四川紅層區(qū)某水庫(kù)壩址滲漏影響因素

康小兵,許 模,夏 強(qiáng),張世殊

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059;2.中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

水庫(kù)蓄水后庫(kù)區(qū)水位隨即抬升，增大了水庫(kù)內(nèi)外的水力坡度，由此導(dǎo)致庫(kù)水經(jīng)壩基和壩肩巖體、土體中的裂隙、孔隙、破碎帶或巖溶通道向壩下游滲漏，該現(xiàn)象稱為壩基或繞壩(壩肩)滲漏。壩址滲漏是水庫(kù)工程重要的水文地質(zhì)問題之一，滲漏不僅影響水庫(kù)工程的效益、大壩的穩(wěn)定性，還會(huì)產(chǎn)生環(huán)境水文地質(zhì)問題[1]。如廣東省深圳市嶺澳水庫(kù)，大壩基巖為中泥盆統(tǒng)桂頭組細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖夾泥巖，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，滲透系數(shù)K=1×10-3～1×10-5cm/s，因左岸壩基全風(fēng)化巖石未做帷幕灌漿，導(dǎo)致在正常水位條件下滲漏量達(dá)2×106m3/a，占其庫(kù)容的40%[2]。因此分析壩址滲漏問題，估算滲漏量，提出合理的防治措施，對(duì)工程建設(shè)具有重要意義。

滲漏是水庫(kù)建設(shè)過程中需重點(diǎn)關(guān)注的問題，目前壩基滲漏量計(jì)算方法主要有斷面流量法和數(shù)值法。斷面流量法是依據(jù)達(dá)西定律，計(jì)算通過壩下地基斷面的流量。數(shù)值法主要采用剖面二維滲流模型和三維滲流模型[3]，已有眾多科技工作者進(jìn)行了實(shí)踐與探討。如李新民等人在中梁水電站用數(shù)值法和解析法計(jì)算壩區(qū)滲漏量，兩種方法的計(jì)算結(jié)果均顯示壩基帷幕防滲效果良好，是壩區(qū)岸坡巖體的風(fēng)化對(duì)滲漏量的影響較大[4]；黃朝煊等基于復(fù)變函數(shù)的保角映射理論及數(shù)值分析法，推導(dǎo)了壩基滲漏及壩肩繞滲的解析解計(jì)算公式[5]；程春龍等人運(yùn)用MODFLOW和LAK3結(jié)合模擬了某水庫(kù)滲漏動(dòng)態(tài)過程，計(jì)算得到該水庫(kù)年滲漏量[6]。

結(jié)合實(shí)際工程，本文在現(xiàn)場(chǎng)查明潛在滲漏通道基礎(chǔ)上，應(yīng)用解析法和數(shù)值模擬法對(duì)水庫(kù)壩址滲漏量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為水庫(kù)防滲提供依據(jù)。

1 工程概況

四川省東部約有11.805×104km2的面積出露白堊系和侏羅系的紅色砂、泥巖，地貌形態(tài)以丘陵為主，稱之為“川東紅層丘陵區(qū)”。川東紅層區(qū)內(nèi)水資源相對(duì)匱乏，同時(shí)由于氣候原因，存在明顯的周期性和區(qū)域性干旱。有效解決供需矛盾的措施之一就是修建水庫(kù)。

擬建水庫(kù)位于四川盆地南緣、岷江支流的溜根河上，設(shè)計(jì)的水庫(kù)壩頂海拔高度361.0 m，最大壩高45.0 m，控制集水面積21.7 km2，河長(zhǎng)13.8 km，正常蓄水位的海拔高度358.5 m，庫(kù)容10.09×106m3，是一座以灌溉為主，兼顧灌區(qū)集鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水等綜合水利工程。

據(jù)地質(zhì)勘探資料，壩址谷底寬14.0～15.0 m，河床海拔高度323.0～325.0 m，河床覆蓋層厚約3 m，為砂土，呈飽和、松散-稍密狀，下伏基巖為下白堊統(tǒng)窩頭山組(K1w)砂巖(圖1)；兩側(cè)岸坡完整性較好，左岸坡角40°～45°，右岸坡角50°～55°，壩肩段基巖裸露或淺埋(埋深<0.5 m)。第四系與砂巖均屬透水巖體，壩區(qū)存在滲漏的可能。

圖1 壩址區(qū)工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Cross section of engineering geology for the dam site area

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 地形地貌

壩址區(qū)位于四川盆地西南部，所處地貌分區(qū)屬盆地內(nèi)構(gòu)造剝蝕低山丘陵區(qū)之構(gòu)造剝蝕盆中方山丘陵亞區(qū)，地貌形態(tài)基本輪廓受地質(zhì)構(gòu)造控制，同時(shí)與地層巖性密切相關(guān)。丘陵區(qū)以剝蝕為主，山區(qū)及河谷區(qū)以侵蝕作用為主。區(qū)內(nèi)地貌單元主要可劃分為構(gòu)造剝蝕地貌和侵蝕堆積地貌兩大類型[7]。

2.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)含水層性質(zhì)以及地下水在含水介質(zhì)中的富集形式和分布特征，水庫(kù)區(qū)地下水類型可分為兩類：松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。

松散巖類孔隙水主要為第四系孔隙潛水。研究區(qū)域內(nèi)第四系松散巖類殘坡積層和崩坡積層并沒有廣泛分布，厚度1～3 m，較薄，基本不含水。沿溜根河分布的沖洪積層，以卵礫石夾砂為主要含水層，主要接受河水和大氣降水補(bǔ)給，形成較穩(wěn)定的地下水潛水面，埋藏淺，水量大，徑流條件好，水位呈季節(jié)性變化。

紅層區(qū)基巖裂隙水主要為風(fēng)化帶裂隙水。研究區(qū)基巖裂隙水賦存于白堊系巨厚層砂巖和侏羅系砂、泥巖地層中，砂巖、泥巖裂隙、孔隙發(fā)育，具有良好的儲(chǔ)水空間及透水性。地下水接受大氣降水及上覆第四系孔隙水補(bǔ)給，由高向低順裂隙和孔隙徑流，主要以泉、井形式排泄。受地形地貌和裂隙發(fā)育程度的限制，多就近補(bǔ)給、排泄于附近低洼地帶或沖溝，徑流途徑較短。局部砂巖與泥巖的互層段，地下水具有一定承壓性。

因此，為盡早發(fā)現(xiàn)急性重型減壓病致肝內(nèi)多發(fā)積氣及其他消化道損害，建議在常規(guī)行胸部CT檢查時(shí)加做腹部CT或腹部強(qiáng)化CT檢查，甚至在急性減壓病早期經(jīng)再加壓治療好轉(zhuǎn)后出現(xiàn)腹脹或腹部疼痛不適等消化系統(tǒng)癥狀時(shí)，應(yīng)及時(shí)行腹部CT或腹部強(qiáng)化CT檢查，明確診斷并采取綜合治療。

2.4 壩址滲漏通道分析

據(jù)“壩址(渠線)選擇專題報(bào)告”、“正常蓄水位選擇專題報(bào)告”資料，河床壩基及兩岸壩肩巖體存在透水帶，有壩基滲漏、滲透問題。

壩址河床覆蓋層一般厚度2～3 m，厚度較薄，物質(zhì)成分主要為孤塊石夾砂土，松散-稍密狀，透水性較強(qiáng)，據(jù)抽水試驗(yàn)，滲透系數(shù)平均為7.3×10-2cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水層。

紅層丘陵區(qū)因侵蝕和剝蝕作用較弱，在物理風(fēng)化、生物風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化綜合作用下，地表以下普遍有30～50 m厚的風(fēng)化裂隙帶，是地下水運(yùn)移、儲(chǔ)存、埋藏的主要空間與通道。壩基巖體為窩頭山組砂巖，風(fēng)化巖體為弱-強(qiáng)透水層，新鮮巖體為微-中等透水層，壩基及壩肩存在滲漏與繞壩滲漏問題。

根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果分析，壩址區(qū)巖體透水性與巖體風(fēng)化狀況、巖性、裂隙發(fā)育程度、張開寬度和連通性等有密切關(guān)系。壩址河床巖體透水帶(透水率>5 Lu)厚度為46～49 m，左岸厚度為31～62 m，右岸厚度為60～63 m。強(qiáng)-弱風(fēng)化巖體比新鮮巖體透水性強(qiáng)，巖層總體上具有隨深度的增加透水性逐漸減弱的趨勢(shì)。透水帶的存在帶來(lái)了水庫(kù)滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。

3 解析法估算滲漏量

壩址滲漏按其發(fā)生滲漏部位又可分為壩基滲漏和繞壩滲漏兩種類型。其中壩基滲漏是指通過壩基覆蓋層及透水巖體向下游發(fā)生滲漏；繞壩滲漏是指繞過兩岸壩肩向下游發(fā)生滲漏。使用解析法可以計(jì)算得到壩基滲漏量和左右兩岸繞壩肩滲漏量[8-9]。

3.1 壩基滲漏

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》，將水庫(kù)區(qū)周邊地下水考慮為潛水，采用水庫(kù)滲漏量計(jì)算公式計(jì)算水庫(kù)壩基滲漏情況[10]。

(1)

式中：Q為滲漏量；K為巖體滲透系數(shù)；b1為過水?dāng)嗝鎸挾?；H為滲漏過程水頭損失；H1為過水?dāng)嗝孀畲蟾叨龋籬1為過水?dāng)嗝孀钚「叨?本次計(jì)算均為0 m)；J為水力坡度；L為滲漏途徑長(zhǎng)度。過水?dāng)嗝鎎1取河床的平均寬度5 m；過水?dāng)嗝孀畲蟾叨菻1取40 m；過水?dāng)嗝孀钚「叨热? m；水庫(kù)的正常蓄水位(海拔高度)是358.5 m，下游河水位(海拔高度)是330.7 m;滲漏過程中水頭損失為27.8 m；滲漏途徑長(zhǎng)度從圖中讀取，約為9.7 m；根據(jù)《紅層地下水勘查開發(fā)的理論及方法》[11]及現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料，研究區(qū)滲透系數(shù)K取0.1 m/d。

計(jì)算得到壩基滲流量為121.3 m3/d，約4.4×104m3/a。

3.2 繞壩滲漏

采用《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》中計(jì)算繞壩滲漏的公式

Q=0.366KH(H1+h1) lg(b/r)

(2)

式中：Q為滲漏量；K為巖體滲透系數(shù)；H為有效水頭高度；H1為庫(kù)水位高出隔水層的高度；h1為河流水邊線的含水層厚度；r為繞壩滲流半徑；b為水庫(kù)沿岸滲漏長(zhǎng)度，b=L/π(其中L為繞壩滲漏寬度)。有效水頭高度為水庫(kù)正常蓄水位與下游河水位之差，為27.8 m；H1取45 m；h1為5 m；繞壩肩滲流半徑r取10 m；繞壩滲漏寬度L可以從圖中讀取，為65 m；滲透系數(shù)K仍然取0.1 m/d。計(jì)算得到繞壩肩滲流量為16.1 m3/d，即0.59×104m3/a，兩壩肩總滲漏量總計(jì)為1.17×104m3/a。

3.3 壩址滲漏程度分析

由以上計(jì)算結(jié)果可知，該水庫(kù)樞紐大壩的總滲漏量為壩基滲流量與繞壩滲流量之和QL= 5.60×104m3/a。

依據(jù)工程地形圖，勾勒出庫(kù)區(qū)四周的分水嶺位置，得到庫(kù)區(qū)匯水面積A= 755.4×104m2，而研究區(qū)年平均降雨量P=1 063 mm。在極限情況下，若認(rèn)為所有降雨都形成產(chǎn)流，匯集后向出口排泄，則出口斷面徑流量Q0= 803.0×104m3/a。

壩滲流總量與徑流量之比(QL/Q0)=0.7%，根據(jù)《水利水電工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL373-2007)的規(guī)定[12]，總滲流量小于河流多年平均流量的3%，為輕微滲漏水庫(kù)，滲流對(duì)壩基穩(wěn)定性影響較小。

4 數(shù)值法模擬預(yù)測(cè)滲漏量

4.1 模型概化及建立

基于國(guó)際通行的地下水模擬軟件Visual MODFLOW，分別建立天然狀態(tài)下和大壩建成后正常蓄水情況下的模型，以預(yù)測(cè)大壩修建對(duì)樞紐區(qū)地下水流場(chǎng)的影響[13,15]。

模擬區(qū)域東西長(zhǎng)1 007 m，南北寬741 m，模擬區(qū)總面積為0.75 km2；模型頂部設(shè)置與地表海拔高度一致，一方面接受大氣降雨的入滲補(bǔ)給，同時(shí)又有蒸發(fā)作用，將其概化為自由面邊界；模型底部海拔高度設(shè)置為300 m，裂隙基本不發(fā)育，可概化為隔水邊界。將沖溝概化為第二類的定水頭邊界，大壩用墻體邊界刻畫，并設(shè)置為滲透系數(shù)極小的滲透單元。

由此將模擬區(qū)域在平面上剖分為97×133個(gè)矩形網(wǎng)格單元，模擬過程中對(duì)壩址部位進(jìn)行了細(xì)化處理，細(xì)化部分的網(wǎng)格大小為5 m×5 m，其余部分為10 m×10 m，每層單元數(shù)為12 901。垂向上自上而下共剖分為5層，整個(gè)模型網(wǎng)格總數(shù)為64 505(圖2)。

圖2 模型網(wǎng)格剖分示意圖Fig.2 Sketch showing model mesh generation

將沖溝內(nèi)水流概化為第二類定水頭邊界條件(圖3)。天然條件下，設(shè)置沖溝內(nèi)水位(海拔高度)為330.7 m，為區(qū)域地下水排泄基準(zhǔn)面。大壩建成后，在正常蓄水工況下，壩上游定水頭邊界水位(海拔高度)為358.5 m，下游為330.7 m(圖4)。壩體是模擬的關(guān)鍵，使用MODFLOW中的墻體邊界(Wall Boundary)來(lái)刻畫大壩。該邊界又被稱為水平流障礙邊界，可用于模擬地下含水層系統(tǒng)中對(duì)地下水水平流具有障礙作用的物體。同時(shí)，將壩體所在單元的滲透系數(shù)取極小值10-10m/d。

圖3 天然條件下邊界條件概化Fig.3 Model boundary generalization under natural conditions

圖4 正常蓄水工況下邊界條件概化Fig.4 Model boundary generalization under normal water storage condition

4.2 模擬結(jié)果分析

4.2.1 地下水滲流場(chǎng)分析

對(duì)比天然狀態(tài)和正常蓄水情況的滲流場(chǎng)平面等直線圖(圖5)可以看出：(1)天然無(wú)壩情況下，壩址區(qū)段河谷滲流場(chǎng)主要由兩岸較高的地下水位向河谷滲透形成。滲流場(chǎng)受地形控制明顯，近河谷地帶坡度陡，水力梯度也較大，離河谷距離增加水力梯度變緩。(2)蓄水后在上、下游水位差的作用下，庫(kù)水的滲漏主要是繞壩基滲漏，以及在大壩兩側(cè)產(chǎn)生的繞壩滲流。

圖5 壩區(qū)地下水滲流場(chǎng)平面圖(模型第2層)Fig.5 Plane showing simulated groundwater seepage field (second layer)(A)天然條件; (B)正常蓄水條件

由圖6、圖7可以看出，水庫(kù)蓄水使得區(qū)域地下水水位總體上有一定抬升。模擬設(shè)置的觀測(cè)孔抬升水位為1.0～6.7 m不等。總體上，上游抬升幅度大于壩軸線，而壩軸線又大于下游；壩右岸抬升幅度又大于左岸。從壩軸線和壩上游200 m剖面看，離沖溝越近水位抬升幅度越大；而壩下游200 m觀測(cè)剖面，離沖溝越遠(yuǎn)水位抬升幅度越大。這是由于大壩擋水，地下水繞壩滲流的結(jié)果。

圖6 天然條件下滲流場(chǎng)剖面圖(模型第15列)Fig.6 Profile showing simulated groundwater seepage field under natural conditions (row 15)

圖7 正常蓄水工況下滲流場(chǎng)剖面圖(模型第15列)Fig.7 Profile showing simulated groundwater seepage field under normal water storage conditions (row 15)

4.2.2 滲漏量計(jì)算

在模型中，通過設(shè)置均衡域來(lái)進(jìn)行滲流量的計(jì)算。分別設(shè)置了壩基滲流均衡域、左壩肩均衡域和右壩肩均衡域3個(gè)計(jì)算區(qū)域(圖8)。其中壩基滲流均衡域貫穿模型，所以在模型的5個(gè)層上均有賦值；左右壩肩僅涉及到模擬的第1、第2層。模擬結(jié)果見圖9。

圖8 水均衡區(qū)設(shè)置平面示意圖Fig.8 Schematic diagram of water balance zone

圖9 模擬滲流量柱狀圖Fig.9 Column graph showing simulated seepage inflow

對(duì)比解析法與數(shù)值法2種方法計(jì)算得到的滲漏量(表1)，對(duì)于壩基滲漏數(shù)值模擬得到的結(jié)果偏大；而2種方法對(duì)左右壩肩滲漏量的計(jì)算總量一致，數(shù)值模擬結(jié)果右壩肩偏小，左壩肩偏大：所以總滲漏量數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果大于解析法。但總體上誤差較小，驗(yàn)證了模型的有效性。滲漏對(duì)于大壩穩(wěn)定性影響有限。

表1 兩種方法滲漏量(m3/d)對(duì)比Table 1 Comparison of seepage amount analyzed by two methods

5 結(jié) 論

本文運(yùn)用解析法與數(shù)值法預(yù)測(cè)了壩址滲漏量，兩者預(yù)測(cè)結(jié)果較為接近，可以相互印證；也表明在均質(zhì)介質(zhì)中能較好地預(yù)測(cè)水庫(kù)滲漏量。計(jì)算結(jié)果顯示，該水庫(kù)壩址總滲漏量為(5.60～6.86)×104m3/a，在河流多年平均流量的3%以下，為輕微滲漏，滲流對(duì)壩基穩(wěn)定性影響較小。

為保證水庫(kù)安全有效運(yùn)行，需對(duì)河床壩基及兩岸壩肩巖體的透水帶進(jìn)行帷幕防滲處理，同時(shí)建議在大壩下游及水庫(kù)周邊鄰谷區(qū)設(shè)置地下水位長(zhǎng)觀孔。