某防洪堤工程建設(shè)對(duì)滲濾取水工程的影響評(píng)價(jià)

袁 偉，羅 敏

(四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，成都，610072)

某滲濾取水工程位于涪江左岸，分兩期建設(shè)完成。其中，一期工程設(shè)計(jì)日產(chǎn)水量5萬(wàn)t，二期工程設(shè)計(jì)日產(chǎn)水量3萬(wàn)t。涪江綿陽(yáng)城區(qū)段防洪堤工程中長(zhǎng)約320m的防洪堤經(jīng)過(guò)該滲濾工程取水范圍，工程實(shí)施將壓覆滲濾取水一期工程各取水管，并對(duì)滲濾取水二期工程部分硐室的滲流取水管造成不同程度的影響，影響生產(chǎn)供水。同時(shí)，防洪堤施工將對(duì)供水水質(zhì)造成一定程度的影響。因此，有必要開(kāi)展防洪堤工程建設(shè)對(duì)滲濾取水工程的影響評(píng)價(jià)。

1 工程概況

1.1 滲濾取水工程取水原理

滲流取水平巷(或平硐)和各硐室均掩埋于河床下的基巖地層中，在各硐室布設(shè)滲流取水孔，從下界面輻射進(jìn)入全新統(tǒng)近代河流沖積層，從中獲取地下水。水源主要來(lái)源于涪江地表水，一部分來(lái)自于垂直入滲補(bǔ)給，一部分來(lái)自于地下水的側(cè)向徑流。在抽水狀態(tài)下，松散巖類(lèi)孔隙含水層中的地下水在動(dòng)力和重力作用下快速進(jìn)入滲流取水孔，由各硐室匯集后，通過(guò)平巷(或平硐)被輸送到集水豎井，抽取到水處理站處理后供用戶(hù)使用。

1.2 滲流井工程概況

滲流井工程分兩期建成投運(yùn)。一期工程布設(shè)有3條主導(dǎo)水平硐和1條副導(dǎo)水平硐、1個(gè)取水平硐， 4個(gè)集水硐室與導(dǎo)水平硐相接。57個(gè)滲流取水孔分布于4個(gè)硐室之中，其中，Ⅰ硐室22個(gè)，Ⅱ硐室9個(gè)，Ⅲ硐室22個(gè)，副Ⅱ硐室4個(gè)。二期工程位于一期工程上游約45m處。二期工程施工豎井向江心方向設(shè)置1條主輸水平巷，在主輸水平巷上分別向上、下游方向設(shè)置5條支輸水平巷，并通過(guò)連接平巷向下游方向設(shè)置1條支輸水平巷。集水豎井通過(guò)連接平巷與位于主輸水平巷上的硐室1相接。在輸水平巷內(nèi)共設(shè)置有14個(gè)取水硐室，每個(gè)硐室內(nèi)布設(shè)有14～15個(gè)滲流取水孔，共設(shè)置滲流取水孔200個(gè)。

1.3 防洪堤與滲流取水工程關(guān)系

防洪堤工程和滲濾取水工程均沿江展布，防洪堤工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水， K2+150～K2+470段經(jīng)過(guò)滲濾取水工程范圍，長(zhǎng)約320m。考慮到降低對(duì)滲濾取水工程的影響，設(shè)計(jì)方案由原迎水坡腳采用防沖齒墻調(diào)整為采用大塊石護(hù)腳方案。

滲濾取水工程則主要掩埋于河床及河漫灘之下。防洪堤通過(guò)滲濾取水工程滲流區(qū)。其中，K2+150～K2+300段通過(guò)滲濾取水一期工程，一期工程主平巷、連接平巷、2號(hào)支巷部分以及硐5、硐1和硐6的12個(gè)滲流取水孔被防洪堤工程覆壓；K2+300～K2+470段通過(guò)滲濾取水一期工程滲流區(qū)，除集水豎井外的取水構(gòu)筑物均受不同程度覆壓。

2 地形地貌

工作區(qū)為涪江河谷平原區(qū)，兩岸河漫灘和階地發(fā)育，地形平坦寬闊。現(xiàn)代河道寬390.60m～471.50m，河水面寬273.54m～356.35m，兩岸漫灘呈邊灘狀和心灘分布，以涪江右岸居多，標(biāo)高一般為461.60m～464.10m，寬度20m～115m。水廠所在岸(左岸)一級(jí)階地階面標(biāo)高一般為466.73m～468.93m，階地前緣高出河漫灘3m～4m，階面寬1000m～1500m。滲濾取水工程及防洪堤工程均處于涪江左岸的河床和河漫灘上。

3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地貌類(lèi)型、地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，含水層單一。地下水主要賦存于砂卵漂石層孔隙和基巖風(fēng)化裂隙及孔隙中。

第四系全新統(tǒng)近代河流漫灘堆積漂卵石含水層(Q4-2al)，是滲濾取水工程的滲濾層，廣泛分布于涪江河道及漫灘中，含水層為漂卵石層，厚3.80m～8.10m，以5.00m～6.00m左右為主，結(jié)構(gòu)松散，滲透性強(qiáng)，賦藏較豐富的孔隙潛水，單井出水量小于500m3/d。在河床中該含水層直接與基巖接觸，在水廠一帶與上更新統(tǒng)砂卵石層含水層疊置，構(gòu)成統(tǒng)一含水層。根據(jù)勘察資料，Q4-2al與Q3al+pl構(gòu)成的統(tǒng)一的含水層滲透系數(shù)為22.80 m/d～30.22m/d，并認(rèn)為全新統(tǒng)含水層的滲透系數(shù)應(yīng)大于上更新統(tǒng)含水層。富水性較強(qiáng)，單井出水量可達(dá)500 m3/d～2000m3/d。

第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)砂卵漂石含水層，分布于涪江左岸及水廠附近河道內(nèi)，含水層厚2.70m～12.45m，滲流取水水廠附近河道內(nèi)厚度較大。

中生界白堊系七曲寺組(K1q)風(fēng)化裂隙含水層埋藏于第四系砂卵漂石層之下，巖體完整，根據(jù)滲流井二期工程勘察資料，該層層理發(fā)育，巖石裂隙弱發(fā)育，多呈閉合～裂紋狀。強(qiáng)風(fēng)化帶厚度1.15m～3.08m左右，賦存基巖風(fēng)化孔隙裂隙水，透水性、富水性均相對(duì)較差，屬弱含水層。

4 防洪堤工程對(duì)滲濾取水工程的影響分析

防洪堤從滲濾取水工程上方覆壓，施工期間的各種工程活動(dòng)對(duì)含水層進(jìn)行擾動(dòng)，工程建成后永久性占據(jù)取水工程的濾床，并且改變砂卵石含水層的水文地質(zhì)特性，都將對(duì)滲濾取水工程造成一定影響。

4.1 對(duì)滲流井取水水質(zhì)的影響

防洪堤工程建設(shè)期間，除大塊石護(hù)腳區(qū)外，其余堤身部分需要進(jìn)行開(kāi)挖、砂卵石回填、壓實(shí)或削坡等工程活動(dòng)。這些工程活動(dòng)均在滲流取水孔上部的濾床上進(jìn)行，對(duì)濾床的擾動(dòng)直接影響地下水的滲濾作用，從而影響到取水水質(zhì)。防洪堤施工期間在河床上開(kāi)挖了一深7m～8m、寬約16m的基槽，挖至新滲流井硐5的取水滲流區(qū)次日抽水水質(zhì)變渾濁，水質(zhì)檢測(cè)濁度大于20度。停止施工并對(duì)深槽進(jìn)行了回填后，水質(zhì)得到恢復(fù)。分析原因，開(kāi)挖深槽減薄了濾床的厚度，根據(jù)前期滲濾取水工程的勘察資料，新滲流井硐5上方滲流區(qū)濾床厚約7.5m～8.5m。開(kāi)挖后，濾床還剩約0.5m的厚度，滲濾作用大大減弱，抽水水質(zhì)變渾。防洪堤工程建成后，不再對(duì)濾床進(jìn)行擾動(dòng)，隨著運(yùn)營(yíng)期的延長(zhǎng)，對(duì)水質(zhì)的影響逐漸減小。

4.2 對(duì)滲流井取水水量的影響

4.2.1 影響方式

根據(jù)滲濾取水工程的取水原理，主要通過(guò)滲流取水孔，從下界面進(jìn)入砂卵石含水層中，獲取水量。水源主要來(lái)源于涪江河水，一部分通過(guò)垂直入滲補(bǔ)給，一部分通過(guò)水平側(cè)向徑流補(bǔ)給，河水與地下水之間保持良好的補(bǔ)排關(guān)系(圖1)。防洪堤工程修建后，沿河覆壓于河床和河漫灘上，改變了滲濾取水工程的取水方式(圖2)。

圖1 天然條件下滲濾取水工程取水方式

圖2 防洪堤工程修建后滲濾取水工程取水方式轉(zhuǎn)變

含水層中地下水以河水的垂直入滲補(bǔ)給為主，防洪堤工程修建后占據(jù)河床滲濾層，使?jié)B流取水孔無(wú)法獲得垂直入滲補(bǔ)給量，被覆壓的含水層中地下水轉(zhuǎn)為以水平徑流為主。防洪堤本身結(jié)構(gòu)對(duì)下部含水層有自重加載作用，施工期間的填筑、碾壓、加密等工程活動(dòng)還會(huì)對(duì)下部含水層進(jìn)行加壓。使其密度變大，孔隙度變小，降低含水層的滲透性能，從而減少了來(lái)源于河岸一帶的地下水側(cè)向補(bǔ)給量。

4.2.2 施工期影響分析

滲流井的開(kāi)采水量主要由含水層內(nèi)水平方向的地下水徑流補(bǔ)給量(Q1)和垂向向的江水入滲補(bǔ)給量(Q2)組成，防洪堤工程對(duì)滲流取水工程的影響可根據(jù)防洪堤工程覆壓的滲流取水孔數(shù)目和地下水補(bǔ)給量的減少進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.2.2.1 根據(jù)覆壓的滲流取水孔估算減少水量

滲流井的產(chǎn)水量一方面來(lái)源于垂直入滲，一方面來(lái)源于水平徑流，以河水垂直入滲為主。防洪堤工程從滲流井上覆壓，使其接受垂直入滲的補(bǔ)給量大大降低。同時(shí)，水平方向上，降低了砂卵石含水層的滲透能力，減少部分水平徑流量。按照被覆壓的滲濾取水孔情況，考慮其受影響的產(chǎn)水能力，可估算覆壓后減少水量。

(1)水平徑流量減少值

水平方向上，防洪堤工程修建后，降低了沿河一帶的砂卵石含水層滲透性能，若考慮滲透系數(shù)減少為原來(lái)的1/2～2/3，保持其他參數(shù)不變，估算水平徑流補(bǔ)給量減少值：

△Q1=△KEHJ

式中：△K——含水層滲透系數(shù)(m/d)；

H——含水層平均厚度(m)；

△E——補(bǔ)給寬度減少值(m)；

J——地下水臨界水力坡度；

地下水臨界水力坡度按下式計(jì)算：

式中：R——抽水影響半徑(m)；

H——含義同前。

(2)垂直入滲補(bǔ)給量減少值

垂直方向上，保持其他參數(shù)不變，根據(jù)防洪堤工程所占據(jù)的濾床面積，按下式進(jìn)行估算：

△Q2=△Fv

式中：△F——濾床面積減少值(m2)；

v——垂直入滲速度(m/d)。

4.2.2.2 對(duì)滲流取水一期工程水量的影響

滲流區(qū)橫向?qū)捈s160m，縱向長(zhǎng)約500m，核心濾床面積約7500m2。取水水源一方面來(lái)源于地下水的側(cè)向補(bǔ)給徑流，一方面來(lái)源于河水的垂直入滲補(bǔ)給。共設(shè)57個(gè)滲流取水孔，呈扇形分布于4個(gè)硐室中，建成于1998年，現(xiàn)產(chǎn)水量約16000 m3/d，平均每個(gè)滲流取水孔產(chǎn)水量為281 m3/d。

防洪堤K2+300～K2+470段通過(guò)滲濾取水一期工程區(qū)，從滲流區(qū)上覆壓而過(guò)，將老滲流井約一半的取水構(gòu)筑物掩埋于防洪堤之下。

(1)根據(jù)覆壓的滲流取水孔數(shù)估算減少水量

防洪堤工程共覆壓了滲流取水孔23個(gè)，若考慮被覆壓的滲流取水孔不再產(chǎn)水，根據(jù)所掩埋的滲流取水孔數(shù)目，按滲流取水孔的平均產(chǎn)水量，估算水量減少值，如表1。

表1 受防洪堤覆壓影響的滲流取水一期工程水量減少統(tǒng)計(jì)

計(jì)算得出，防洪堤工程覆壓將導(dǎo)致滲流取水一期工程減少水量約6463 m3/d。

(2)估算減少的地下水補(bǔ)給量

根據(jù)前期勘察資料，含水層滲透系數(shù)取12.5 m/d ～16.67 m/d，含水層平均厚度約11m，補(bǔ)給寬度減少約200m，經(jīng)計(jì)算，地下水臨界水力坡度為0.083，估算出水平流補(bǔ)給量減少值約2283m3/d ～3044m3/d。垂直方向上，防洪堤工程修建后，侵占了部分河道，濾床面積減少值約2618m2，實(shí)際受影響的濾床面積應(yīng)在核心濾床面積上進(jìn)行一定擴(kuò)展，取向外擴(kuò)展3m的濾床面積參與估算為3724m2，入滲補(bǔ)給量減少值約3303m3/d。防洪堤工程修建后將減少滲流井一期工程的產(chǎn)水量約5586m3/d～6347m3/d。

4.2.2.3 對(duì)滲流取水二期工程水量的影響

滲流區(qū)橫向?qū)捈s200m，縱向長(zhǎng)約200m，控制核心濾床面積約40000m2。新滲流井共布設(shè)200個(gè)滲流取水孔，呈扇形分布于14個(gè)取水硐室中，每個(gè)硐室內(nèi)設(shè)有14～15個(gè)滲流取水孔。防洪堤主要對(duì)靠近涪江左岸的硐5、硐1和硐6中的12個(gè)滲流取水孔覆壓。

(1)根據(jù)覆壓的滲流取水孔數(shù)估算減少水量

根據(jù)每個(gè)滲流取水孔的產(chǎn)水量測(cè)定結(jié)果。若考慮被覆壓的滲流取水孔不再產(chǎn)水，將使新滲流井的產(chǎn)水量減少約8351m3/d(表2)。防洪堤工程從滲流井上覆壓后，垂直方向上，占據(jù)濾床，使覆壓區(qū)的垂直入滲量大大降低；水平方向上，降低了砂卵石含水層的滲透能力，減少部分水平徑流量。因此，滲濾取水孔被覆壓后，仍保留有部分產(chǎn)水能力，若考慮被覆壓的滲濾取水孔被影響60%的產(chǎn)水能力，則新滲流井的水量減少約5011m3/d。施工期對(duì)水量的影響并非一個(gè)定值，而是隨著施工過(guò)程的進(jìn)行逐漸增加。

表2 防洪堤覆壓滲流井二期工程取水孔估算的水量減少值

(2)估算減少的地下水補(bǔ)給量

水平方向上，防洪堤工程修建后，降低了沿河一帶的砂卵石含水層滲透性能，考慮滲透系數(shù)減少為原來(lái)的1/2～2/3，取12.5m/d～16.67m/d，含水層平均厚度約6m，補(bǔ)給寬度約180m，地下水臨界水力坡度取0.0375。計(jì)算出水平流補(bǔ)給量減少值約506m3/d～675m3/d。

垂直方向上，防洪堤工程修建后，侵占了部分河道，濾床面積減少值約2550m2，實(shí)際受影響的濾床面積應(yīng)在核心濾床面積上進(jìn)行一定擴(kuò)展，取向外擴(kuò)展5m的濾床面積參與估算，為4335m2；垂直入滲速度取0.887m/d。估算出垂直入滲補(bǔ)給量減少值約3845m3/d。

通過(guò)對(duì)徑流量的估算，防洪堤工程修建后將減少新滲流井的產(chǎn)水量約4351m3/d～4520m3/d，以垂直入滲補(bǔ)給量的減少為主。

4.2.3 運(yùn)行期影響分析

防洪堤工程建成后，整個(gè)河堤侵占原河道，使河岸線(xiàn)向南遷移約20余米。運(yùn)營(yíng)期間，沿河岸一帶地下水流速相對(duì)較小，容易沉積泥沙，影響砂卵石含水層的垂直入滲速度，從而降低取水工程產(chǎn)水量。工程建成后，防洪堤對(duì)滲流井產(chǎn)水量的影響將一直存在。

考慮大塊石護(hù)腳區(qū)外5m范圍內(nèi)，濾床容易形成相對(duì)較厚的泥膜，影響其垂直入滲速度。根據(jù)前期新滲流井的勘察資料，試坑滲水試驗(yàn)顯示，在水柱0.3m條件下，無(wú)泥膜和有泥膜(泥膜厚度10cm)的濾床垂直入滲速度分別為1.2672m/d和0.5069m/d，有泥膜的濾床垂直入滲速度下降了60%。對(duì)于涪江沉積泥膜的速度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，靠近河岸一帶的泥膜厚度可達(dá)20cm～30cm。

由于泥膜的沉積使濾床的垂直入滲速度下降2/3。按下式估算工程建成后運(yùn)營(yíng)期間，防洪堤對(duì)新滲流井產(chǎn)水量的影響。

△Q2=F△v

式中：F——大塊石護(hù)腳區(qū)外5m范圍濾床面積(m2)，一期滲流井區(qū)為880m2，二期滲流井區(qū)為845m2。

△v——沉積泥膜后垂直入滲速度降低值(m/d)，取原垂直入滲速度的2/3，即0.591m/d。

經(jīng)計(jì)算，工程建成后運(yùn)營(yíng)期間，防洪堤將繼續(xù)減少一期滲流井產(chǎn)水量約520m3/d，減少二期滲流井的產(chǎn)水量約500m3/d。

5 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析，防洪堤工程施工期間對(duì)濾床的占?jí)阂约肮こ袒顒?dòng)對(duì)含水層的破壞，可能對(duì)滲濾取水工程水質(zhì)、水量造成影響。水質(zhì)主要影響指標(biāo)為濁度、色度、氨氮。水量影響：可能造成滲流取水一期工程水量減少約5586m3/d～6463m3/d，造成滲流取水二期工程水量減少約4351m3/d～5011m3/d。

防洪堤工程建成后運(yùn)營(yíng)期間，由于沿河岸線(xiàn)一帶容易沉積泥沙，并且沉積于大塊石回填空隙中的泥沙難于清理，以致運(yùn)營(yíng)期間還將可能對(duì)滲濾取水工程水量造成一定影響。可能使?jié)B流井二期工程的產(chǎn)水量減少約500m3/d，滲流井一期工程產(chǎn)水量減少約520m3/d。

因此，防洪堤工程建設(shè)在施工期和運(yùn)營(yíng)期都會(huì)對(duì)滲濾取水工程造成不同程度影響，特別是對(duì)水量影響較大?？傮w上，防洪堤工程建設(shè)可能使?jié)B流井二期工程水量減少約4851m3/d～5511m3/d，使?jié)B流井一期工程水量減少約6106m3/d～6983m3/d。

天然條件下，沿河岸一帶砂卵石含水層中地下水與河水之間保持良好的連通關(guān)系，地下水位降低時(shí)，可以快速得到河水的補(bǔ)給。防洪堤工程建設(shè)對(duì)含水層厚度及滲透性能改變后，一定程度上降低了河水與地下水的聯(lián)系，使河岸一帶地下水的補(bǔ)給來(lái)源減少。長(zhǎng)期以后，河岸一帶地下水儲(chǔ)存量減少將進(jìn)一步對(duì)滲濾取水工程的水量造成影響。