头损失的作用。悬挂式防渗延长渗径的企图只有在水流起来的前提下才能实现，因而必须与有效排水措施相结合。据此原理,对事实上的悬挂板墙,只要堤后加强排水,就可以最大限度地发挥其延长渗径而增加水头损失的作用，可能取得较好的减压效果。但需强调, 通常采用的地表（挖沟）排水系统对粘性土盖层“弱结合水浸没”不仅难于奏效，而且人为挖薄粘性土盖层的部位，易变成产生“管涌”的薄弱部位。对深厚强透水地基，因为入渗潜能太大,需要系统的排水措施才能在堤后形成与之相匹配的（减压）排水条件。此外，减压井易堵塞、运行维护工作量大的缺点突出。5.3 压渗（填高）复垦彻底如上所述，对于岸后承压渗流场作用下形成的粘性土盖层的“弱结合水浸没”，常规防渗排水措施均不可靠，甚至还带来“管涌”威胁。参照堤防渗控思路，建议采用压渗（填高）复垦的方法，既可以增加盖重，以抗衡作用于盖层底板的承压水压力，避免堤脚附近发生有害“管涌”，同时将浸没区全面填高至一定高程再作复垦，可以彻底避免粘性土盖层的“弱结合水浸没”。对于全面填高方案，回填土料及回填高程的选定直接影响到投资，甚至影响到方案本身是否成立。笔者建议，对于新建工程，可以采用挡土墙护岸全面填高至蓄水位高程的方案；对于已建工程的浸没治理，可以采用多层结构：底层回填土料可以利用施工或清库弃渣，复垦耕植土之下设置一定厚度的、由均质土料填筑的弱透水保水层，弃渣层与弱透水保水层之间，设置透水夹心层阻断毛细水，配合预留排水沟，以保证复垦耕植土及其下伏弱透水保水层不再受岸后承压水头的影响为原则，优化（降低）回填高程。6 结论1）本文分析表明，一级阶地土质及水文地质结构特殊，水库蓄水后，岸后地下水随库水位抬高而上升至上部细粒土（弱微透水层）底面以上，形成具“渗而不流”特征的岸后承压渗流场。2）不同于潜水雍高形成的浸没，岸后承压渗流场作用下形成的浸没实质是粘性土盖层的“弱结合水浸没”。 3）水库浸没区勘察需要安排跨越不同地貌单元的水文地质剖面，才能有效控制“可能浸没的最大范围”。4）可以直接采用水库长期蓄水位作为岸后承压水头，按含水带厚度计算公式计算出含水带顶面高程，就可以视为雍高后的地下水位高程；以“含水带顶面高程1m”作为浸没高程，可以满足南方水库浸没评价要求。对于缺乏0试验值的中小型工程，经验方法简化采用“水库蓄水位1m”亦可以满足要求。5）浸没治理措施中，垂直防渗难于奏效，排水减压虽有效，但可靠度差，建议采用彻底、可靠的压渗（填高）复垦方案。参考文献1水利水电工程地质勘察规范(GB50287-99)M.北京：中国计划出版社，19992水利水电工程地质手册M. 北京：水利电力出版社，19853 李宁新，双层堤基承压水“渗而不流”模式初探，人民珠江J,2002(2)4 张忠胤，关于结合水动力学问题M，地质出版社，19805 水利水电工程地质M. 北京：水利电力出版社，19786飞来峡水利枢纽工程勘察实录，中国勘察与岩土工程J.2004（6）7 袁宏利等水库浸没勘察研究工作的新思路，水利水电工程设计J,2003(4)8 谢东明，百色库区工程地质分析，广西水利水电J,，2004(2)9李帆等，潮州供水枢纽工程浸没初测及防治对策，西部探矿工程J,2005（10）