童建平

(陜西省水利電力勘測設計研究院勘察分院,陜西咸陽 712000)

城市景觀湖湖區(qū)防滲處理的特點

童建平

(陜西省水利電力勘測設計研究院勘察分院,陜西咸陽 712000)

城市水景觀工程近年來已經成為國內北方一些城市改善城市面貌、提升城市品位的重要項目。通過對幾類景觀湖工程的工程地質特點及相應的工程防滲思路分析,論述了此類工程地質勘察工作的重點所在以及此類工程所涉及的主要地質問題的評價方法,總結了此類工程防滲方案確定的基本方法和工作思路。

景觀湖;工程勘察;相對隔水層;防滲處理

0 引言

近年來,隨著中國城市化進程的快速發(fā)展及社會經濟水平的逐年提高,在各中、小城市的發(fā)展規(guī)劃中,正逐步把改善城市居住環(huán)境作為未來城市的主要發(fā)展方向,特別是北方城市水景觀工程的興建,更成為提升城市品位、構建人與自然和諧相處的主要途徑。城市景觀湖工程一般的設計思路基本相似,均是利用天然河道兩側的已建或擬建堤防及擋水建筑物構成湖盆邊界,蓄水后形成城市水景觀。根據筆者經驗,此類工程的地質勘察的重點問題主要有:①湖區(qū)范圍內基礎相對隔水層的分布特征及防滲方案的確定;②湖區(qū)周邊不設防滲的條件下兩側堤內地下水位的變幅預測及防治措施;③不防滲條件下湖區(qū)周邊,壩基滲漏量的計算;④選擇適宜的基礎防滲方法。以下就筆者幾年來參與的幾處城市景觀工程的地質勘察工作中總結的經驗結合工程實例予以介紹分析,供大家在同類工程中參考。

1 幾類景觀湖工程的工程地質特點

1.1 工程區(qū)存在連續(xù)性較好的相對隔水層

寶雞市渭河代家灣段防洪暨生態(tài)治理工程[1]位于寶雞市代家灣段渭河河道,總體呈東西向分布,中間有蟠龍大橋穿過,北側與市行政中心相鄰,南側為高新經濟技術開發(fā)區(qū)。湖區(qū)東西長約1.5 km,南北寬約0.5 km,水域面積約0.75 km2,河床高程559.8～564.2 m,河道自然比降約3‰,地形平坦,總體起伏高差<5 m。湖區(qū)段地貌單元單一,主要為河床及漫灘,一級階地僅在湖區(qū)左岸團結村附近及右岸蟠龍大橋以上有分布,連續(xù)性差。該工程區(qū)地層主要有:①第四系全新統(tǒng)沖積砂卵石松散—稍密,成分以卵石為主,充中粗砂,卵石含量一般40%～60%,粒徑一般4～8 cm,最大50 cm。該層滲透系數(shù)3.36×10-2cm/s,主要沿河流分布,厚度約3～5 m,分布高程約554～560 m,構成現(xiàn)代河床及漫灘。②第四系全新統(tǒng)沖積粉質粘土灰黃色,土質均勻,厚度一般1.2～1.5 m,具水平層理,中夾薄層砂層。該層滲透系數(shù)1.50×10-5cm/s,呈透鏡狀分布在河道兩側一級階地表層,分布高程約564.5～565.3 m。③第四系全新統(tǒng)沖積砂卵石稍密—中密,成分以砂礫石為主,礫石含量一般40%以上,中夾薄層砂層。粒徑一般2～5 cm,最大30 cm。該層滲透系數(shù)2.41×10-2cm/s,在整個湖區(qū)均有分布,厚度約7～25 m,厚度較大,分布高程約535～560 m,構成一級階地基底。④第三系紅粘土(N2):褐紅—棕紅色,致密,硬塑狀,含大量鈣質結核,夾薄層泥質膠結砂質粘土,該層分布在渭河河床堆積物下部,組成河道基底,滲透系數(shù)2.07×10-6cm/s。該層在本工程區(qū)埋深3.8～28.2 m,層厚未揭穿,該層厚度較大,分布穩(wěn)定,連續(xù)性好。湖區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙潛水,主要含水地層為砂卵石層。地下水主要受大氣降水補給,總體地下水流向自西向東,與河流流向一致。地下水補排關系為兩岸地下水補給河水,一個水文年河水位變幅為0.5～1.0 m。湖區(qū)兩側地下水位與河道水位關系密切,一般埋深約2.7～6.5 m,總體垂直河道方向地下水滲流比降約3‰。

根據工程區(qū)基本地層結構特性,湖盆上部的砂卵石層都呈強透水性,埋藏于底部第三系的紅粘土,厚度>24 m,層位穩(wěn)定,分布連續(xù)且厚度較大,屬弱—微透水,頂板高程541.80～559.64 m,是一層良好的天然隔水巖層,可作為工程防滲的下限。

1.2 湖區(qū)不存在天然相對隔水層或相對隔水層埋深較大

甘肅省嘉峪關市討賴河市區(qū)段生態(tài)環(huán)境治理工程[2]位于討賴河中段,河谷形態(tài)在工程區(qū)段內由窄深U型逐漸變?yōu)閷挏\型,上游河谷自然寬度約300～500 m,下游河谷自然寬度約800～1 200 m。2006年嘉峪關市水利局對該段河道采取了禁砂保護,并對自討賴河渠首以下約6.5 km的河道進行了全面疏浚整治,新建了南北兩側堤防。目前河道寬度為210 m,河床地形平坦,河床高程1 643～1 674 m,河道縱向比降約1.03%。工程區(qū)地層主要有:①第四系全新統(tǒng)沖洪積砂卵石:以卵石為主,一般粒徑5～8 cm,最大超過50 cm,卵石含量超過55%,受原采砂影響,均勻性差,大部分礫粒缺失。該層滲透系數(shù)8.0×10-2cm/s,主要分布于河床表層,厚度約1.5～2.8 m,結構松散。②第四系全新統(tǒng)沖洪積砂卵石:稍密—中密,以礫石、卵石為主,局部夾薄層透鏡狀礫石或粗砂層,卵石粒徑一般4～6 cm,最大超過50 cm,礫卵石含量超過45%。該層滲透系數(shù)5.0×10-2cm/s分布于河床下部,厚度約15～20 m。③第四系中、上更新統(tǒng)酒泉組砂礫卵石層:密實,以礫石為主,層理清晰,多為細砂、礫石互層狀堆積,單層厚度0.2～0.8 m,呈微膠結狀。該層為酒泉盆地內主要堆積物,在工程區(qū)內廣泛分布,構成討賴河河床基底,總厚度>150 m,滲透系數(shù)1.1×10-2cm/s。工程區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水,主要補給水源為酒泉西盆地地下徑流及討賴河地表徑流,地下水位埋深>100 m。本工程湖區(qū)地層均呈強透水性,不存在天然相對隔水層。

2 針對不同工程地質條件下的防滲處理思路

確定合理的防滲方案是景觀湖工程成敗的關鍵所在,也是控制工程投資的主要因素。一般來說,確定工程防滲方案前首先要對湖區(qū)底層結構進行分析,以確定可能產生滲漏的位置、規(guī)模,進而計算滲漏量、分析湖區(qū)滲漏對兩岸環(huán)境的影響程度、判斷地基土滲透變形特征,確定防滲工作的必要性和防滲范圍,最終確定防滲方案。

2.1 湖區(qū)存在連續(xù)性較好的相對隔水層時湖區(qū)防滲思路

寶雞市渭河代家灣段防洪暨生態(tài)治理工程中湖區(qū)滲漏的位置主要集中在左、右岸堤基及壩基的①③層砂卵石層,湖區(qū)滲漏計算應以紅粘土層頂板為計算下限控制。按此條件采用《水文地質手冊》[3]潛水含水層繞壩滲漏計算公式:

式中:Q——滲漏流量(m3/d);H——上下游水位差(m);K——滲透系數(shù)(m/d);h1、h2——上下游含水層厚度(m);B——滲漏段長度(m);r0——壩基寬度(m)。

分段估算湖區(qū)滲漏量;根據壩基滲漏計算公式:

式中:Q——滲漏流量(m3/d);B——壩基長度(m);K——壩基滲透系數(shù)(m/d);H——堤前、堤后水頭差(m);M——含水層厚度(m);b——堤基寬度(m)。

估算壩基滲漏量,如表1。由計算結果可見,湖區(qū)總滲漏量為29 771.51 m3/d,滲漏量較大,必須采取防滲措施。蓄水后湖區(qū)兩側受地下水上升的影響范圍,根據《水力學》[4]在選定的典型斷面上采用棱柱體地下河槽中恒定漸變滲流浸潤曲線推求中,假定下部相對隔水層為水平時(i=0)的能力量平衡方程公式:

式中:q——滲流單寬流量(m2/d);s——推求斷面與最近正常蓄水位斷面的水平距離(m);k——滲流段滲透系數(shù)的加權平均值(m/d);h1——正常蓄水位到隔水層頂板水頭(m);h2——推求斷面水位到隔水層頂板水頭(m)。

推求的蓄水后地下水位線與原地下水位線的交點位置確定。根據計算結果可見,蓄水后北岸影響寬度約300 m,該區(qū)域內地下水位將整體抬升1.0～3.0 m,相應的地下水埋深為4.0～2.2 m。由于該區(qū)內建筑物多數(shù)高層或多層建筑物,基礎埋置深度一般均超過3.5 m,故對該區(qū)域內的建筑物存在一定影響。蓄水后右岸影響寬度約260 m,大部分水位上升區(qū)位于右岸已建高爾夫球場以內且上升幅度不大,基本不存在水位上升的影響。另外,依據《水利水電工程地質勘察規(guī)范》判別產生滲漏的層砂卵石不會產生滲透變形破壞。

表1 蓄水區(qū)兩岸堤基滲漏計算表Table 1 Calculation table of levee foundation leakage at two banks of the water storage area

根據滲漏量、蓄水后的影響范圍及地基土的滲透變形特征,最終確定對左、右岸壩線以上1 km范圍內堤基進行防滲處理,處理深度深入②層粉質粘土;壩基防滲應深入④層粘土層。

2.2 湖區(qū)不存在天然相對隔水層或相對隔水層埋深較大時湖區(qū)防滲思路

甘肅省嘉峪關市討賴河市區(qū)段生態(tài)環(huán)境治理工程[5]湖區(qū)范圍內均為強透水的砂卵石地層,而且深度達到100 m以上,淺部不存在良好的天然隔水層。在不防滲條件下,按照《水文地質手冊》壩基滲漏計算公式,粗估兩側堤基20 m深度內側向日滲漏量超過6萬m3。另外,由于工程區(qū)地下水位埋深大及地層的強透水性等因素,造成蓄水區(qū)蓄水后,湖底面將產生全斷面滲漏,即不防滲條件下難以形成人工湖水景觀。另外根據表層砂卵石的顆分成果分析湖區(qū)兩側堤基、各橡膠壩壩基均存在管涌型—過渡型滲透破壞的可能性,故建議蓄水區(qū)水位以下應全部進行人工防滲處理,即水平鋪蓋防滲及垂直懸掛式防滲墻相結合的防滲方案。

3 景觀湖工程湖區(qū)防滲處理的特點

3.1 準確查明湖區(qū)相對隔水層的分布特征

根據埋藏條件差異,相對隔水層可分為夾層類及基底類兩大類。當工程位置處于河流中上游時,河道堆積物一般以粒徑較大的礫、卵石為主,沖積地層難以形成連續(xù)成層的相對隔水層,但此類工程位置一般河道堆積物厚度相對較小,可利用基底地層作為工程相對隔水層,即基底類相對隔水層。當工程位置處于河流中下游時,河道堆積物厚度較大,基底地層已不宜作為相對隔水層,但由于在河流自然堆積過程中有條件形成較連續(xù)的淤泥或粘土夾層,可以作為工程的防滲下限,即夾層類相對隔水層。一般來說,對于基底類相對隔水層,其位置分布穩(wěn)定,只需沿防滲邊界布設勘探點即可,主要目的是查明其頂面沿防滲線的起伏變化情況。但是沿河道橫向即壩線方向,由于其頂面起伏較大,應適當加密勘探間距,順河方向可適當加大勘探間距。對于夾層類相對隔水層,為查明其在整個湖區(qū)范圍內的連續(xù)性及高程分布情況,應按一定間距網格狀布設勘探剖面,并應有一定數(shù)量的控制性深孔,以控制其分布厚度并查明下伏地層的透水性特征。在靠近壩線位置,由于滲透壓力較大,應適當縮小勘探點間距。

3.2 湖區(qū)不防滲條件下堤內地下水位變幅預測及防治措施

科學的分析景觀湖不防滲條件下地下水位在蓄水前后的變化幅度,是判斷該類工程可行性的一個重要條件,同時也是確定防滲方案的一個充分依據。預測蓄水后堤內地下水位的工作應分三個步驟進行。

第一步,選擇典型水文剖面。一般來說,要選擇堤內側地形平坦、地勢較低、有工礦企業(yè)或居民區(qū)分布、堤內外水頭差較大的橫斷面作為典型斷面。如果工程區(qū)上、下游堤內地形起伏不大且建筑物沿河岸帶狀分布時,一般選擇壩線剖面作為典型水文斷面。

第二步,蓄水后地下水位預測。首先要在典型斷面向兩側堤內的延伸線上布置鉆孔,以查明典型剖面上地下水含水層埋藏特征及地下水與河水的補給關系,同時,通過現(xiàn)場滲水實驗、抽水試驗及室內滲透實驗等方法確定滲漏地層的滲透系數(shù)。蓄水后,地下水位的預測方法一般采用計算圖解法進行,即通過確定計算模型相關計算公式推求典型斷面上各處的地下水位分布高程,并最終求得蓄水后的地下水位線。

第三步,確定蓄水影響寬度,提出防治措施。在典型水文剖面上確定了蓄水前后的地下水位線后,其交點位置到堤防邊線的寬度即為蓄水影響寬度,這即意味著在此寬度范圍內,蓄水后的地下水位將有所抬升。根據水位抬升幅度,應對影響寬度范圍內的場地進行浸沒評價,對可能存在浸沒影響的范圍應進行防滲保護,從而減小、甚至消除工程運行對堤內場地的影響,這也就明確了工程是否需要采取防滲措施及防滲范圍的大小等。

3.3 不防滲條件下,堤基、壩基滲漏量估算

湖區(qū)滲漏量包括堤基滲漏及壩基滲漏兩個部分,堤基滲漏為蓄水區(qū)沿堤基向堤內滲漏,壩基滲漏為蓄水區(qū)沿壩基向河流下游滲漏。滲漏量計算時應結合堤內外水頭差、透水層厚度、透水層的滲透系數(shù)等參數(shù)分段進行計算,總體蓄水區(qū)滲漏量應為分段滲漏量總和。因景觀湖工程地處北方干旱地區(qū),河流徑流量小,蓄水量小、水深小,滲漏量較大時會使景觀工程效果大幅降低,因而防滲措施就尤為重要。所以,準確估算滲漏量也是確定工程防滲方案的一個重要條件。

3.4 確定合理的防滲方案

確定合理的防滲方案是景觀湖工程的關鍵所在,也是控制工程投資的主要因素。一般來說,防滲方案應結合單個工程的地層分布特征、蓄水對兩岸堤內的影響程度、滲漏量的大小等因素綜合確定。當以上幾個因素之間發(fā)生矛盾時,應首先以工程所帶來的環(huán)境效益和工程的安全運行考慮,選擇適宜、穩(wěn)妥的防滲方案。

[1] 童建平.寶雞市代家灣防洪暨生態(tài)工程地質勘察報告[R].西安:陜西省水利電力勘測設計研究院,2008.

[2] 童建平.嘉峪關市討賴河市區(qū)段防洪暨環(huán)境治理工程地質勘察報告[R].西安:陜西省水利電力勘測設計研究院,2010.

[3] 水文地質手冊[S].第一版.北京:地質出版社,2006.

[4] 吳持恭.水力學[M].成都:高等教育出版社,1982.

[6] GB50487—2008,水利水電工程地質勘察規(guī)范[S].

(責任編輯:潘 瀟)

The Characteristics of Anti-seepage Treatment of Urban Landscape Lake

TONG Jianping
(Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design,X ianyang,Shaanxi712000)

In recent years,the urban water landscape project has become an important item in improving city appearance and grade in Northern China.Based on the analysis of engineering geological characteristics and anti-seepage thoughts of several classes of landscape lake projects,this paper discusses the key points of engineering geological investigation and the evaluation method of major geological problems for the project,summarizes basic method and working thoughts for deter mination of anti-seepage scheme.

landscape lake;engineering investigation;relative impervious layer;anti-seepage treatment

TV139.1

A

1671-1211(2010)05-0586-03

2010-07-01;改回日期:2010-09-16

童建平(1976-),男,工程師,水利水電工程專業(yè),從事水利水電工程地質勘察工作。E-mail:591757723@qq.com