河渠建設對鄰近場地地下水位的影響研究

張曉麗 楊陛涵

中核勘察設計研究有限公司 河南 鄭州 450052

在《巖土工程勘察規范》GB50021-2001（2009年版）中明確了地下水的勘察要求掌握：地下水的類型和賦存狀態、主要含水層的分布規律、區域氣候資料、地下水的補給排泄條件、地表水與地下水的補排關系及其對地下水位的影響、勘察時的地下水位、歷史最高水位、近3～5年最高地下水位、水位變化趨勢和主要影響因素等[1]。地下水水位的上升與下降會對巖土工程造成直接的影響，尤其是在地下工程設計時，必須充分考慮地下水對巖土及地下建筑工程的各種作用。

河渠水位的變化是影響兩岸地下水動態的重要因素。在地表水和兩岸潛水存在水力聯系的情況下，當河水位（或庫水位）高于兩岸潛水位時，將補給地下水；當河水位低于附近地下水位時，河渠就成為地下水的排泄通道。一般情況下地下水位上升，會使得地基承載力下降、砂土地震液化加劇、土壤沼澤化、鹽漬化；也會使得對建筑物基礎浮力增大，造成地面隆起、基礎上浮、引起流沙管涌等不良現象的發生。地下水位下降，易形成地下漏斗，造成地面塌陷等工程問題[2-6]。因此，研究河渠附近地下水的運動規律對地下水資源評價、土壤鹽堿化、工程抗浮水位等問題都有著重要的意義，對工程建設的安全和投資也至關重要。

本文結合開封某項目場地巖土工程勘察，通過對該項目場地東側運糧河引黃調蓄工程對地下水水位的影響進行概算分析，研究河庫蓄水對場地的地下水影響。

1 水文地質概念模型

1.1 河渠間地下水的非穩定流[2]

在研究時作如下假設：

（1）含水層為均質各向同性，底部相對隔水層水平：上部入滲量可忽略不計，即設W=0。河渠引滲后的潛水流可視為一維流；

（2）潛水流的初始狀態為穩定流，水位可用式（1）表示，即：

（3）兩側河渠水位同時出現水位上升，發生瞬時回水，左河水位自h0,0，上升至h0,t，右河自hl,0上升至hl,t，如圖1所示。

圖1 河渠間潛水的非穩定流

F—— 河渠水位函數，當x在0～1區間變化時，由表可查；

F'——可據，由求得。

式（2）為河渠水位迅速上升，然后保持不變時，計算河渠間任一斷面任一時刻水位的公式。該公式表明，它為乘上小于1的函數，故河渠間任一斷面的水位變化幅度總是小于河渠的水位變幅的。

1.2 單側河渠滲透問題分析

（1）l→∞，=0，將兩側河渠滲透轉變為單側有河渠滲透的半無側限問題，如圖2所示。

圖2 河渠水位迅速上升時河渠附近潛水的非穩定運動

圖3 庫區蓄水不同時間對附近地下水位的影響

此時，式（2）簡化為：

為了求極限值，可將級數化為積分，結果為：

λ——河渠水位對地下水為的影響系數。

erfc(λ)——誤差函數的補函數（余誤差函數）

erf(λ)=——誤差函數

如果含水層的水壓力傳導系數a已知，欲求在任一距離x，任一時間t內河渠水位突然變化所引起的地下水水位變化?h0,t，可先求出，然后由表查得值F(λ)，代入式（3）即可得到hx,t值。

2 工程案例

2.1 工程概況

運糧河位于趙口灌溉區東側，京東大道以南，趙口干渠位于運糧河東側，二者相距330m。運糧河和趙口干渠均為砂土質河渠，無襯砌，河道現狀淤積嚴重。其中運糧河河道排澇能力不足3年一遇標準的30%，每遇到較大降雨，河道排泄不暢，澇災頻發。

根據相關資料，運糧河引黃調蓄工程初步擬定為河庫一體的布置方式，核心區調蓄湖南北稍窄，中間較寬。湖體開挖邊界西側距擬建場地東側的濱河路邊線50m，東側距改線后的趙口干渠60m。運糧河河渠開挖高程為71.50m，湖岸堤岸高程為79.88m，湖岸平均開挖深度6.0m，平均水深5.0m，正常蓄水位為76.50m，水面面積1850畝。運糧河流域50年一遇洪水位為78.68m。

2.2 場地地層巖性

場地地層為第四系全新統沖積而成的粉砂、粉土、粉質黏土，自上而下各土層基本特征見表1。

表1 主要土層基本特征表

2.3 水文地質條件

根據區域資料及勘察結果，場地地下水為第四系潛水。主要含水層為第②-1層粉土及②-1層以下的粉土、粉質黏土及砂層。2017年5月實測地下水穩定水位為4.0～5.5m，穩定水位絕對標高為72.48～73.96m，平均地下水水位標高73.20m。

本場地地下水主要受季節性大氣降水補給和鄰近河渠補給，排泄方式主要為蒸發排泄和人工開采排泄，其動態變化主要受季節性降水的影響，從7月中旬至10月上旬是每年豐水期，每年12月至來年2月為枯水期。

3 案例驗算分析

本場地平均標高約為78.0m，第⑤層以上土層視為均質透水層，層厚按8.0m考慮，層底標高為70.0m，綜合滲透系數K按0.3m/d考慮；下部視為相對隔水層。場地現水位標高按73.2m考慮。

根據運糧河水利資料，運糧河庫區正常蓄水位為76.50m，50年一遇洪水位為78.68m。分兩種工況考慮：①按最不利情況考慮，運糧河未作防滲處理情況下，正常蓄水至76.50m，不同蓄水時長對周邊地下水水位的影響；②按最不利情況考慮，當運糧河改造引黃調蓄工程遇暴雨時，水位迅速上升至洪水位78.68m，歷時5d的情況下，對周邊地下水的影響。

3.1 庫區正常蓄水

庫區初始水位h0,0=73.2m-70.0m=3.2m；潛水流厚度由潛水流平均厚度hm代替，按4.8m考慮。庫區水位上漲幅度h0,t=6.50m，=32.00m2；t分別取5d、30d、60d、100d及1y進行驗算，μ取0.10[7]。=（0.3×4.8）/0.10=14.4m2/d，根據式（5）計算的△hx,t，計算結果如下圖所示。

根據上述工況計算結果可以看出：擬建庫區正常蓄水條件下，水庫水向兩側補給，庫區兩側水位明顯上升；且開始水力梯度較大，水面線擴展速度較快，隨時間延長，水力梯度逐漸減小，地下水面線的擴散速度也變慢；距庫區同一距離處地下水水位隨時間逐漸上升。由此可知，庫區水位上升對地下水的影響具有時間效應，蓄水時間越長，影響半徑越大，同一位置地下水位上升幅度越大。

3.2 庫區遇50年一遇洪水

庫區初始水位h0,0=78.68m-70.0m=8.68m；潛水流厚度由潛水流平均厚度hm代替，按5.0m考慮。庫區水位上漲幅度h0,t=8.68m，=65.0m2；t取5d，μ取0.10。（0.3×5.0）/0.10=15.0m2/d，根據式（5）計算的△hx,t。

根據計算結果：庫區無論是正常蓄水5d，還是遇暴雨洪澇時間5d，庫區近距離范圍內水力坡降較大，且分別在25m、35m左右地下水位變幅趨近于0m。由此得出結論：庫區水位上升，短時間內對兩側地下水的影響范圍很小。而擬建場地東側濱河路距河庫50m，由此可以判定，庫區短時間（如3～5d）的洪水匯流，對擬建場地地下水基本無影響。

3.3 對擬建工程項目的影響

河庫蓄水致使擬建場地地下水位上升，不但引起地基土承載力下降，還加劇砂土地震液化。運糧河引黃調蓄工程屬于長期水利工程，當河庫正常蓄水1年時，地下水影響半徑擴大至約290m。根據當地氣象資料，結合地區經驗及場地周邊水文地質條件，正常情況上部潛水的年變化幅度在3.0m左右，本場地近3～5年最高水位標高按76.5m考慮時，對地面以下20m范圍內可能液化的土進行液化判別，第④層粉土為輕微液化，按照《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）（2016年版）表4.1.1的劃分標準，擬建場地屬對建筑抗震不利地段。

因此當河庫正常運行后，對其鄰近場地地下水的影響不容小視，而擬建場地距河庫僅為50m，故本工程設計時應充分考慮運糧河引黃調蓄工程對場地地下水的影響，采取相應的抗液化措施，進行相應的防水防潮、及抗浮設計。

4 關于河庫防滲問題討論

河庫蓄水運行后會滲漏補給地下水，改變區域地下水環境，適度的滲漏是有益的，但從本場地目前地層結構來看，蓄水后滲漏量較大，對水庫運行有較大影響。地下水水位上升對四周建筑物的安全也將產生不利影響，如地基承載力下降，砂土地震液化加劇，發生流沙管涌等工程質量和安全問題。因此，應對水庫采取防滲措施。

渠道防滲工程主要分為土料防滲、水泥土防滲、砌石防滲、混凝土防滲、膜料防滲及瀝青混凝土防滲。針對本調蓄工程，推薦采用混凝土攪拌成墻法的垂直混凝土防滲措施。并建議在河庫外側增加觀測井，以監測地下水水位的變化及防滲墻的抗滲作用。

5 結論與建議

1、河渠正常蓄水運行后對周邊地下水有補給作用，且隨時間增長，影響半徑也逐漸變大。

2、庫區蓄水開始地下水水力梯度較大，水面線擴展速度較快，隨時間延長，水力梯度逐漸減小，地下水面線的擴散速度也變慢。

3、庫區蓄水運行后對周邊環境和建筑均會產生不利影響，因此應做好庫區防滲工作，減少滲漏，減輕洪澇災害。

4、建議在河庫外側增加觀測井，以監測地下水水位的變化及防滲墻的抗滲作用。