沂蒙抽水蓄能電站巖體滲透特征研究

肖海波，侯波，趙開(kāi)開(kāi)

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024）

抽水蓄能電站是具有調(diào)峰[1]、抽水填谷、頻率調(diào)整、事故備用等多用途的調(diào)節(jié)電源，是電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)中不可或缺的組成部分，為保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定起到重要作用。查明上水庫(kù)滲漏問(wèn)題是蓄能電站勘察的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。研究巖體滲透特征是查明上水庫(kù)滲漏問(wèn)題的關(guān)鍵因素，直接關(guān)系到上水庫(kù)防滲型式選擇、壩址區(qū)防滲標(biāo)準(zhǔn)、庫(kù)區(qū)開(kāi)挖方式、地下廠房位置選擇、工程投資等諸多方面。

巖體滲透特征的研究方法有理論定量法、經(jīng)驗(yàn)比擬法、水力試驗(yàn)法、反演法等。鑒于壓水試驗(yàn)具普遍性、規(guī)范性等特點(diǎn)，利用壓水試驗(yàn)研究巖體的滲透性越來(lái)越受到廣泛重視[2]。王媛[3]、張莉麗[4]、王錦國(guó)[5]、王新峰[6]等學(xué)者通過(guò)壓水試驗(yàn)資料對(duì)巖體滲透性做了有益探討。本文以沂蒙抽水蓄能電站為例，從地下水位分布特征、壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)、滲透穩(wěn)定性等因素，綜合分析研究區(qū)巖體滲透特征。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地形地貌

沂蒙抽水蓄能電站地處蒙山山脈東南部，區(qū)內(nèi)地面高程150～800 m，屬中低山～丘陵地貌。上水庫(kù)位于劉家寨久俺溝上游溝腦處，沖溝發(fā)育方向約為SE132°，谷底高出魯峪溝下水庫(kù)河床約400 m，庫(kù)區(qū)地形較寬闊平緩，壩址處溝谷呈“V”字型，兩岸地形坡度為22～35°，正常蓄水位606 m時(shí)寬度為537 m，庫(kù)區(qū)天然地形條件較好，見(jiàn)圖1。

1.2 巖性及構(gòu)造

研究區(qū)基巖為晚太古代五臺(tái)期嶧山超單元的片麻閃長(zhǎng)巖和花崗閃長(zhǎng)巖，第四系地層分布于溝底及山坡上。地質(zhì)測(cè)繪及勘探共揭示17條斷層，走向?yàn)镹W、NEE、NE向，破碎帶寬度一般為0.2～0.5 m，斷層主要由斷層泥、碎裂巖、碎塊巖等組成，以陡傾角為主，斷層規(guī)模較小。

裂隙主要發(fā)育NEE、NE、NW向三組，以中陡傾角為主，約占95%，緩傾角裂隙發(fā)育較少，約占5%，見(jiàn)圖2。

圖1 上水庫(kù)三維地質(zhì)模型Fig.1 Three-dimensional geological model of the upper reservoir

2 地下水分布特征

圖2 裂隙走向玫瑰花圖Fig.2 The cracks rose diagram

研究區(qū)地下水按賦存方式可分為第四系孔隙水和基巖裂隙水。據(jù)鉆孔長(zhǎng)期觀測(cè)資料可知，歷年最低地下水位集中于5、6月，其中環(huán)庫(kù)分水嶺地下水埋深最大，受自然條件降雨補(bǔ)給影響大，漲幅大；庫(kù)內(nèi)及庫(kù)外岸坡地下水埋深中等，漲幅中等；庫(kù)底地下水受庫(kù)周地表水和地下水補(bǔ)給，地下水埋深小，漲幅亦最小，見(jiàn)表1。

在天然條件下，研究區(qū)地下水的循環(huán)特征主要受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和氣候條件影響，補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，徑流主要受地形控制，以泉和蒸發(fā)的方式排泄。地下水分水嶺與地表分水嶺形態(tài)基本一致，庫(kù)內(nèi)地下水排泄方向總體由北向南，見(jiàn)圖3。

表1 研究區(qū)鉆孔地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Long-term results of the statistics of the groundwater level observation by drilling in the study area

圖3 地下水等水位線圖Fig.3 Groundwater isopiestic line

3 巖體滲透特征探討

3.1 壓水試驗(yàn)結(jié)果

巖體透水性與巖性、構(gòu)造、風(fēng)化、卸荷程度等密切相關(guān)，研究區(qū)共布置39個(gè)鉆孔，壓水試驗(yàn)段數(shù)共計(jì)573段。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，研究區(qū)巖體以弱、微透水為主，占總壓水段數(shù)的99.0%，中等透水巖體僅占0.7%（見(jiàn)表2）。壩址左岸巖體透水率1 Lu下限埋深36～90 m，谷底埋深25～33 m，右岸埋深37～55 m。

3.2 不同風(fēng)化狀態(tài)巖體滲透性分析

據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析，隨著深度的增大，巖體透水性逐漸減弱（見(jiàn)圖4）。一般斷層帶、裂隙密集帶等部位巖體透水率較大，如ZK1鉆孔內(nèi)揭露的斷層f8處q值為5.2 Lu。

表2 上水庫(kù)（壩）區(qū)巖體透水性統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Rock mass permeability statistics

由圖4可知，巖體的滲透性總體隨鉆孔深度的增加而減小。在深度0 ～30 m地段，巖體的透水率在1.5 ～7.8 Lu，該段巖體呈強(qiáng) ～弱風(fēng)化，裂隙發(fā)育；在深度30 ～55 m地段，巖體的透水率在1.0 Lu左右，該段巖體呈弱 ～微風(fēng)化，裂隙較發(fā)育；在深部地段，巖體呈微風(fēng)化 ～新鮮，巖體的滲透性變化很小（斷層發(fā)育部位除外）。剔除離散性較大的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)不同風(fēng)化狀態(tài)巖體的透水率可知（見(jiàn)表3），強(qiáng)風(fēng)化巖體透水性較強(qiáng)，透水率q平均值為5.55 Lu；弱風(fēng)化巖體q值平均為2.11 Lu；微風(fēng)化巖體q值平均值為0.76 Lu。

圖4 巖體透水率q與深度關(guān)系圖Fig.4 Relationship between the rock mass permeability rate q and depth

3.3 巖體滲透性隨深度變化特征

在統(tǒng)計(jì)鉆孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。剔除地表段透水率異常值、斷層和節(jié)理密集帶段透水率高值，繪制透水率與深度的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5。

通過(guò)擬合運(yùn)算，求得研究區(qū)透水率與深度擬合曲線方程為：

式中，y為透水率，Lu；x為深度，m。

擬合曲線方程回歸系數(shù)R2=0.701，回歸系數(shù)較小，是由于研究區(qū)巖體透水率較為集中。由圖5表明，在埋深40 m以下，巖體透水率多小于1 Lu，透水率與深度關(guān)系曲線圖趨于平緩。如按透水率1 Lu作為防滲控制標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)一般地區(qū)防滲深度為55 ～60 m。

3.4 巖體滲透穩(wěn)定性分析

壩址區(qū)鉆孔共進(jìn)行223段壓水試驗(yàn)，總計(jì)1113.9m。統(tǒng)計(jì)可知，壩址區(qū)P－Q曲線類(lèi)型以A（層流）型為主，占55%，B（紊流）型占18%，C（擴(kuò)張）型占7%，D（沖蝕）型占1%，E（充填）型占19%，見(jiàn)表4。

圖5 透水率與深度關(guān)系曲線圖Fig.5 Relation between the permeable rate and depth

由表4可知，壩址區(qū)P－Q曲線C型和D型比例最少，占8%，二者表示巖體裂隙產(chǎn)生變化，其中：C型表示在試驗(yàn)壓力作用下裂隙狀態(tài)產(chǎn)生變化，巖體滲透性增大，但這種變化是暫時(shí)性的、可逆的，隨著試驗(yàn)壓力下降，裂隙又恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，呈現(xiàn)出一種彈性擴(kuò)張性質(zhì)。C型主要集中于陡傾角裂隙發(fā)育區(qū)，巖石輕微蝕變，透水率為0.62 ～4.00 Lu，平均值為2.11 Lu，屬弱透水；D型表示在試驗(yàn)壓力作用下裂隙狀態(tài)產(chǎn)生變化，巖體滲透性增大，這種變化是永久性的，不可逆的。壩址區(qū)僅有兩處試驗(yàn)段曲線類(lèi)型為D型，該段巖芯劈裂，見(jiàn)巖石輕微蝕變，透水率為0.43 ～0.67 Lu，平均值為0.59 Lu，屬微透水。因此，在壓水試驗(yàn)壓力下，研究區(qū)裂隙不會(huì)產(chǎn)生較大變化，壩址巖體不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。

表4 壩址區(qū)P-Q曲線類(lèi)型匯總表Tab.4 P－Q curve type summary in the dam area

4 結(jié)論

1）研究區(qū)環(huán)庫(kù)分水嶺地下水埋深最大，受自然條件降雨補(bǔ)給影響大，漲幅大；庫(kù)內(nèi)及庫(kù)外岸坡地下水埋深中等，漲幅中等；庫(kù)底地下水受庫(kù)周地表水和地下水補(bǔ)給，地下水埋深小，漲幅亦最小。

2）強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體透水性較強(qiáng)，以弱透水為主；微風(fēng)化巖體以微透水為主；斷層帶、裂隙密集帶等部位巖體透水率較大。

3）巖體滲透性隨著深度的增加而逐漸減小，擬合透水率與深度的關(guān)系公式，為防滲設(shè)計(jì)深度提供依據(jù)。

4）壩址區(qū)P-Q曲線類(lèi)型以A（層流）、B（紊流）型為主，C（擴(kuò)張）型和D（沖蝕）型比例最少。在壓水試驗(yàn)壓力下，研究區(qū)裂隙不會(huì)產(chǎn)生較大變化，巖體不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。

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