濟南市華山湖開挖建設滲漏分析研究

宿慶偉，姜巧巧，耿付強

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

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(jīng)濟水平的提高，改善城市居住環(huán)境正逐步作為未來城市的主要發(fā)展方向，城市景觀湖的建設已成為提升城市品位，改善生態(tài)環(huán)境，構建人與自然和諧相處的主要途徑之一[1-5]。

濟南市華山湖工程位于濟南市北部華山片區(qū)內，是以華山為中心，在規(guī)劃區(qū)域進行水面再造。2014年濟南市政府工作報告中，明確提出創(chuàng)建生態(tài)濟南，啟動華山湖生態(tài)修復及功能提升、建設和大明湖、小清河連通工程。工程完成后，水域面積由原來的58hm2增加到224hm2，湖區(qū)設計蓄水位標高為21.5m，湖底最低標高16.5m，開挖最深5m左右，設計庫容656萬m3[注]山東省地礦工程勘察院，濟南市華山湖水文地質勘察報告，2017年。。項目完成后可有效恢復濕地功能，改善周邊生態(tài)系統(tǒng)[6]，推進旅游發(fā)展和濟南城市建設進程。湖區(qū)建成后規(guī)模相當于4個“大明湖”，且為標準的“城中湖”[7-9]，湖區(qū)周邊居民小區(qū)遍布，湖區(qū)北部為黃河，南部緊挨小清河，因此，關于湖區(qū)建設的防滲問題顯的尤為重要。

1 地質背景

1.1 氣象水文

濟南市屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候區(qū)，四季分明。春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季晴和氣爽，冬季寒冷少雪，多年平均降雨量672.0mm，年平均蒸發(fā)量2263.0mm，水面蒸發(fā)量為1525.6mm。湖區(qū)附近發(fā)育的河流主要有黃河、小清河。

黃河位于工作區(qū)西北，距離約2.6km，為一地上河。據(jù)濼口水文站1971—1981年資料，年最高水位在26.54～33.77m之間，最低水位在22.62～27.11m之間。研究表明，黃河水與泉域巖溶水沒有直接水力聯(lián)系，與沿黃第四系關系密切，河水補給沿岸第四系孔隙水。勘察期間，工作區(qū)黃河水位標高在23.50m左右。

小清河位于黃河之南，緊臨湖區(qū)，位于湖區(qū)南側，勘察期間，水位標高在小清河水閘處為一明顯分界，水閘以東，小清河水位標高在18.83m左右，水閘以西，小清河水位標高在20.93m左右。

1.2 地形地貌

湖區(qū)位于黃河與小清河之間，為典型的河間地塊[10]，地貌單元整體屬沖積平原區(qū)。區(qū)域標高在21～28m，地形向南微傾斜。湖區(qū)內分布有華山、南北臥牛山及驢山等零星山體?？辈炱陂g湖區(qū)內鉆孔絕對標高為+21.94m～+26.94m，最大高差為5.0m。

1.3 地層巖性

鉆探揭露的地層巖性主要為粉土、粉質粘土，靠近山體附近出露輝長巖。

①層填土：雜色、松散、稍濕，以粉質粘土為主，厚度為0.50～5.10m，平均1.56m；層底標高為18.54～25.86m，平均21.91m；層底埋深為0.50～5.10m，平均1.56m。

②層粉質粘土：上部黃褐—灰褐色，下部灰綠—黃褐色，局部夾粉土及粘土薄層，有機質侵染，見貝殼殘片，為歷史沼澤地帶底部，厚度為0.90～24.00m，平均7.01m；層底標高為-8.43m～21.41m，平均11.69m；層底埋深為1.80～32.60m，平均11.68m。

②-1層粉土：黃褐—灰褐色，稍密，濕—很濕，具銹染，見貝殼殘片，夾粉質粘土薄層，搖振反應迅速，干強度及韌性低，無光澤反應。厚度為0.70～8.50m，平均2.88m；層底標高為3.12～22.56m，平均15.72m；層底埋深為2.40～20.00m，平均7.70m。湖區(qū)內普遍分布。

③層粉質粘土：棕黃—棕紅色，含小徑姜石，粒徑0.5～2cm，含量約占3%～10%，局部富集。該層湖區(qū)內普遍分布可視為相對隔水層，厚度為0.50～26.20m，平均9.88m；層底標高為-26.11m～16.68m，平均-1.60m；層底埋深為9.50～50.20m，平均25.21m。

④層輝長巖：灰綠—深灰色，湖區(qū)內僅部分鉆孔揭露該層，但均未穿透，根據(jù)風化程度，分為3層，其中全風化及強風化輝長巖可視為1個含水層。

2 水文地質條件

2.1 含水層劃分及特征

根據(jù)地下水的含水介質性質，可將湖區(qū)內地下水含水層劃分為松散巖類孔隙水含水層和基巖裂隙水含水層兩大類[11]。

(1)松散巖類孔隙水

該含水層為湖區(qū)開挖涉及含水層，分布范圍較大，含水層巖性主要為粉土，天然狀態(tài)下含水巖組呈多層結構，一般為1～3層，含水層底板埋深2.4～20.0m，厚度0.7～8.5m之間，層底標高為3.12～22.56m，平均15.72m，富水性一般。根據(jù)專項水文地質勘察期間抽水試驗結果顯示，單井涌水量為57.5～240.5m3/d。其下分布一層連續(xù)穩(wěn)定的相對隔水層(圖1、圖2)。

(2)基巖裂隙水

該層位于粘土隔水層之下，與松散巖類孔隙水水力聯(lián)系較差。含水層主要為全風化及強風化輝長巖，富水性一般，湖區(qū)揭露的深度內，厚度為0.40～10.40m，平均2.06m；層底標高為-27.33m～16.18m，平均-9.12m；層底埋深10.00～51.50m，平均32.85m，單井涌水量241m3/d。

1—松散巖類孔隙水單井涌水量小于500m3/d；2—碳酸鹽巖類裂隙巖溶水單井涌水量大于10000m3/d；3—碳酸鹽巖類裂隙巖溶水單井涌水量5000～10000m3/d；4—碳酸鹽巖類裂隙巖溶水單井涌水量1000～5000m3/d；5—碳酸鹽巖類裂隙巖溶水單井涌水量500～1000m3/d；6—基巖裂隙含水巖組單井出水量小于100m3/d；7—湖區(qū)范圍；8—第四系淺孔；9—基巖水點；10—孔隙水流向；11—巖溶水流向；12—火成巖體隱伏界線圖1 區(qū)域水文地質圖

1—雜填土；2—粉質粘土；3—粉土；4—輝長巖；5—分層代號；6—分層界線；7—鉆孔編號/孔深圖2 湖區(qū)水文地質剖面圖

2.2 隔水層

該層為松散巖類孔隙水與基巖裂隙水的中間隔離層。

該層巖性為粉質粘土和粘土，厚度2.2～26.2m，湖區(qū)內廣泛分布，且連續(xù)穩(wěn)定，靠近山體附近，厚度變小，為了驗證該層的隔水效果，勘察期間在湖區(qū)內布設了3組水井，湖區(qū)外布設1組水井，抽水試驗均顯示，該層隔水性能良好，例如S3井組對基巖裂隙水抽水時，同步觀測松散巖類孔隙水水位，當基巖裂隙水水位下降5.45m時，松散散巖類孔隙水水位僅下降0.05m，說明基巖裂隙水與松散巖類孔隙水基本無水力聯(lián)系。

2.3 松散巖類孔隙水的補給、徑流、排泄

該層主要接受大氣降水及黃河側滲補給，與湖區(qū)內分布的地表水體具有互補關系。天然狀態(tài)下，湖區(qū)地下水接受西北部的黃河側滲補給，地下水由西北向東南徑流，因地下水受到華山的阻擋，造成局部地下水位雍高，湖區(qū)西北部水位較高，湖區(qū)東部因有礦山開采排水活動，地下水位較低。地下水由黃河流向湖區(qū)時，一部分由西向東，流向湖區(qū)東部，其余部分流向湖區(qū)南部，因東部有南北臥牛山及驢山的阻擋，在無人類排水條件下，地下水順勢流向湖區(qū)的南部，最終排向小清河(圖3)。該層地下水的排泄方式主要為徑流排泄，人工排水及蒸發(fā)。

1—水位等值線；2—水位標高(m)；3—地下水流向；4—統(tǒng)測水位標高(m)；5—水力坡度圖3 勘察期間湖區(qū)地下水流場

2.4 基巖裂隙水的補給、徑流、排泄

基巖裂隙水主要接受大氣降水補給。由大氣降水滲入形成的地下水順地形坡向向低洼處運動，遇溝谷切割后大部分往往以下降泉排泄轉化成地表水，其余部分沿風化裂隙流向埋藏較深的風化帶中。其地下水的運動呈現(xiàn)出就地補給，補給途徑較長，緩慢徑流，短距離排泄等特點。

2.5 湖區(qū)含水層水力聯(lián)系研究

為查明黃河側滲及湖區(qū)滲漏情況，查明各巖土層的滲透系數(shù)及富水性，根據(jù)《水利水電工程水文地質勘察規(guī)范》要求，勘察期間有針對性地布設了4組抽水試驗(湖區(qū)內3組，編號分別為S1、S3、S4，湖區(qū)外布設1組，編號為S2)對湖區(qū)含水層富水性及水力聯(lián)系進行研究(圖4、圖5)。

1—湖區(qū)范圍；2—水井位置及編號；3—勘探孔位置及編號；4—勘探線位置及編號圖4 實際材料圖

圖5 各井組平面布置圖

(1)S1井組：位于華山西北約450m，共實施2組水井，分別為S1W1和S1W2，對②層含水層及③層相對隔水層進行抽水試驗，為驗證③層的隔水性能，在S1W1抽水第二降深時，專門同時監(jiān)測S1W2水井的水位。試驗開始時，S1W1水位埋深為2.64m，S1W2初始水位埋深為1.10m.試驗進行至第300min時，S1W1水位下降至18.31m，水位下降15.67m，此時，S1W2水位埋深為1.08m，反而上升0.02m，說明S1W1抽水對S1W2無影響，當實驗進行至450min，S1W1水位趨于穩(wěn)定，此時，S1W1水位為18.89m，下降16.25m，S1W2水位1.10m，與實驗開始時水位一致，沒有變化，說明③層粘土可視為相對隔水層，與②層含水層基本無水力聯(lián)系。

(2)S2井組：位于華山北偏西約1500m，共實施2組水井，分別為S2W1和S2W2，對②層含水層及③層相對隔水層進行抽水試驗，通過抽水試驗求得，②層滲透系數(shù)平均為9.14m/d，③層滲透系數(shù)為1.03m/d。

(3)S3井組：位于華山東南約300m，共實施3組水井，分別為S3W1，S3W2和S3W3，對②層含水層、③層相對隔水層及④層基巖裂隙水進行抽水試驗，通過抽水試驗求得，②層滲透系數(shù)平均為5.23m/d，③層滲透系數(shù)為2.33m/d，④層滲透系數(shù)為2.91m/d。

其中，為查明④層基巖裂隙水與②層潛水之間的水力聯(lián)系，在S3W3進行抽水試驗時，同步觀測S3W2水井水位，試驗開始時S3W3水位埋深為2.54m，S3W2水位埋深為1.96m，當抽水進行至第11 h時，S3W3水位埋深為8.36m，下降5.82m，S3W2水位埋深為2.01m，降低0.05m，說明S3W3抽水對S3W2基本無影響，④層基巖裂隙水與②層潛水基本無水力聯(lián)系，同時也證明③層隔水效果較好，可視為相對隔水層。

(4)S4井組：位于華山西南約800m，共實施2組水井，分別為S4W1和S4W2，對②層含水層及③層相對隔水層進行抽水試驗，通過抽水試驗求得，②層滲透系數(shù)平均為0.86m/d，③層滲透系數(shù)為0.41m/d。其中，為進一步驗證③層的隔水效果，在S4W1進行抽水時，同步觀測S4W2水位變化情況，結果均證明③層與②層基本無水力聯(lián)系。

通過湖區(qū)3組抽水試驗及湖外1組抽水試驗，基本查明了工作區(qū)含水層及隔水層的分布情況，查明了湖區(qū)各巖土層的水文地質參數(shù)以及相互之間的水力聯(lián)系，通過各井組抽水試驗結果發(fā)現(xiàn)，湖區(qū)②層潛水含水層巖性主要為粉土，富水性一般，單井涌水量為57.5～240.5m3/d，滲透系數(shù)為0.86～6.13m/d。③層粉質粘土層雖然具有一定的富水性(單井涌水量為12.5～121.5m3/d)，但分層抽水試驗結果顯示仍有效阻隔了②層潛水與其他含水層的水力聯(lián)系，可以視為相對隔水層。各井組抽水試驗結果見表1。

表1 工作區(qū)各井組抽水試驗結果統(tǒng)計

3 湖區(qū)數(shù)值模擬分析

3.1 水文地質條件概化

水文地質概念模型是把所研究的含水系統(tǒng)實際的邊界性質、內部結構、水動力和水化學特征、對應參數(shù)空間分布以及補給排泄條件等進行概化，使得概化模型能反映水文地質條件的同時，又便于進行數(shù)值模擬的計算[12-16]。

(1)含水層概化

在模擬區(qū)內，由于地下水的賦存形式及含水介質的不同，含水層的水力特性在空間上表現(xiàn)不同。從水文地質的角度分析，模擬范圍內主要為第四系松散巖類孔隙水含水層。

模型概化為一層：潛水含水層厚度約25m，標高分布在-8m～30m，主要為第四系粉質粘土夾2～3層粉土，粉土層厚度在0.7～5m不等，總體向南逐漸變薄，覆蓋整個模擬區(qū)。

(2)邊界條件概化

北部邊界以黃河為界，概化為一類邊界(定水頭邊界)；東部邊界傅家莊—北辛店—小清河大橋，結合野外實測水位概化為通用水頭邊界；南部邊界以小清河為界，概化為一類邊界；西部邊界沿李家莊東—新城小區(qū)一線，概化為通用水頭邊界。

內部邊界：模擬范圍內有兩條規(guī)模較小的溝渠經(jīng)過，對模擬區(qū)范圍內地下水起到重要的排泄作用，最終匯入小清河。一條發(fā)源于濟南北立交東部1km左右，圍繞華陽宮一帶分布，另一條發(fā)源于蔣家莊一帶，經(jīng)堰頭村在孟家莊附近匯入小清河，模型中將兩條河流概化為排水邊界。

綜上所述，對研究區(qū)水文地質條件概化后，模型可歸結為：非均質各向異性的二維非穩(wěn)定流數(shù)學模型。

3.2 數(shù)學模型

選用GMS軟件進行模擬。根據(jù)水文地質條件，模擬區(qū)可概化成非均質水平各向異性的非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，公式如下：

式中：Ω—滲流區(qū)域；h—含水層水位標高(L)；h0—含水層初始水位(L)；Kx,Ky—分別為x,y方向的滲透系數(shù)(LT-1)；Sy—重力給水度；Γ1—滲流區(qū)域的二類邊界，包括含水層隔水底邊界和滲流區(qū)域的側向流量邊界。Γ2—混合邊界，即地表河流邊界；kn—邊界面法向方向的滲透系數(shù)(LT-1)；q(x，y，t)—定義為二類邊界的單位面積流量(L2T-1)。

3.3 參數(shù)設定

地下水模型模擬的水文地質參數(shù)主要為滲透系數(shù)(K)、重力給水度(Sy)，水文地質參數(shù)的初值主要依據(jù)勘察抽水試驗鉆孔資料和經(jīng)驗參數(shù)(水文地質手冊)取值范圍，結合長觀孔(位于黃臺村附近)資料和富水性分區(qū)進行模擬調試，在模型計算模擬過程中再對各項參數(shù)分區(qū)范圍及其參數(shù)值進行調整，最終得出參數(shù)優(yōu)化結果，獲得校準后的水文地質參數(shù)(表2)。

表2 第四系水文地質參數(shù)取值

綜合擬合曲線效果可知，所建立的模型滿足精度要求，符合研究區(qū)水文地質條件，反映了地下水系統(tǒng)的水力特征，可利用模型，結合實際工程的建設進行地下水位預測。

3.4 識別驗證

該次模擬對研究區(qū)地下水系統(tǒng)進行了識別和驗證。通過反復調整參數(shù)和均衡量，識別水文地質條件，從而確定模型結構、參數(shù)和均衡要素。結合長觀孔水位檢測資料，2005年1月1日—2009年12月31日作為識別期(圖6)。2010年1月1日—2014年12月31日作為驗證期(圖7)。

1—實際觀測水位(m)；2—模擬水位(m)圖6 識別期長觀水位擬合情況

1—實際觀測水位(m)；2—模擬水位(m)圖7 驗證期長觀孔水位擬合情況

通常水位變化值較小時(<5m)，水位擬合誤差控制在0.5m，參數(shù)的調整主要結合長觀孔水位擬合及勘查階段的抽水試驗成果進行。

3.5 模擬結果

(1)湖區(qū)滲漏情況

不同水文年份維持湖區(qū)蓄水位21.5m時，湖區(qū)的滲漏對周圍地下水的補給量分別為109m3/d(豐水年)，148m3/d(平水年)，231m3/d(枯水年)，371m3/d(特枯水年)。

(2)湖區(qū)蓄水對周邊環(huán)境的影響

綜合分析湖區(qū)蓄水21.5m時對周圍地下水位的影響，不同水文年對周圍地下水流場影響均小于1.5m(特枯水年影響最大值為1.5m)，其中平水年份(常規(guī)年份)對湖區(qū)周圍地下水流場的影響最小，影響值小于0.5m(圖8)。

1—模擬區(qū)范圍；2—湖區(qū)范圍；3—水位影響等值線圖8 湖區(qū)蓄水位21.5m時對周圍地下水影響等值線圖(平水年)

(3)周邊地下水對湖區(qū)的補給情況

在維持湖區(qū)水位21.5m時，湖區(qū)主要接收周圍地下水的補給，不同水文年份補給量分別為327m3/d(豐水年份)，217m3/d(平水年份)，100m3/d(枯水年份)，28.1m3/d(特枯水年份)。

4 黃河側滲分析

(1)黃河側滲量計算

黃河與湖區(qū)之間含水層巖性主要為粉砂、粉土及粉質粘土等，含水層厚度為26.2～32.9m，平均29.5m，據(jù)S2W2抽水試驗，求出地層滲透系數(shù)為9.14m/d；由2017年1月22日等水位線圖，求得地下水水力坡度分別為0.0004和0.001,根據(jù)達西公式[17]，用斷面法求得黃河單寬補給量。

g=KMJ

式中：g—單寬補給量(m2/d)；K—滲透系數(shù)(m/d)；M—含水層厚度(m)；J—水力坡度

將以上數(shù)據(jù)帶入公式，求得單寬補給量分別為0.11m2/d·m，0.27m2/d·m。湖區(qū)內河水補給帶長度分別為1434m和2187m，湖區(qū)黃河水天然補給量由下式求得：

Q補=g·L

式中：Q補—天然補給量(m3/d)；g—單寬補給量(m2/d)；L—補給帶長度(m)

天然狀態(tài)下黃河補給量：Q補=0.11m2/d·m×1434m+0.27m2/d·m×2187m=748.23m3/d。

(2)湖區(qū)向小清河排泄量計算

湖區(qū)南部含水層巖性主要為粉土及粉質粘土，含水層厚度取值13.4m，根據(jù)抽水試驗求該層滲透系數(shù)為5.23m/d，據(jù)2017年1月22日等水位線圖，求得水力坡度為0.0004，補給帶長度為1856m，根據(jù)公式①求得單寬補給量g=0.028m2/d·m，根據(jù)公式②求得Q=52.03m3/d，因此，天然狀態(tài)下，湖區(qū)向小清河排泄量為52.03m3/d。

5 湖區(qū)防滲綜合分析

(1)湖底防滲

結合以上分析，整個湖區(qū)底部分布一層連續(xù)穩(wěn)定的③層粉質粘土，根據(jù)土工試驗，該層水平滲透系數(shù)為(0.01～7.25)×10-6cm/s，平均1.40×10-6cm/s，垂直滲透系數(shù)為(0.06～3.54)×10-6cm/s，平均值0.41×10-6cm/s，可視為相對隔水層[3]，為驗證其隔水效果，專項勘察期間專門布置了4組抽水試驗，結果均驗證該層為隔水層，有效阻斷了②層潛水的下滲，且各含水層及相對隔水層水位標高線均高于湖底設計標高線，因此，湖區(qū)底部不需防滲措施。

(2)湖區(qū)周邊防滲

根據(jù)地下水流場及黃河側滲量計算及數(shù)值模擬結果，工作區(qū)地下水流向為由黃河流向湖區(qū)，最終排向小清河，湖區(qū)常年接受黃河側滲補給，然后排向小清河，維持目前的地下水動態(tài)平衡，勘察期間，黃河水位標高23.5m，湖區(qū)水位21.04～22.20m，與湖區(qū)設計蓄水位標高21.50m相差很小。黃河補給湖區(qū)的水量(748.23m3/d)要大于湖區(qū)排向小清河的水量(52.03m3/d)，因此，湖區(qū)四周不需要做防滲措施，但要嚴格控制周邊活動對湖區(qū)地下水的影響。

6 結語

(1)綜合湖區(qū)地層結構、水文地質條件、地下水流場、地下水長期動態(tài)變化、數(shù)值模擬等因素分析，建議整個湖區(qū)設計蓄水位標高21.5m可不考慮采取防滲處理措施。

(2)湖區(qū)周圍的施工降水對湖區(qū)地下水水位影響較大，建議嚴格控制湖區(qū)周圍地下水開采，禁止礦山排水，若湖區(qū)周圍存在施工降水，建議相關建設單位采取封閉降排水措施(例如可在基坑周圍設置止水帷幕等)，并結合降水回灌等措施，減少周邊降水對湖區(qū)地下水位的影響。