張 宇，任國澄，楊 蘊(yùn)，周志芳，郭生根，熊鴻強(qiáng)

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000；3.江西省港航管理局，江西 南昌 330038；4.江西省水上搜救中心鄱陽湖分中心, 江西 南昌 330038)

庫區(qū)浸沒是二元階地結(jié)構(gòu)平原地區(qū)水庫工程最重要的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)問題[1]。由于庫區(qū)河道往往切穿下部砂卵礫石含水層，與庫岸二元階地主含水層水力聯(lián)系密切，在水庫蓄水的過程中，壅高的河道水位將迅速向地下水排泄，致使庫岸地下水位升高[2]，淺部土壤逐漸飽和，產(chǎn)生庫區(qū)浸沒現(xiàn)象。浸沒持續(xù)發(fā)展會(huì)引發(fā)土壤沼澤化、潛育化、鹽堿化等土壤地質(zhì)災(zāi)害，以及建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施地基條件惡化等工程地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響水庫上游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民的生活安全與穩(wěn)定[3]。在定量評(píng)價(jià)水庫蓄水后庫岸地下水浸沒過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)和高效的浸沒工程控制方案，是實(shí)現(xiàn)航電樞紐工程勘察設(shè)計(jì)和浸沒災(zāi)害科學(xué)治理的關(guān)鍵。

對(duì)于具有二元階地結(jié)構(gòu)特征的平原型水庫的浸沒評(píng)價(jià)問題，在實(shí)際工程應(yīng)用評(píng)價(jià)中，一般按照水利水電工程地質(zhì)規(guī)范及手冊(cè)提供的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行，如使用卡明斯基公式[4]。然而眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，該方法適用于砂性土地層，對(duì)于上覆黏土層比下伏主含水層滲透系數(shù)小102～103數(shù)量級(jí)的二元結(jié)構(gòu)庫區(qū)，預(yù)測(cè)得出的浸沒范圍普遍偏大[5]。因此，目前多采用地下水動(dòng)力學(xué)解析法或結(jié)合地下水動(dòng)力學(xué)法對(duì)卡明斯基公式進(jìn)行改良，以適用于不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)和不同蓄水條件下的庫區(qū)浸沒評(píng)價(jià)問題[6]。雖然解析法使用簡(jiǎn)單方便，但其適用條件苛刻，大多只能描述地下水的穩(wěn)定流態(tài)，不能動(dòng)態(tài)刻畫實(shí)際復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的地下水非穩(wěn)定流態(tài)[7]。在同時(shí)考慮浸沒工程措施(如防滲墻和減壓井)布設(shè)時(shí)，解析公式將不再適用于刻畫減壓排水井周圍的地下水流態(tài)。2000年以后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)浸沒問題的深入研究，地下水?dāng)?shù)值模擬法成為預(yù)測(cè)大區(qū)域、復(fù)雜水文地質(zhì)條件下浸沒問題的熱門方法，如解析元素法[8]、有限差分法[9]、有限單元法[10]等。因此，本文考慮采用FEFLOW[11]數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建區(qū)域三維地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模型，評(píng)價(jià)江西省新干航電樞紐工程蓄水條件下庫區(qū)左岸地下水浸沒過程，對(duì)比研究工程控制措施對(duì)地下水動(dòng)態(tài)浸沒過程的影響，為工程前期滲控方案的優(yōu)選提供數(shù)模評(píng)價(jià)工具。

防滲墻、減壓井和抬田復(fù)墾是控制和治理水庫浸沒常用的工程措施[12-14]。防滲墻可以有效減緩或阻滯庫區(qū)河道水向庫岸地下水的排泄，減壓井可以迅速降低井周圍壅高的地下水位，抬田復(fù)墾可以降低庫岸低洼處的浸沒風(fēng)險(xiǎn)，保障正常的農(nóng)田種植和市政工程建設(shè)。目前，往往只是采用單一方式對(duì)庫區(qū)浸沒進(jìn)行治理，并不能保證達(dá)到良好的浸沒治理效果。因此，本文基于區(qū)域地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模型，設(shè)計(jì)多種聯(lián)合浸沒治理工程措施，對(duì)比分析浸沒治理效果，優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)和高效的浸沒控制方案，為新干航電樞紐工程蓄水前期滲控方案的布置提供應(yīng)用技術(shù)支持。

1 工程概況

江西省贛江新干航電樞紐工程位于江西省吉安市新干縣域內(nèi)的贛江中游末段，新干贛江大橋下游約20.0 km處(圖1)。設(shè)計(jì)正常蓄水位為32.5 m，相應(yīng)的回水長度56 km，總庫容5×108m3，集水面積64 776 km2，壩址處多年平均徑流量為533×108m3，多年平均流量為1 690 m3/s，主要建筑級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，是以航運(yùn)為主、兼顧發(fā)電等綜合效益的航電樞紐工程。水庫兩岸均發(fā)育上細(xì)下粗的二元階地水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，但分屬不同的地貌單元。右岸東南方向約2 km處見低緩殘丘分布，全新統(tǒng)地層至低山丘陵區(qū)逐漸消失，古近系新余群上段地層在低山丘陵區(qū)出露，從基本地質(zhì)條件初步判斷庫區(qū)右岸屬滲漏頂托型浸沒區(qū)[12]；左岸由河流一級(jí)階地構(gòu)成(在左岸界埠鄉(xiāng)西側(cè)殘留有二級(jí)階地)，一級(jí)階地在新干縣城上游斷續(xù)分布，下游則基本連續(xù)分布并由北向南逐漸展開，階地面較為寬闊平坦，高程在32～38 m之間，西側(cè)至袁水(在樟樹匯入贛江)，左岸庫區(qū)為典型的二元結(jié)構(gòu)河間地塊地質(zhì)單元，初步判斷庫區(qū)左岸屬滲漏型浸沒區(qū)。

圖1 地理位置圖

贛江從南往北流經(jīng)本區(qū)，屬于少沙河流，河谷平緩開闊，河寬約820～920 m(枯期為450～750 m)，河床面高程為20～25 m，切割下更新統(tǒng)細(xì)砂至砂卵礫石微承壓、承壓含水層。壩址處贛江多年平均水位26～27 m，平均水力坡降為0.21‰。在項(xiàng)目可研階段，采用解析解法計(jì)算堤圍臺(tái)地內(nèi)可能浸沒面積約為22 km2，潛在浸沒的區(qū)域包括仁和鎮(zhèn)、界埠鎮(zhèn)、荷浦鎮(zhèn)、三湖鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)。因此，水庫蓄水后引起的庫區(qū)浸沒影響將成為本區(qū)最主要的環(huán)境地質(zhì)問題。

2 庫區(qū)左岸地下水流數(shù)值模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

庫區(qū)左岸垂向上從上到下沉積的地層有第四系全新統(tǒng)(Q4)松散沉積物和古近系新余群上段(Exn2)紅層，對(duì)應(yīng)的含水層為第四系全新統(tǒng)填土、粉質(zhì)黏土弱含水層和下更新統(tǒng)細(xì)砂至砂卵礫石微承壓、承壓含水層，具有典型的二元結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)特征。平面上，庫區(qū)左岸為夾在贛江(東側(cè))和袁水(西側(cè))之間的河間地塊。研究區(qū)范圍包括仁和堤、長排堤和贛江西堤，平面上北至蔣家村，南至黃家巷村，南北長約15.0 km，東西長約6.0 km，全區(qū)總面積約83.9 km2，其中贛江河床面積約5.89 km2，袁水河床面積約0.60 km2，如圖2(a)平面圖所示。

庫區(qū)左岸共布置了15個(gè)水文地質(zhì)鉆孔，以查明左岸水文地質(zhì)分層信息，開展水文地質(zhì)試驗(yàn)和地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。研究區(qū)從上到下細(xì)分為5層，分別為第四系全新統(tǒng)填土層(L1)、粉質(zhì)黏土層(L2)、細(xì)砂層(L3)、砂卵礫石層(L4)和古近系新余群上段基巖底板(L5)，其中L1為潛水含水層，L2為相對(duì)隔水層，L3、L4為細(xì)砂、中粗砂和砂卵礫石微承壓-承壓含水層，L5為相對(duì)隔水底板。填土覆蓋全區(qū)，贛江和袁水河床僅有砂卵礫石層和基巖層，研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖如圖2(b)所示。贛江和袁水均切割至承壓含水層，設(shè)置為第一類邊界，模型南北(圖2a中AB和DE段)選取地下水位流線為零通量邊界。模型底部為隔水邊界，模型頂部為自由水面邊界，接受降雨入滲補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄。

圖2 研究區(qū)平面與地層剖面圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，將研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化成三維非均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型[15]。

(1)

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z,t0)(x,y,z∈Ω)

(2)

H(x,y,z,t)|Γ1=H1(x,y,z)(x,y,z∈Γ1)

(3)

(4)

H(x,y,z,t)|Γ3=z(x,y,z∈Γ2)

(5)

(x,y,z∈Γ3,t≥0)

(6)

式中：Ω——滲流區(qū)域；

K——滲透系數(shù)/(m·d-1)；

H——水位/ m；

Ss——貯水率/ m-1；

μ——飽和差或給水度；

W——單位時(shí)間從單位體積含水層流入或流出的水量/ d-1；

ε——單位時(shí)間在垂向上從單位面積含水層自由面流入或流出的水量/(m·d-1)；

H0——初始水位/m；

H1——第一類邊界水位/m；

n——隔水邊界的法線方向；

x，y，z——空間位置；

Γ1——第一類邊界；

Γ2——第二類邊界(隔水邊界)；

Γ3——自由面邊界。

利用地下水水流模擬軟件FEFLOW建立庫區(qū)左岸三維地下水非穩(wěn)定流模型，并基于有限單元法對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。模型涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)來源：(1)地形數(shù)據(jù)來自于國家數(shù)據(jù)庫下載的30 m精度的DEM數(shù)據(jù)和項(xiàng)目測(cè)繪的1∶10 000的地形圖高程點(diǎn)和1∶5 000河道斷面高程點(diǎn)；(2)水文地質(zhì)分層、水文地質(zhì)參數(shù)和地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)鉆探工程、振蕩試驗(yàn)獲??；(3)河流水文數(shù)據(jù)利用吉安市水文信息服務(wù)系統(tǒng)(http://www.unhyd.com/ja/rainindex.aspx)的實(shí)時(shí)水情資料。

2.3 模型校正

模型平面上共剖分63 239個(gè)節(jié)點(diǎn)，最小三角形邊長約3 m，模型總共373 434個(gè)單元(垂向上從上往下剖分為6層，每層63 239個(gè)單元)。以2017年1—6月作為模型校正時(shí)段，時(shí)間步長為5 d。根據(jù)地形地貌、地層巖性，L1層劃分了11個(gè)降雨入滲系數(shù)分區(qū)(圖3a)，L1—L4層統(tǒng)一劃分了15個(gè)滲透系數(shù)、給水度、貯水系數(shù)分區(qū)(圖3b)，L5層未設(shè)置水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)。模型的初始水文地質(zhì)參數(shù)，包括砂卵礫石層及粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)、砂卵礫石層貯水率，由野外現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)和振蕩試驗(yàn)得到，其余各層相關(guān)參數(shù)初始值依據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[16]取值。

選取17個(gè)觀測(cè)孔2017年1—6月的監(jiān)測(cè)水位進(jìn)行地下水位擬合，在給定的模型初始條件和邊界條件的基礎(chǔ)上，手動(dòng)調(diào)試滲透系數(shù)、給水度、貯水系數(shù)和降雨入滲凈補(bǔ)給系數(shù)使得計(jì)算水位與實(shí)際觀測(cè)水位能較好地?cái)M合，如圖4所示(選擇1月6日和5月18日擬合數(shù)據(jù)繪圖)，從而得出擬合后各層的水文地質(zhì)參數(shù)(表1)。擬合結(jié)果顯示多數(shù)鉆孔的觀測(cè)水位和模擬模型計(jì)算得到的區(qū)域水位總體比較接近，誤差值最小為0.003 m，最大為1.95 m，平均誤差為0.54 m，誤差絕對(duì)值在0.5 m范圍內(nèi)的觀測(cè)孔占比65.3%，誤差在0.5～1 m范圍內(nèi)占比20.8%，大于1 m的觀測(cè)孔占比13.9%。擬合結(jié)果表明：左岸區(qū)模型能夠良好地體現(xiàn)天然地下水形態(tài)，基本符合實(shí)際情況，擬合程度較好，可用來進(jìn)行新干樞紐工程左岸區(qū)水庫浸沒預(yù)測(cè)和控制方案評(píng)價(jià)。

表1 研究區(qū)各地層水文地質(zhì)參數(shù)

圖4 監(jiān)測(cè)孔水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合圖

3 浸沒動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與工程控制評(píng)價(jià)

根據(jù)野外實(shí)測(cè)勘察及上游水利工程實(shí)際發(fā)生浸沒水位埋深的類比分析，本區(qū)劃分了兩種浸沒程度，分別為嚴(yán)重和輕度，其安全超高值為0.5 m和1.5 m。根據(jù)實(shí)際野外試驗(yàn)結(jié)果，土壤毛細(xì)上升高度取0.6 m，則兩種浸沒程度對(duì)應(yīng)的地下水臨界埋深分別為0～1.1 m和1.1～2.1 m。

3.1 浸沒控制方案

為滿足通航和發(fā)電需求，新干航電樞紐工程設(shè)計(jì)庫水位需常年保持在32.5 m，在前文建立的區(qū)域三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，設(shè)置壩址上游回水范圍內(nèi)贛江邊界為固定水位32.5 m，區(qū)內(nèi)源匯項(xiàng)保持不變，按無工程控制措施和7種不同的防滲墻、減壓井和抬田復(fù)墾工程組合方案(表2)進(jìn)行浸沒動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，滲控工程布置如圖5所示。

圖5 滲控工程措施布設(shè)圖

表2 浸沒控制工程組合方案

防滲墻按工藝可分為高壓旋噴防滲墻和射水造墻防滲墻，沿堤段布設(shè)，始于壩址，止于②號(hào)控制點(diǎn)處(圖5)。防滲墻均貫穿至基巖面以下，射水造墻和混凝土墻厚度分別為0.22 m和0.40 m，設(shè)計(jì)滲透系數(shù)均為8.64×10-3m/d?？紤]到實(shí)際工況下防滲墻的施工質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致防滲效果存在差異，如防滲墻和基巖接觸面的閉合程度和垂直接觸處的閉合質(zhì)量等，所以在浸沒控制方案中，分別考慮防滲墻正常工況、防滲墻滲透系數(shù)×2和防滲墻滲透系數(shù)×5三種情形。減壓井從①號(hào)控制點(diǎn)開始，沿防護(hù)堤布設(shè)至③號(hào)控制點(diǎn)，減壓井布設(shè)貫穿至砂卵礫石含水層，井間距均設(shè)置為30 m，排漬水位設(shè)置為29 m、30 m和31 m，距離堤防的垂直距離設(shè)置為30 m、50 m和100 m。由于防滲墻沿堤防布設(shè)，減壓井沿著防滲墻在堤內(nèi)布設(shè)，堤外農(nóng)田區(qū)不受浸沒控制工程保護(hù)，在低洼區(qū)將發(fā)生浸沒現(xiàn)象，因此，考慮在堤外低洼農(nóng)田區(qū)進(jìn)行抬田復(fù)墾(圖5)。

3.2 浸沒動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果

在無浸沒控制工程的條件下，以2018年1月1日作為預(yù)測(cè)初始時(shí)間，預(yù)測(cè)蓄水3 a后研究區(qū)的浸沒程度和范圍(圖6)。模擬預(yù)測(cè)結(jié)果表明：研究區(qū)由于庫水位抬升發(fā)生滲漏型浸沒，地下水流場(chǎng)迅速向堤內(nèi)推進(jìn)，曾坊島東側(cè)沿江階地推進(jìn)幅度最大，荷浦鄉(xiāng)南部推進(jìn)幅度最小。浸沒區(qū)分為沿江區(qū)和岸內(nèi)區(qū)，沿江區(qū)分布在贛江上游，從江邊到岸上逐漸削弱，壩址上游附近的朱家村一帶浸沒最嚴(yán)重；岸內(nèi)區(qū)主要分在廟前至張家巷一帶，主要由于地表高程較低，出現(xiàn)范圍性的輕微浸沒。

此外，分別模擬出0.5 a、1 a、2 a和3 a 32 m水位線向庫岸推進(jìn)的情況，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示：江水與地下水連通，地下水流場(chǎng)迅速向堤內(nèi)推進(jìn)，天然條件下的地下水流動(dòng)態(tài)發(fā)生改變；正常蓄水2 a后，流場(chǎng)基本穩(wěn)定，產(chǎn)生浸沒的面積如表3所示。蓄水至第三年末，32 m的地下水位等值線向堤內(nèi)推進(jìn)了0.09～1.04 km，浸沒面積增大至10.91 km2。

在無控制工程措施的情形下，水庫蓄水3 a內(nèi)庫區(qū)左岸沿江區(qū)域和岸內(nèi)地勢(shì)低洼地帶發(fā)生較嚴(yán)重的滲漏型浸沒。鑒于此，本文基于第2節(jié)構(gòu)建的區(qū)域地下水流數(shù)值模型，開展基于7種工程組合措施(防滲墻、減壓井和抬田)(表2)的浸沒控制效果對(duì)比分析，評(píng)價(jià)不同滲控措施布設(shè)方案下庫區(qū)的浸沒控制效果(表3)。此外，選擇剖面1和剖面2，分別穿越防滲區(qū)和非防滲區(qū)(圖5)，對(duì)比不同工況下2條剖面線上選點(diǎn)的水位，結(jié)果如圖7所示。

方案1—方案3：與無控制工程方案相比，工程蓄水后，庫內(nèi)河道水緩慢地向堤內(nèi)推進(jìn)，但在滲控工程措施下堤內(nèi)地下水位可以控制在30 m以下(圖8)，研究區(qū)的浸沒面積減少約60%。而在保持減壓井排漬水位、井間距以及與防滲墻的距離不變的條件下，工程蓄水后浸沒區(qū)分布于不受浸沒控制工程保護(hù)的堤外區(qū)域，隨著防滲墻滲透系數(shù)的減小，浸沒面積略有增加，主要由于防滲墻起到了減緩堤外壅高的庫水向堤內(nèi)地下水的排泄，加重了堤外浸沒程度。剖面1(穿越防滲區(qū))上堤外區(qū)選點(diǎn)，方案1地下水位高于方案2和3，而剖面2(穿越非防滲區(qū))，由于減壓井排漬水位相同，方案1—方案3地下水位接近。

圖6 無工程控制方案浸沒程度圖

圖7 各工況下剖面水位對(duì)比圖

表3 各工況下浸沒面積統(tǒng)計(jì)

方案2、方案4和方案5：保持防滲能力、減壓井間距以及與防滲墻距離不變的條件下，設(shè)置不同的排漬水位。隨著排漬水位的升高，工程蓄水后方案4和方案5浸沒面積不斷擴(kuò)大，剖面1和剖面2上堤內(nèi)外各選點(diǎn)的地下水位也隨之提高，變幅較大，表明在有防滲墻工程的條件下，減壓井排漬水位是地下水浸沒控制工程的重要參數(shù)。

方案4、方案6和方案7：保持防滲能力、減壓井排漬水位與間距不變的條件下，設(shè)置不同的減壓井與防滲墻的距離(分別設(shè)置為30 m、50 m和100 m)，工程蓄水后浸沒面積隨著減壓井與防滲墻距離的增大略有增加，剖面1和剖面2上堤內(nèi)外各選點(diǎn)的地下水位接近，整體變化幅度不大。

4 結(jié)論

本文以贛江新干航電樞紐工程二元結(jié)構(gòu)庫區(qū)為研究對(duì)象，基于區(qū)域地下水流動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)，開展水庫蓄水后庫區(qū)地下水浸沒動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和基于工程組合措施(防滲墻、減壓井和抬田)的浸沒控制效果對(duì)比研究，為樞紐工程前期滲控方案的布置提供科學(xué)依據(jù)。主要得到以下結(jié)論：

(1)在未作任何防滲減排措施的條件下，樞紐蓄水將導(dǎo)致地下位迅速上升，贛西地區(qū)出現(xiàn)較嚴(yán)重的大面積滲漏型浸沒，主要分布在贛江上游沿江區(qū)以及中部地勢(shì)較低的農(nóng)田區(qū)。

(2)通過布置防滲墻、減壓井和抬田聯(lián)合工程措施，可以有效地進(jìn)行浸沒控制。在有防滲墻的截滲作用下，減壓井排漬水位是地下水浸沒控制的最敏感的參數(shù)，而防滲墻的滲透系數(shù)和減壓井與防滲墻的距離是次敏感參數(shù)。隨著減壓井排漬水位的降低，堤內(nèi)地下水位和浸沒面積將隨之明顯下降，而隨著防滲墻滲透系數(shù)的減小(防滲性能增加)，未受浸沒控制工程保護(hù)的堤外區(qū)域浸沒面積將略微增加。綜合對(duì)比分析結(jié)果，建議浸沒防控工程組合參數(shù)設(shè)置如下：防滲墻滲透系數(shù)為17.28×10-3m/d，減壓井間距設(shè)置為30 m，排漬水位29 m，減壓井距防滲墻的距離為30 m，并在堤內(nèi)低洼地帶進(jìn)行抬田復(fù)墾。