日本沖繩地下水庫情況介紹

1、日本沖繩地下水庫情況介紹王彥軍,雷?。ㄖ袊喔扰潘l(fā)展中心,北京100053）摘要:日本沖繩地區(qū)受地質(zhì)條件的限制,地表水資源匱乏。為了穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值,政府根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r,積極開展地下水庫建設(shè)。對日本沖繩地下水庫的建設(shè)方法、適用條件、地下水庫的優(yōu)缺點等作了簡單介紹。關(guān)鍵詞:日本;地下水庫;地下水壩沖繩的基本情況沖繩縣位于距離日本首府東京1560km的西南部,主島沖繩是一個東西窄、南北長的島嶼。沖繩由161個大小不同的島嶼組成,其中112個島嶼無人居住,49個島嶼有人居住。總面積2266km2，約占日本國土總面積的1%，其中耕地面積4.14萬hm2;人口128.7萬,約為全國人口的1%

2、,其中農(nóng)業(yè)人口81760人。沖繩以農(nóng)業(yè)為主,主要種植甘蔗和熱帶、亞熱帶水果，其中甘蔗種植面積占農(nóng)地面積一半以上。沖繩縣屬亞熱帶海洋性氣候，年平均氣溫為23.1C,冬天氣候溫和，平均氣溫16.8C。年平均降雨量2000多mm，超過日本本島,但降雨量主要集中在梅雨季節(jié)和臺風(fēng)季節(jié)，所以不同年份、不同季節(jié)的降雨量差別很大。沖繩縣境內(nèi)琉球石灰?guī)r分布廣泛，在這種地區(qū)很難形成天然河流或建設(shè)人工河。降雨的40%滲入地下，經(jīng)過透水性很強的琉球石灰?guī)r流向大海，50%被蒸發(fā)掉，僅10%的降雨留存地面被利用，農(nóng)作物產(chǎn)量很不穩(wěn)定。為此，國家實施了系列開發(fā)農(nóng)業(yè)水資源工程措施保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，包括建設(shè)水壩、渠首工程、地下水庫等

3、，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益，其中比較成功的工程案例是地下水庫的建設(shè)。日本在世界上具有領(lǐng)先的地下水庫建設(shè)技術(shù)與經(jīng)驗。地下水庫的開發(fā)利用所謂地下水庫是指沿海地區(qū)通過在河流入海附近興建地下攔水壩形成的。地下水庫通常有兩種用途，一是攔蓄地下潛流，提高地下水位，保證農(nóng)業(yè)灌溉的穩(wěn)定性;二是防止海水入侵。日本沖繩修建地下水庫的目的主要是為了提供農(nóng)業(yè)灌溉用水。其地下水壩的厚度一般為50cm,是一堵防水性很強的地下墻體,壩長依地下水文地質(zhì)條件而定,壩基通常至不透水巖層以下50cm處。由于水壩建在地表以下,墻體兩邊均有土層支撐,所以對水壩壩體本身的強度要求不高,通常為10kg/cm3。沖繩的地下水庫建設(shè)始于

4、1977年,到目前為止國家和沖繩縣共投資興建了10座地下水庫（包括幾座正在興建之中的水庫）,其中最大的壩體長度達2612m,最大的地下水庫儲水容量為345萬t。已建水庫為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展做出了很大貢獻。世界上其他地區(qū)也建有地下水壩,但與日本的比較起來規(guī)模要小得多。2.1建設(shè)地下水庫需要的條件地下水庫的成功建設(shè)需要符合一定的水文地質(zhì)條件,首先是有地下谷和適宜的含水層存在,地下谷應(yīng)該由高透水、高孔隙率的含水層和不透水的粘土層組成。沖繩琉球石灰?guī)r一般埋深在4070m，孔隙率達到10%，這種地形條件很適合建設(shè)地下水壩。地下水壩不僅適合琉球石灰?guī)r地形,也適合河床下面是沖擊層和火山碎料的地質(zhì)情況。二是要

5、有充足的地下水補給源，水量越充足，建筑地下水壩的效果越明顯。地下水庫的主要補給水源是降雨，如果當(dāng)?shù)亟涤炅肯∩?，那么地下水庫永遠也不能儲存足夠的水量。第三是水壩建成后，可以形成較大的儲水容量，如果在建設(shè)地下水庫之前，地下水位就比較高，那么水壩建成后的效果會更好。第四，在建設(shè)以防止海水入侵為目的的水壩時，海水入侵量一定要小，否則很難將已入侵的海水轉(zhuǎn)變?yōu)榈?。第五是含水層中沒有軟土層或軟土層很少。如果含水層中的軟土太多，在抽取地下水時，軟土?xí)幻撍畨嚎s，地面物質(zhì)就可能進入地下水庫，造成地面下沉。另外，除了上述5個條件外，有時還需考慮當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟因素。2.2地下水壩的施工方法地下水庫的建設(shè)有4種方法

6、（見圖1）:大開挖法、地下完善法（用機器鉆進，然后噴入混凝土，形成不透水的墻體）、不透水體法（也稱灌漿潛入法）和隔水墻法。在日本沖繩主要采用隔水墻施工法，本文僅對該種施工方法作簡單介紹。隔水墻法即為現(xiàn)場攪拌土壤形成混合墻的方法（見圖2），這種施工方法比其他幾種方法要經(jīng)濟。施工過程分為單軸鉆進和三軸鉆進兩部分。單軸鉆進包括3個步驟，一是設(shè)置作業(yè)面。在這個過程中，需要設(shè)立工作平臺和導(dǎo)向墻，用于安裝固定鉆探設(shè)備、保證鉆進的精確度。導(dǎo)向墻通常為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為0.5mX0.5m;工作平臺為混凝土結(jié)構(gòu)，t二0.2,B=9.1m。二是套管鉆孔過程。為了提高鉆探的垂直精確度，在鉆探時把直徑為600mm

7、的鉆頭放進直徑710mm、長20m的套管中作業(yè)，將井孔鉆至作業(yè)面以下20m的地方。所鉆井孔在同一條直線上，井孔與井孔的中心間距是900mm。三是先行鉆孔過程。在所鉆的井孔中下套管，并繼續(xù)推進鉆頭,直到到達設(shè)計的深度。所鉆井孑L成為三軸鉆進中單個鉆頭的引導(dǎo)管。三軸鉆進也包括三個步驟，一是三軸削平過程。在這個過程中，三軸螺旋鉆將所鉆井孔間殘留的突起部分削平，以形成溢流斷面。二是三軸攪拌施工過程，即鉆孔形成（隔水墻）土壤混合墻的方法。完成削平挖掘工作后，繼續(xù)推進三軸鉆頭，鉆掉井孔間的土壤，將所有的井孔連接在一起。至計劃鉆進的深度后,一邊提升鉆頭時，一邊注入固化用的注入液（水泥乳狀液），注入液與鉆下的

8、石灰?guī)r碎屑混合攪拌，形成隔水墻。三軸鉆孔將先前所鉆的井孔重疊連接起來，形成連續(xù)的墻體。三是溢流斷面過程。隔水墻建成后,注入混凝土形成壩頂，混凝土硬化后,填埋碎石,形成溢流斷面。二二-:二：-oiiM閻火開挖怯（町地F光善法不遴水體法憶）觸水，酋法圖1地下水壩的施工方法2.3施工過程管理地下水壩是通過銜接在一起的井孔形成的，如果井孔錯位，就形成不了連續(xù)的墻體,起不到防滲的作用，水庫也就不可能達到儲水目的。因此在鉆井施工過程中，嚴(yán)格監(jiān)測、控制井孔的垂直精確度是十分重要的步驟，這個過程是通過安裝在鉆機上的監(jiān)控設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上實現(xiàn)的。監(jiān)測傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括井孔深度、鉆井時每米鉆深所注入的注入液的容

9、量、提升鉆桿時每米鉆深注入的固化液的容量、每5m鉆深的傾斜度（X軸和Y軸）、操作時間與日期、鉆井速度、注入液的總?cè)萘?、鉆機的電流強度、鉆機末端的偏差及鉆井末端位置圖。當(dāng)三軸鉆進至設(shè)計深度時，在鉆機末端的每根鉆桿上插入內(nèi)置式傾斜表測量井軸的偏差，將數(shù)據(jù)輸入計算機后繪制出不同井孔深度的軸線圖，可以明顯的檢查出井孔的連續(xù)性。井孔的傾斜率應(yīng)控制在5%以內(nèi)，否則需要對傾斜率太大的井孔進行調(diào)整或重新鉆新的井孔。沖繩的鉆井經(jīng)驗表明，深度超過40m的井孔約有20%需要調(diào)整，深度在40m以內(nèi)的井孔約有5%需要調(diào)整。深度越大,需要調(diào)整的井孔比率也越大，保證墻體連續(xù)性的難度也越大。目前，日本建壩技術(shù)也只有70m井深

10、的經(jīng)驗。去七過程圖2隔水墻施工過程流程2.4地下水庫的優(yōu)缺點建設(shè)地下水庫的投資相對于同等規(guī)模的地上水庫來說要少很多;建設(shè)地下水壩不占用土地，地下水庫建成后地面仍然可以用來耕種作物。由于地下水庫是在地下，即使水壩壩體出現(xiàn)問題，也不會像地面水壩那樣形成危害人們生產(chǎn)生活的洪澇事故。地下水庫沒有蒸發(fā)損失,建設(shè)地下水庫也不會對下游生態(tài)產(chǎn)生影響,所以說對環(huán)境的影響遠遠小于建設(shè)地面水壩對環(huán)境的影響。但是建設(shè)地下水庫的前期勘探工作量較大、時間較長。地下水庫建成后,很難對其儲水容量進行精確的估算。另外建設(shè)深層地下隔水墻需要先進的鉆探技術(shù)和施工監(jiān)測技術(shù),否則墻體之間不能很好的銜接在一起,難以達到預(yù)期的儲水目的。地

11、下水庫建成后,需要用水泵抽水灌溉,所以運行成本相對較高。2.5建設(shè)地下水庫應(yīng)注意的事項建設(shè)地下水庫應(yīng)做好前期勘探工作,充分了解當(dāng)?shù)氐叵滤牡刭|(zhì)條件,選擇建設(shè)地下水壩的最佳位置,盡可能降低水壩的長度,保證能夠充分?jǐn)r截、儲存地下水。在施工過程中,需要用計算機進行實時監(jiān)控,保證鉆孔的垂直精確度。另外,在建設(shè)地下水庫時,水壩上端離地面要保持一定的距離,設(shè)置溢流斷面,防止地下水位過高時,出現(xiàn)地面滯澇現(xiàn)象。水壩建成后，在水壩上下游離壩體5m處每隔50m設(shè)置一個觀察井,用來觀察上下水位變化,以了解壩體是否處于正常工作狀態(tài)。2.6地下水庫對沖繩的貢獻地下水庫的建設(shè)為農(nóng)作物生產(chǎn)提供了穩(wěn)定的灌溉水源,促進了沖繩地

12、區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的穩(wěn)定與增收,減少了旱災(zāi)所造成的損失,如在1993年,沖繩縣石垣市發(fā)生干旱,年降雨量大大減少,但由于有地下水庫做保障,當(dāng)年的甘蔗產(chǎn)量并沒有因此而減少。目前,沖繩灌溉用水依賴地下水庫提供水源的趨勢正在增加。試驗研究表明,經(jīng)過灌溉的甘蔗產(chǎn)量每公頃比灌溉前增加了1/3。據(jù)統(tǒng)計,1971年每公頃土地的甘蔗產(chǎn)量為163.2t;有了地下水庫后,灌溉水源有了保障,在加上其他農(nóng)業(yè)措施,1993年每公頃甘蔗的產(chǎn)量提高到793t。有了可靠的灌溉水源后,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變,從單純的種植甘蔗向種植蔬菜、花卉、水果、煙草以及草場（喂養(yǎng)牲口）等高附加值的產(chǎn)品發(fā)展。地下水庫在我國的應(yīng)用及發(fā)展前景我國北方許多

13、城市嚴(yán)重缺水,但許多地方水資源的利用率卻又較低。北方地區(qū)降水時間集中，每年79三個月的雨季幾乎集中了全年降水的70%80%，雨季水量的大量過剩,不但浪費了極其寶貴的水資源,還導(dǎo)致地表的鹽堿化和洪澇災(zāi)害的加劇。針對這種情況,山東省濟南市從該市的臥虎山水庫經(jīng)玉符河放水0.1億m3，通過濟南市地區(qū)的強滲漏帶滲入地下，并在這一地區(qū)的24個強滲漏帶建立了53個地表水?dāng)r截壩，攔截了南部山區(qū)每年白白流失的數(shù)億立方米的地表水，使其經(jīng)過滲漏帶時滲入地下水庫,這項工程的成功實施使消失多年的趵突泉煥發(fā)了新的生命。這項工程完全建成后，還可望每年增加地下水補給量0.35億m3，使?jié)铣菂^(qū)的地下水位枯水期保持在26.8m以上,其