王俊杰，赵年德，梁满福

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 13000）

1 工程概况

松原壅水坝工程位于第二松花江干流下游河段，哈达山水利枢纽工程的下游，坝址位于市区前扶公路桥下游4.5 km处（松原市城区左岸防洪标准100年一遇防洪堤下游端部）。介于2020年城市规划边线与现城市边线之间。

松原壅水坝工程是为提高主城区河段枯水期水位，改善城市水环境，塑造松原“三江水城”的城市形象。工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物的级别为3级。其正常蓄水位为131.5 m，库容为0.38×108m3。

1.1 水库区工程地质条件

1.1.1 地形地貌

水库区两岸分属不同的地貌单元，右岸为冲积湖积平原，地面高程140～155 m，与河床以陡坎接触，城区筑有护岸挡墙。左岸属于河谷冲积平原的高、低漫滩。库区河谷开阔，总体呈NW向展布,第二松花江经上游哈达山流入后，经库区西北部流出，沿程多沙洲、浅滩，其平均水力坡降约0.2‰。两岸防护堤间河道宽1 500～2 500 m，地面高程129～135 m，江水深1.5～4.0 m。

1.1.2 地层岩性

库区及两岸地层主要为第四系地层，勘察区范围内揭露的地层及岩性详见表1。

1.1.3 水文地质条件

库区及其左岸地下水分布区在地貌形态上属于河谷冲积平原，地面高程130～136 m之间，地势平坦，其边缘距河床10～25 km。盐碱化与沼泽化广泛分布，人工渠系纵横全区，为东北著名的前郭灌区。

表1 库区地层简表

库区及其左岸地下水按其埋藏条件主要分为：全新统河谷砂层潜水和下更新统砂砾石承压水。

1）全新统河谷砂层潜水。分布于库区左岸河谷冲积平原，含水层主要由全新统冲积砂和粉土质砂组成，厚17～22 m，为孔隙潜水，受大气降水和农田灌溉水补给。

据前郭市水利局潜水观测井2007年地下水位观测成果，全年最低水位在4月份，灌区水田灌溉后，潜水位迅速抬高，最高水位在7、8月份，年变幅1～2 m。地下水径流滞缓，以蒸发为主要排泄形式，属降水渗入～蒸发型。

2）下更新统砂砾石承压水。下更新统砂砾石承压水迭置在上第三系承压水之上，由中更新统湖相低液限粘土构成承压含水层顶板，受区域地下水径流补给。

2 库区浸没分析与评价

2.1 水库浸没

2.1.1 工作思路及过程

由于库区左岸属于大面积的河谷冲积平原，地面高程130～136 m，其东、南、西三面有明显陡坎，形成一由近代河流沉积物组成的马蹄形小盆地，地下潜水埋藏浅，且径流滞缓，以蒸发为主要排泄方式，因此蓄水后库区左岸的浸没问题便比较突出。针对此问题，自可研阶段起，便投入大量人力、物力和财力，并分阶段、循序渐进地开展了大量地质工作：可研阶段，对库区左岸进行了大范围的水文地质调查工作（374 km2），并绘制了地下水等水位线图，对地下水的运动状态进行了初步分析和认识；初设阶段，根据可研阶段的初步认识，于库区左岸布置了3条长5～6 km的实测断面，进行水文地质勘察工作，并绘制成剖面图，据对3条剖面上地下水位线的二维解析法雍高计算结果，地下水雍高的水平距离达到5～6 km，这与可研阶段人为认为的2～3 km差距较大，考虑到解析法考虑的因素简单，实用性差，为慎重起见，专门委托河海大学对库区左岸的浸没问题进行了三维的专题研究。由于专题研究报告中预测的浸没范围包含了前郭灌区和非灌区，但结合该工程实际情况，考虑到前郭灌区，有完整的排水系统，应不受壅高地下水影响，不存在水库浸没问题。确定浸没影响范围应在前郭灌区边线与库岸之间，宽度3.5～6.5 km。故对专题研究报告中预测的浸没面积，在扣除了灌区内的水田面积后重新进行了预测和评价。

2.1.2 三维浸没范围预测

分析库区左岸天然状态下的地下水三维渗流场特征，预测水库蓄水后地下水三维渗流场特征变化，进而确定出浸没影响的范围。

特点：

1）以往库区浸没的分析和评价通常采用传统的解析法，通过对二维剖面上水位的计算来评价、分析库区浸没问题，但解析法考虑的因素简单，实用性差。这次计算以地下水渗流理论为基础，采用真三维数学模型，整体反映和模拟了地下水系统的三维结构和渗流特征。

2）综合分析研究区地质及水文地质特征，首次建立了代表第四纪松散沉积层的松原壅水坝左岸浸没预测三维数值模型，模拟预测了松原壅水坝左岸地下水的动态变化，计算了松原壅水坝左岸天然工况和蓄水工况的浸没范围。

3）将壅水坝左岸第四系含水系统作为一个统一的水文地质系统，结合研究区地下水系统的补给、径流、排泄特征及地下水水位动态变化特征，采用三维数值模型将潜水含水层和承压含水层之间的黏土层作为弱含水层直接参与计算，与将其概化为越流层相比，更贴近实际，克服了以往分层单独计算所造成的水量重复或缺失，极大地提高了模型计算的置信度。

4）在对模型进行识别验证的基础上，分别按照研究区天然工况和四种蓄水工况方案进行松原壅水坝左岸浸没范围的预测，尤其是天然工况和无防渗墙蓄水工况方案，分别按月计算了各自的浸没范围，并通过对比分析，确定了本次工程给浸没带来的影响，使计算结果更加真实、可信，为工程设计提供了可靠的科学依据。

浸没范围预测：

1）浸没标准。水田临界水位0.70 m，其中埋深小于0.30 m为严重浸没区，埋深0.30～0.70 m为轻微浸没区；旱田临界水位1.00 m，其中埋深小于0.50 m为严重浸没区，埋深0.50～1.00 m为轻微浸没区。

2）预测方案。以2006年12月31日作为预测的初始时刻，区内地下水的开采状态保持在2007年的水平不变，分水库天然工况和蓄水工况共五种方案按月进行预测[2]。

①天然工况方案（方案一）：扶余站位于坝址上游4.50 km处，由于受上游丰满水库调蓄影响，多年逐月平均水位变化不大。根据扶余站监测的1951年至2005年的逐月平均水位，按河道梯度1/10 000插值得到河流边界上各点的逐月水位值，以此作为未来河流边界的天然水位变化。

②蓄水工况方案（方案二～方案五）：每年3月中旬到10月底正常蓄水位达到131.50 m后，相应的回水长度为14.00 km，该回水河段水位按131.50 m处理，10月底到次年3月中旬整个计算区河水位按天然情况处理。分无防渗墙蓄水工况方案和以松原壅水坝坝址左岸为起点，沿松花江上游方向，在潜水含水层内分别布置长为4.05 km、8.05 km和12.05 km三种不同防渗墙蓄水工况方案。

3）预测结果。经模型预测，计算区内每年4月底地下水位最低，8月底地下水位最高，和以往实际观测的地下水位动态变化相一致，对应4月底的浸没范围最小，8月底浸没范围达到最大。

根据天然工况和无防渗墙蓄水工况方案，分别计算获得了全区4月底到10月底逐月的潜水含水层地下水位等值线分布，并根据计算区内地形等高线分布，获得了相应的地下水位埋深等值线分布，最终结合浸没标准，确定出了浸没范围的分布，根据其结果得出，除4月份以外，无论是严重浸没范围还是轻微浸没范围，水田均高于旱田。天然工况下的浸没范围相对较大，由蓄水引起的浸没范围相对较小，尤其是水田，由蓄水引起的浸没范围占天然工况下的浸没范围的百分数较小，相对来说旱田由蓄水引起的浸没范围占天然工况下的浸没范围的百分数较大，但绝对数量也较小，8月份浸没范围达到最大时，由蓄水引起的水田和旱田的严重浸没范围分别为36.35×104m2和38.74×104m2，轻微浸没范围分别为 15.98×104m2和49.20×104m2。由蓄水引起的水田严重浸没范围要比轻微浸没范围大一些，旱田的轻微浸没范围要比严重浸没范围大一些。

根据各防渗墙蓄水工况方案的要求，计算获得了全区5月底和8月底潜水含水层的地下水位等值线分布，并根据计算区内地形等高线分布，获得了各方案5月底和8月底潜水含水层地下水位埋深等值线分布情况，最终结合浸没标准，确定出了各方案5月底和8月底浸没范围：以松原壅水坝坝址左岸为起点，沿松花江上游方向，在潜水含水层内分别布置长为4.05 km、8.05 km和12.05 km的三种不同防渗墙，虽然随着防渗墙的加长，浸没范围逐渐减少，但减少幅度不大，和无防渗墙蓄水工况相比，起到的作用也不大，尤其是水田，这是因为防渗墙并没有在库区内完全切断松花江和左岸地下水的水力联系，仅是在一定程度上阻挡了地下水的运动，延长了地下水的渗流途径而已。各防渗墙蓄水工况5月底的防渗效果比8月底的防渗效果相对要好，这是因为5月份库区左岸地下水位比8月份相对较低，防渗墙两侧的水位相差较大，防渗墙起到的作用相对大一些。

2.1.3 浸没评价

浸没形式：

由于库区左岸属于大面积的河谷冲积平原，其东、南、西三面有明显陡坎，形成一向该区呈开口状由近代河流沉积物组成的马蹄形小盆地，地下潜水埋藏浅，且径流滞缓，以蒸发水主要排泄方式。据前期水文地质调查及本次勘察结果，水位埋深一般1～4 m，水力梯度0.25‰～1‰，由于受江水位变化和前郭市区及松原市热电厂用水影响，沿江1～2.5 km范围内和城区地下水运动状态较为复杂，远离河床和市区地带，地下水流方向基本上沿河谷展布方向流动，即与河流方向一致，由东南流向西北，同时，水平运移滞缓，地下水水力坡降0.2‰～0.3‰。沿江和市区地带，河流低水位时段，地下水补给江水，地下水流方向总体呈由南向北流向，水力梯度亦向靠近河床方向逐渐增大。由于地下潜水水力梯度较小，含水层颗粒细（主要为中细砂，间夹有粉土和粘土等），水流不畅，在靠近库岸2～3 km范围内受库水顶托，地下水壅高明显，据6组水质分析试验，地下潜水类型为重碳酸钠钙型水，矿化度104.7～531.1 mg/L，属低矿化度淡水，呈弱碱性，不会发生盐渍化浸没。水库蓄水后可能发生的主要为物理性浸没（湿地、涝渍、沼泽化）。

浸没标准：

规范规定：浸没的临界地下水位埋深,应根据地区具体水文地质条件，农业科研单位的田间实验观测资料和当地生产实践经验确定，也可按下式计算求得：

式中：Hcr——浸没的临界地下水位埋深，m；Hk——地下水位以上，土壤毛细水上升带的高度，m；△H——安全超高值，m。对农业区，该值即根系层的厚度；城镇和居民区，该值取决于建筑物荷载、基础型式和砌置深度

1）浸没评价有效水位的确定方法。根据专题研究成果，结合水库运行方式和土层结构与渗透性，选择全年维持时间八个月以上的五月末的地下水位做为地下水壅高计算的起始水位获得的地下水壅高值作为浸没评价的有效水位。

2）毛细水有效高度的确定。库区左岸浸没区的表部地层主要为全新统漫滩相冲积层（），为一套黑色含有机质土的低液限粘土，厚度1～3 m，结构松散，有利于毛管水的运移，表部1.5 m以内，受生物活动影响大，孔隙结构不均一。下部地层主要为冲洪积的中细砂层，间夹有粉土质砂和低液限粘土，据6组钻孔注水试验和6组试坑注水试验，该砂层最大渗透系数4.65×10-2，最小渗透系数6.6×10-3。据室内18组粘性土层毛细管水上升高度试验：最大毛细管水上升高度149 cm，最小毛细管水上升高度23 cm，毛细管水上升高度的平均值50.8 cm，此外，据毛细管水上升高度野外观测试验，野外观测毛细管水平均上升高度45 cm，综合上述试验结果，这次有效毛细管水上升高度取为50 cm。

①浸没临界水位和浸没影响程度及影响后果。农田：水田临界水位0.70 m，其中埋深小于0.30 m为严重浸没区（影响农作物种植，严重减产或绝收），埋深0.30～0.70 m为轻微浸没区（可能影响农作物种植，少量减产）；旱田临界水位1.00 m，其中埋深小于0.50 m为严重浸没区（影响农作物种植，严重减产或绝收），埋深0.50～1.00 m为轻微浸没区（可能影响农作物种植，少量减产）。

②建筑物（一般民用建筑）：临界水位2.00 m，其中埋深小于1.50 m为严重浸没区（地面翻浆、地基软化、墙体开裂，居住环境严重恶化或不能居住），埋深1.50～2.00 m为轻微浸没区（地面经常潮湿，影响居住）。鉴于本工程正常蓄水位仅在非冰冻期运行，冰冻期水位恢复天然水位，运行上对建筑物无冻害影响。

浸没范围：

根据专题研究报告的成果，采用5月底潜水含水层水位作为壅高预测的起始水位。考虑远处水田属前郭灌区，有完整的排水系统，应不受壅高地下水影响，不存在水库浸没问题。确定浸没影响范围应在前郭灌区边线与库岸之间，宽度3.5～6.5 km。故对专题研究报告中预测的浸没面积在扣除了灌区内的水田面积后重新进行了预测和评价。

扣除灌区水田后预测结果，天然条件下，即存在86.45×104m2的浸没面积。水库蓄水后预测总的浸没面积为140.04×104m2，其中水田严重浸没面积为1.22×104m2，旱田严重浸没面积为15.59×104m2，水田轻微浸没面积为27.88×104m2，旱田轻微浸没面积为95.35×104m2。

3 综合评价及建议

3.1 综合评价

根据勘察和专题研究对松原壅水坝工程库区左岸得出如下综合评价：

1）库区左岸地势低洼，存在水库浸没问题。

2）在潜水含水层内设置防渗墙时，随着防渗墙的加长，浸没面积逐渐减少，当防渗墙的长度8.05 km时，使浸没影响面积基本恢复到天然状态。

3）浸没范围主要分布于前郭灌区边线与库岸之间。

4）城区及其沿河上游方向由于地势相对较高，基本没有浸没影响。

3.2 建议

正常水库蓄水条件下，在可能发生的浸没范围内，农田区根据其浸没影响程度选择种植物，比如豆类以及喜水的植物，可减少作物的经济损失；一般的民用建筑区，若采用天然地基，其受浸没后，强度降低，变形增加，会造成不均匀沉降，甚至墙体开裂及倒塌，所以应尽量以柱基础为主，对有地下车库或商场的建筑需做防水、抗浮处理。