龙口市滨海地下水库系统工程.doc

龙口市滨海地下水库系统工程刘溱蕃 孟凡海（龙口市水务局 山东龙口 265701）提要 该文介绍了龙口市建造的滨海地下水库系统工程。内容包括地下水库的基础条件研究，地下坝的施工，人工补源工程，地下水库系统工程管理。该工程使龙口市黄水河中下游平原区地下水的开发利用上了一个新水平，经过多年的实际运行和不断完善，取得了较好的经济效益、社会效益和生态效益。关键词 滨海地下水库 高压喷射灌浆 人工补源 系统工程The Coastal Underground Reservoir System Engineering in Longkou CityLiu Zhenfan Meng Fanhai(Longkou Water Resources Bureau, Longkou, Shandong)Abstract the paper introduces the coastal underground reservoir system engineering constructed by Longkou city, include the foundation term research of underground reservoir, construct of continuous concrete wall, artificial recharge engineering, underground reservoir system engineering management, the development and utilization of groundwater in downstream plain area of Huangshui River in Longkou city come to a new level. Passing many years practicality operation and continuously perfect, obtaining better economic benefit, social benefit and ecosystem benefit.Keywords coastal underground reservoir high-pressure jet grouting artificial recharge system engineering1 前言龙口市位于胶东半岛的北边，滨临渤海的港口城市。滨海地下水库是座落在龙口市 黄水河下游冲积平原上，距海边1.2km的地方。黄水河流域面积1034.5km2，发源于栖霞市的主山，流经蓬莱市、招远市，进入龙口市境内，然后流向北，注入渤海。龙口市境内的主干河道经人工裁弯取直，加筑堤坝，河床坡陡流急，使季节性的洪流直泻入海。经水文测量及计算，通常年份的入海地表径流水量达6400104m3，而河流平原的地下潜流入海量在250310万作者简介：刘溱蕃，男，1938年生，高级工程师，从事地下水的开发利用。收稿日期：2003512m3。就是说，在没有工程措施的情况下，则有近7000万m3的淡水白白流走。改革开放以来，龙口市经济的快速发展，工业及生活用水量迅猛增加，地下水过量开采，导致沿海地带地下水位低于海平面的负值漏斗区出现，发生海水向内陆入侵，淡水资源咸化，生态环境恶化，龙口市68km的海岸线上，出现海水入侵面积达88.7km2（1990年），河口区达15.75km2，进一步加剧了用水的紧张程度。为了解决这些问题，建立了滨海地下挡水坝为主体的地下水库系统工程，挡住海水入侵，同时拦蓄储存地下淡水。2 地下水库的基础条件研究2.1 地下水库的坝址选择为了满足地下坝既挡海水又堵淡水的要求，从地表考虑不应离海边太远，但要在海水潮汐的高潮位以上，还有沿海防护林要保护。这样，就河口地区而言以距离海边1200m左右的位置比较合理，既可挡住海水地下入侵，又可保证地下水库有较充分的地下利用空间。对坝址地下情况的研究，应考虑以下三个方面的问题：一是下伏地层岩性的成因。滨海一带有海相地层，海陆交互相地层及陆相地层。力求在库区内排除海相地层的存在，因为海相地层的含盐条件难以改变，水质将受到直接影响，划在库区内，有害无益。通过钻孔取样可分出；二是坝址一带淡水含水层的埋藏条件。如果坝深过大，将涉及到挡水坝的施工手段选择，造价高低及施工难度等问题，必须通过钻探工作来了解；三是坝址两端的封闭条件。应选择河口区两侧基底不透水岩层抬高的位置进行拐弯连接。坝址共布置勘探孔34个，孔距在200m左右。通过坝址勘探，基底岩石可确定为下第三系泥岩、砂质泥岩，透水性差，可视为隔水边界。由坝轴勘探线向东延伸，在地形抬高处，见有下第三系灰绿色的泥岩出露，出露高程在8m左右；向西延伸，同样在地形抬高处见到下第三系泥岩出露，出露高度在17m左右。则坝两端的隔水岩层均高出水库蓄水后设计的最高回水高程0.9m。因此，可形成筑坝后地下全封闭的挡水条件。同时，从剖面中可以看到基底的顶面起伏很大，有多个古河槽的存在。坝址勘探剖面，在隔水边界以内，除剖面的东侧有两层为蓬莱地区火山喷发的熔岩流堆积外，均为第四系的松散堆积物，按时代划分，有中更新世（Q2）、上更新世（Q3）、全新世（Q4）的地层。其岩性均为砾质粗砂、中砂与亚砂土、亚粘土等的交互沉积，形成多层结构。地下坝将建筑在这套地层中，在剖面东部古河道中，尚有含海相动物残骸的淤泥质亚粘土沉积，但层厚与范围很有限。施工的坝轴线在此应适当内移，排除海相地层。由勘探剖面的计算，松散堆积物的最大厚度在41m左右，为地下坝的施工提供深度依据。坝轴线的设计长度为5842m。2.2 库区边界与基底条件2.2.1 库区边界库区南部为构造剥蚀的山丘区，分布有下元古界的片岩、千枚岩及下白垩系安山凝灰岩地层、火成岩等。库区蓄水后，一般在回水范围以外。库区东边的山丘区，由下第三系泥岩，砂质泥岩，局部有元古界的泥灰岩、灰岩组成。库区西边为剥蚀台地，上部有12m厚的火山喷发玄武岩，下伏为下第三系的泥岩、泥灰岩。其单位吸水量0.0160.003kg分mm，透水性极差。在库区西南边界，由于受黄县大断裂的构造影响，近山前地带沉积了厚度较大的第四系细土层，即使砂层也含有较高土质，属坡洪积成因。通过6个勘探孔证实了这一认识。所以，在地下水库蓄水后，不会存在向西的渗漏通道。由此说明，库区周边的地层岩性和地形为理想的堵水边界。2.2.2 库区基底为了查明库区基底情况，布置了76个勘探孔，形成了控制整个库区的勘探网，结果说明基底岩石主要为下第三系泥岩，泥质砂岩，成岩作用较好，透水性差。局部为花岗岩，不透水。由于基底受河流冲蚀，河道多次变迁的直接影响，基底岩石表面形态呈向北倾斜的簸箕形，愈接近海岸，基底埋深愈大。基岩顶面高程由河中游的24.7m，到入海口处为36.95 m，起伏较大。2.3 库区内的含水层结构与水力特征由历年来的打井资料及本次勘探成果充分表明库区广泛而且稳定地分布着第四系松散岩层。分布于黄水河的现代河床，级阶地，级阶地与故道中，分布面积多达50 km2，由砾质粗砂与亚砂土、亚粘土交互沉积，形成多层结构。含水的砂层厚度一般在1030 m不等，单井出水量在8004500 m3d。库区内各含水层之间存在着广泛的水力联系，构成了统一的水动力系统，有着统一的潜水面。地下潜水接受大气降水，季节性河水的垂直渗漏补给以及周边山丘区的基岩裂隙水的侧向补给，具有较大的储水空间，有着较好的调节能力。2.4 地下水库的库容量2.4.1 库区地下水位上升的临界值确定地下水库设计的最高运行水位为库区地下水上升的临界高度。这一临界高度的确定，要考虑库区蓄水后的生态变化，特别是库区土地的次生盐渍化问题，对耕地、树木及村落带来诸多危害。所以为避免土壤次生盐渍化，必须控制地下水位在当地土壤的毛细水上升高度以下。根据山东省水利勘测设计院在龙口境内王屋水库灌区的试验资料，本地区地下水位的临界深度不少于1.5 m的要求，确定地下水位的临界高程为0.9 m，作为地下水库设计最高运行水位。也就是说地下坝建筑时的坝顶高程为0.9 m，距离地表的平均埋深在2 .2m左右，所以高程0.9 m是库容量计算的重要参数及地下坝施工时灌浆的终止高程。2.4.2 最低调节水位的确定库区最低调节水位的确定，应考虑库区地下含水层的主体存在高程及地下水的开采技术条件可能达到的合理降深。就是说在遇到连续干旱年的极端情况下，可能动用库区内地下水的储存量时，地下水位的降低值。根据已经出现的干旱情况和开采井的水位降确定为15 m，即为库区地下水的开采底线，也是库区最大调节库容的重要计算参数。2.4.3 地下水库库容量的计算地下水库库容量的计算，是指库区内最高运行水位以下可以容纳地下水的有效空间值。由于库区岩层的多层结构，有效含水岩层是砾质粗砂为主的砂层。那么，根据86个钻孔资料，分别统计出各孔砂层的有效厚度，作出库区含水层的有效厚度等值线图。库区计算面积，为设计最高运行水位0.9m时的库区迴水面积为51.82km2。由于含水岩性的差异，其给水度可分为三区，即现代河床及级阶地；级阶地及古河床；库区边缘地带。分别采用的数据为0.15，0.08，0.06。以此，将库区面积和含水层有效厚度进行分区计算。则地下水库的库容量：VF1M11 F2M22F3M33式中F1、F2、F3，分别为三个区的面积（m2）；M1、M2、M3，分别为三个区的有效含水层平均厚度（m）；1、2、3，分别为三个区的含水层给水度。计算结果：地下水库的总库容量为5359104m3。最大调节库容（0.9m高程以下，15 m最低调节水位以上的库容）为3929104m3。为了掌握在开采过程中库容量随水位降深的变化，按高距2.0 m的精度，算出地下水位H与库容V相关的系列数据，绘成曲线。从曲线图上可以看出在地下水位17.1 m以上时，二者成直线关系，数学表达式为：HabV采用一元线性回归分析及最小二乘法求解a、ba20.7372 b4.09116510-3所以 H20.73724.09116510-3V根据关系式计算，设计最高运行水位0.9m时，概化的总库容量为5288.76104m3，最大调节库容量3886.42104m3。与上述计算结果非常接近。根据地下水库所布置的动态观测井，定期掌握库区的地下水位变化，则可以明了库容量的变化值，用于指导和控制库区内的地下水资源开采利用状况。3 地下坝的施工地下坝是地下隐蔽工程，除了受到地下岩层所夹持，还要面临海水与地下淡水，所以不可能采用大开挖的方式施工。采用高压喷射灌浆的施工手段。根据本地的地质条件，沿坝轴线的地层具有可灌性。灌注的板墙具有良好的抗渗能力，在低水头的条件下运行，安全可靠。同时施工进度快，成本低。3.1 围井试验本次围井试验，依托坝轴线而建，可以使其中的一面成为今后的所建板墙的一部分。共布置围井四个，一个为三面形闭合，其他三个为四面围成的方形。然后开挖直接观察研究凝结体的形态、组成及抗渗性试验，对不同部位取样，室内测试水理性质及力学性质，从而筛选出有价值的施工参数。从试验中得出：地下挡水板墙施工，使用的主要灌浆材料为抗海水腐蚀的火山灰硅酸盐水泥。以孔距2m和摆动喷射角度30的连接成墙是有质量保证的。依据前人的研究成果，低水头防渗板墙渗透系数小于105cm/s,完全起到防渗效果。本次试验测定的凝结体不同部位的渗透系数均在此值以下，满足抗渗要求。3.2 施工工艺及参数由于高压灌浆施工设备多，并且环环相扣，紧密联合，从导孔的施工到回灌结束，都必须按施工程序严格进行。其工艺流程：对坝轴线进行放线定位按2m孔距定孔位，测孔口高程施工导孔，测孔斜及终孔孔深（以深入隔水底板1.0m为限）喷头跟随管路下到导孔底部，开始喷射灌浆不断摆动提升到0.9m高程为止。观察孔内浆位，低于0.9m高程时还要人工回浆补充。轴线上布孔，分为一序孔和二序孔，相间排列。施工时，一序孔在先，相隔五昼夜后再施工二序孔，目的在于一序孔施工的凝结体达到初凝程度，二序孔施工的凝结体与其连接紧密可靠。通过围井试验并参照国内外高压喷射灌浆的施工经验，确定地下坝的施工参数为：高压水压力不低于380kg/cm2，水量75Lmin左右；气压68 kg/cm2，气量不少于60m3/h；浆压2.54.0 kg/cm2，浆量7580Lmin，进浆比重不低于1.65；回浆比重不低于1.25；提升速度在砂层中为8cm/min，在粘土、亚粘土中为6 cmmin，摆动速度6转min。3.3 挡水板墙的形状与规模所谓的“地下坝”是对地下水库而言的。滨海地下水库所建的地下坝实际上是双向挡水的地下板墙，它是由一个个喷灌的凝结单体连接形成的。在导孔内的喷灌机具是以30角摆动的双向一字喷射，结果单体成亚铃形横断面。单孔喷灌形成的凝结体的连接是板墙挡水效果的关键。首先，保证导孔施工的垂直度。钻机定位时，确保立轴的铅直及机座的稳定，终孔时孔斜控制在0.5以内。其次，一序孔与二序孔之间的喷灌时间差为五天，在二序孔喷灌时，一序孔的凝结体处在初凝状态，一般情况下，二序孔的喷射相接不致将其破坏，可做到焊接式连续，不存在接缝问题。特别是一、二序孔的喷射，相邻两孔摆角的中心线成150夹角，使两个单体总有相接的机会，没有错位的可能。整个挡水板墙的形状是折来折去的褶型板墙。这种板墙除保证它的挡水效果外，对垂直压力和水平力的承受优于平板墙，稳定性较好。工程共施工导孔7017个，总进尺90501m，灌浆消耗水泥32384吨，粘土2397.6吨，形成的板墙实际长为5996 m，板墙的下边深入隔水岩层0.5 m。平均板墙高度为26.65 m, 最大高度40.1 m，最大坝底埋深43.4 m。板墙的挡水面积为156815.6 m2,加上深入基岩部分达到159812.6 m2,成为封闭式的地下挡水墙。4 人工补源工程包括人工建立的渗井工程和主干河道拦蓄工程。4.1 渗井工程由于防洪及土地整治，在上个世纪六十年代将黄水河中下游的天然河道裁弯取直，筑起人工堤，加强河道管理。这样以来，河道通畅，河水直泻入海，结果是河水流动途径大大缩短，致使河水入渗量显著减少。特别是人工河道中漫滩相的细土层显著增加。经实地调查，主干河道中有60.1%为不同厚度的亚粘土和亚砂土层覆盖，削弱了地表经流与地下水的联系。为了改变这种状况，采用人工增渗的方式，打通相对隔水的细土层，以增强人工河道的入渗能力。由于河道中细土层的厚度不等，对于地表土层厚度小于5m的部分，采取人工开挖的方式，建立起直径为1m的圆井，谓之“人工渗井”。井深以挖穿土层，深入下伏砂层0.5 m为限，然后回填河卵石、砾石及粗砂，建立反滤结构的砂石柱体，成为河水下渗通道。当河道表层土厚度大于5m时，采用机械施工建立所谓“机渗井”，井径800mm，一般打穿土层和第一个砂层，与深部潜水含水层直接勾通，井深1520m，下有水泥滤水管，管径400mm，管与井壁间回填粒径24cm的砾石。洗井后，井口加有带锥形孔水泥井盖，孔径12 cm，孔数24个左右，上覆粗砂层，成为掩埋式渗井。渗井工程总量，机渗井300眼，总进尺5235.6 m；人工渗井2218眼，总进尺11920 m。还有为增强地表水横向连通性的渗沟448条，垂直河道布置，总长35840 m；渗盆773个，都与渗井有密切的水力联系，可以更好地发挥渗井的功能。工程涉及的河道长度，主干河道10.77km，6条一级支流长达17.49 km。4.1.1 渗井试验为了求得渗井工程的实际效果，在河道中选定具有代表性的两眼机渗井和两眼人工渗井，做河道行洪时的模拟试验。并且布置观测井19眼，进行地下水位观测，试验连续进行35天，取得了一大批观测数据。4.1.2 入渗量的计算以模拟行洪时，产生淤积条件下的井入渗量，作为评价机渗井和人工渗井的依据，其单井入渗量分别为404m3/d和76m3/d。此值可以代表同类渗井在一年中行洪期及地表径流相对稳定条件下的单井入渗能力，也可视为整体渗井的入渗强度值。那么，300眼机渗井的入渗量可达12.1104m3/d；2218眼人工渗井的入渗量可达16.8104m3/d。合计达28.9104m3/d。现在的问题是黄水河是一个季节性河流，一年当中究竟有多少时间出现地表径流。根据降水的典型年来确定黄水河的产流时间分别为：丰水年320天，平水年180天，枯水年90天，特枯年20天。诚然，这些产流时间，不可能在全部补源工程的范围内产生效益，有时在河上游产流而下游断流。这要引入一个与地表径流出现范围大小的相关系数来体现这一变化。事实上，丰水年出现范围最大，相关系数可在0.9；特枯年出现范围最小，相关系数为0.2左右，平水年在0.65，枯水年为0.5。那么，根据不同典型年的产流时间，相关系数和单井入渗量，可以得到不同年份的渗井可入渗总量：丰水年为8323104m3/a，平水年为3380104m3/a，枯水年为1300104m3/a，特枯年为116104m3/a。由渗井工程获取上述的地下水补给量，无疑是为龙口市的水资源增加了新的组成部分。同时对发挥地下水库的储调功能，在干旱年景进行年际调节发挥良好作用。4.2 河道拦蓄工程渗井工程的建立，欲要发挥良好的作用，无疑还有一个接受补给水源的时间问题。天然条件下，受降水的影响，不同的年份，受水时间相差悬殊，因此建立河道拦蓄工程，使径流成为长时间的滞留水体，可以更好地发挥水体淹没下的渗井补给作用。在黄水河中下游的主干河道中，先后建立起拦河闸6座，闸型均为水力自控式钢筋混凝土翻板闸。具体指标见表1。6道拦河闸一次性最大拦蓄地表水的能力达360.5万m3，可回水总长度为12690 m，占河道干流长的50%，可回水区范围内控制的机渗井288眼，占总数的96%；控制的人工渗井数1635眼，占总数的73.7%。表1 拦河闸指标及控制井数闸 名闸 长(m)闸 高(m)最大拦蓄量(万m3)最大回水长度(m)回水区控制井数机渗井(眼)人工渗井(眼)侧高闸172.52.554.024005437吕家闸172.52.524.081030280西张闸183.42.556.0198070232妙果闸189.52.587.0300094721冶基闸178.43.057.0200040365黄河营闸195.42.582.52500-经过先建闸的多年运行，闸内的蓄水时间一年可达60300d不等。这样，大大地延长了渗井的工作时间，使其地表水体的下伏形成了一个向下游及两侧漫延的地下水丘。由于地下水位的上升，复活了周围干枯的农用机井，也增加了地下径流向地下水库汇集。6道拦河闸投入运行后，考虑闸区静水有沉淀淤积，渗水受阻的条件下，一年中通过工程可以获得的地下水增量在1193.45967.0104m3。这里要特别指出的是黄河营拦河闸，它是河下游临海的一道闸，与地下挡水板墙连体，为了不使地下板墙承受闸体重量，进行错位式密封连接。它除了拦蓄河水外，还起到阻挡海水的作用。从而避免了入海口处河道中常有高潮位海水上溯进入库区。5 工程管理包括库区地下水动态管理、废污水管理、河道管理以及开采井的布局调整等。5.1 库区地下水动态管理在原来区域地下水动态观测的基础上，将库区作为独立的观测单元，建立观测网络。首先对观测井作出增设与调整，坝外也增加了相应的观测对比点。形成了一条横剖面和两条纵剖面，加上库区控制点共55个。地下水位观测5天一次，水质监测一年两次，分别在6月初和12月初，集中取样进行化验分析。库区地下水动态管理，可以掌握地下水开采的主动权，了解开采漏斗的动态变化。没有海水入侵时，可以放心地加大地下水的开采范围，动用更多的储存量，来应付干旱时期的缺水局面。库区地下水的水质情况，通过几年的取样分析，近期内没有明显变化，以氯根离子为例，在建坝前的基础上略有波动。5.2 废污水管理这方面的工作是在库区以及流域内进行。在修建地下水库前，已经对黄水河中下游（上游已由大型地表水库管理）的工业废水，铺设了38km长的排污管道，集中起来进行处理，然后排海。对于城区的生活污水，建立污水处理厂，进行处理后达标排放。同时，配合市环保局建立长效机制，加强流域，特别是库区的废污排放进行监督检查，发现问题，及时处理。5.3 河道管理主要是在黄水河主干河道控制的流域内进行。为此，专门成立了河道管理局。每年的防汛季节，对闸区的来水、蓄水、开闸放水等进行科学调度，保证人员、设施及下游的安全。在干旱期，进行6闸联动，相互协调，根据需要进行蓄水量的调配。5.4 库区开采井的布局调整建库前，由于海水入侵，开采井必须远离海边，正常的开采井离海岸一般在45km以远。但是，建立起地下挡水墙以后，阻断了地下水与海水的联系，应该对生产井进行适时地调整，形成新的合理布局，进一步扩大库区地下水供水能力，促进库区的地下水交替，建立人工条件下的补给径流开采在范围上更大些，以利于建坝后留在库区的咸水进行抽咸换淡，改良水质，保持库区水环境的良好状态。6 结语龙口市滨海地下水库主体工程地下挡水板墙建成已有10个年头了，对阻断海水入侵，拦蓄和储存地下淡水，增加地下水资源可利用量，提高年际用水的调节能力，改善库区的生态环境都发挥了比较理想的作用，对本地区经济的持续发展起到了很大保障作用。作为系统工程，是在实践中逐渐认识，不断总结，渐趋完善的过程。以大气降水、地表水和地下水的有机联系，有利转化，增加储存，加大开采为思路，进行硬件配套和提高管理水平，可使工程发挥更好的经济、社会和环境效益。参 考 文 献 1、汪熊麟，胡淑琴，籍传茂，王兆馨。地下水人工补给译文集。北京西四，地质出版社，1987，40-83 2、陶景良，混凝土防渗墙施工，北京三里河路6号，水利电力出版社。1988，1-107