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1、1南方低水头径流式电站的水库浸没问题李宁新（中水珠江规划勘测设计有限公司 广州 510611）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
2、 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
3、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2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
4、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()；3, x水库蓄水位
5、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，K2K 1，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
6、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
7、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4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
8、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K1110-2cm/s，为强极强透水层；下伏基岩多为弱微透水
9、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。5一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。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： XLH21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；
10、（2）岸后承压水头损失很小，水力坡降小，i0 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
11、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7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
12、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（i0.01） ，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
13、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8以满足要求。5 浸没
14、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，
15、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，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
16、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）hi43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9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
