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      黃河上游某水電站工程壩基巖體滲透性特征研究

      2020-06-23 08:36:40楊偉強(qiáng)巨廣宏
      關(guān)鍵詞:壩址滲透性變質(zhì)

      楊偉強(qiáng),巨廣宏

      (中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065)

      許多水庫存在病險(xiǎn)問題,其中水庫滲漏是最普遍的一種現(xiàn)象[1]。水庫滲漏是指水庫內(nèi)水體由庫盆巖土體向庫外滲漏而漏失水量的現(xiàn)象[2],一直是水利水電工程界重點(diǎn)研究的問題之一,水庫出現(xiàn)滲漏,不僅會(huì)導(dǎo)致水庫的容量下降,引發(fā)的滲透變形、壩坡失穩(wěn)等問題還會(huì)威脅到大壩的安全,嚴(yán)重影響水電站工程的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[3- 4]。巖體滲透性確定是滲漏量計(jì)算、防滲方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文通過對(duì)該水電站壩址區(qū)地下水的埋藏運(yùn)移特征、滲流場特征、巖體滲透特性及巖體滲透性的空間特征進(jìn)行研究,對(duì)水庫滲漏研究具有一定指導(dǎo)意義[5]。

      1 地下水埋藏運(yùn)移特征

      壩址區(qū)河谷彎曲,深切200~250m,河道狹窄,水流湍急,多有跌坎,平水期河水位在3088.3~3272.0m,平均坡降2.6‰,河水面寬50~100m,水深10~15m。工程區(qū)地貌類型為高原山地,岸坡陡峭,部分直立,基巖裸露較好,河床覆蓋淺,沖溝支流發(fā)育,多常年有水。

      壩址區(qū)地下水主要以孔隙水和基巖裂隙水的形式賦存于各種巖性的地層內(nèi),壩址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水,孔隙水總體水量較小。

      基巖裂隙水主要賦存中生代二長巖、三疊系變質(zhì)砂巖以及第三系的礫巖中,主要受大氣降水及遠(yuǎn)山地下水側(cè)向補(bǔ)給,黃河為區(qū)域排泄基準(zhǔn)面;受地形切割、地層巖性及構(gòu)造控制,兩岸地下水埋深及水位差異明顯:左岸地下水埋深淺,坡降大;右岸地下水埋深大,坡降小;左右兩岸地下水位均低于正常蓄水位,尤以右岸更加低緩。本區(qū)的地下水由大氣降水補(bǔ)給,黃河為區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面,地下水和地表水最終均排于黃河[6]。

      以壩軸線部位為例,右岸在正常蓄水位高程(3275m)岸坡的地下水位埋藏最深達(dá)160m,地下水位高程3114m左右,且水力坡降較緩,為15°~25°;左岸地下水位埋藏較淺,在正常蓄水位高程岸坡的最大埋深83m,水位高程3190m左右,且水力坡降較陡,平均為35°~38°。兩岸正常蓄水位高程的地下水位相差約76m,水力坡降總體右緩左陡。

      2 地下水滲流場特征

      本次研究根據(jù)鉆孔所獲得的地下水位來自于不同時(shí)期測(cè)得的結(jié)果,對(duì)壩址區(qū)的各個(gè)鉆孔水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后,分別做出雨季和枯季地下水徑流場如圖1—2所示。

      圖1 枯季地下水徑流場

      圖2 雨季地下水徑流場

      由圖1可知,壩段左岸地下水徑流場起伏較小,地下水等水位線由岸坡遠(yuǎn)處逐漸向河岸降低。右岸地下水位則有明顯的起伏,這與其地面形態(tài)有密切聯(lián)系,反映出地下水水位隨著地表接受降雨補(bǔ)給面積的減少而降低的特征。

      將雨季地下水徑流場同枯季地下水徑流場進(jìn)行比較,可以看出地下水在兩岸附近仍然抬升較快,而兩岸往坡內(nèi)方向上地下水位逐漸變得平緩。

      同枯季時(shí)的地下水流場一樣,雨季地下水位向上、下游、河岸、坡內(nèi)均降低,但是地下水徑流場起伏情況顯得更加的平緩。這一點(diǎn)也反映出壩段旱季和雨季地下水徑流特征的區(qū)別,從旱季到雨季地下水由于補(bǔ)給量增加,地下水位普遍抬升,且原來水位較低的區(qū)域地下水首先抬升,抬升幅度較大,原來水位較高的區(qū)域后期抬升,抬升幅度較小,造成雨季的地下水徑流場較旱季更為平緩的特點(diǎn)[7]。

      3 巖體的滲透特性

      壓水試驗(yàn)是在鉆孔內(nèi)進(jìn)行的巖體原位滲透試驗(yàn),現(xiàn)場操作和數(shù)據(jù)整理簡單,成果較為客觀可信,確定巖體的滲透性較準(zhǔn)確,是確定裂隙巖體滲透性的主要方法,被廣泛應(yīng)用于水利水電工程領(lǐng)域[8- 10]。壩址區(qū)在勘察階段進(jìn)行了大量的鉆孔壓水試驗(yàn),為更好的了解壩址區(qū)巖體滲透特征提供了許多重要的數(shù)據(jù)信息[11]。巖土滲透性按滲透系數(shù)或透水率的大小進(jìn)行分級(jí),以表征巖體滲透性強(qiáng)弱的程度,從而為評(píng)價(jià)水利水電工程地基的滲漏量、地基巖體滲透穩(wěn)定性及選擇地基防滲方案提供依據(jù)[12- 13]。

      3.1 試驗(yàn)成果的分區(qū)統(tǒng)計(jì)

      據(jù)壩址區(qū)巖體鉆孔壓水試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì),其呂榮值:<5Lu的試段占總試段的88.72﹪,其中<1Lu的試段占41%,1~3Lu的占43%,3~5Lu的占16%;5~10Lu占為7.91﹪,10~15Lu的占1.25﹪,15~20Lu僅占0.23﹪;>20Lu的僅1.88﹪,即壩址區(qū)巖體總體以微-弱透水為主,僅少量巖體屬中等透水。

      左、右岸及河床的分區(qū)巖體透水率(q)見表1。即從宏觀分區(qū)的統(tǒng)計(jì)資料看,壩址區(qū)巖體的滲透性差異不大。

      表1 左、右岸及河床的分區(qū)巖體透水率 單位:%

      3.2 不同巖性的滲透特性分析

      圖3為壩址區(qū)不同巖性的呂榮值,可見壩址區(qū)第三系泥質(zhì)粉砂巖、礫巖、二長巖、變質(zhì)砂巖四種巖性的透水率平均值均小于5。第三系粉砂巖的最大、最小值相差較大,達(dá)5倍之多,礫巖次之。

      二長巖與變質(zhì)砂巖的最大、最小及平均值基本相同,說明兩種巖性的透水性相當(dāng),初步判斷在影響兩岸地下水徑流特征的因素中,巖性的差異不是起決定性作用。

      圖3 壩址區(qū)不同巖性呂榮值

      3.3 不同風(fēng)化巖帶的滲透特性

      據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì),各巖性不同風(fēng)化帶壓水試驗(yàn)平均值見表2。

      壩址區(qū)強(qiáng)風(fēng)化礫巖中等透水,弱風(fēng)化弱透水;全風(fēng)化的二長巖中等透水,強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微新二長巖均表現(xiàn)為弱透水;強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖中等透水,微風(fēng)化的弱透水,新鮮變質(zhì)砂巖微透水。弱風(fēng)化與微風(fēng)化的二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶透水性為微透水-弱透水。

      表2 不同巖性各風(fēng)化帶壓水試驗(yàn)加權(quán)平均值 單位:Lu

      3.4 不同巖性接觸帶的滲透特性

      二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶是侵入接觸帶,變質(zhì)砂巖與第三系接觸帶是沉積間斷帶,這二者都可能表現(xiàn)出較強(qiáng)的透水性。綜合各鉆孔接觸帶壓水試驗(yàn)資料,對(duì)不同巖性接觸帶巖體透水性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

      3.4.1二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶

      不同巖性接觸帶中,壓水試驗(yàn)資料最多的是二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶,共有19個(gè)鉆孔在接觸帶進(jìn)行了壓水試驗(yàn)。二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶在鉆孔內(nèi)一般處于弱風(fēng)化帶以下,其透水率與上下母巖的透水性相當(dāng),均為弱-微透水,接觸帶擠壓緊密,強(qiáng)度高,無蝕變軟化跡象,如圖4—5所示。

      圖4 二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶呂榮值所占比例(弱風(fēng)化)

      圖5 二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶呂榮值所占比例(微風(fēng)化)

      3.4.2礫巖與變質(zhì)砂巖接觸帶

      有3個(gè)鉆孔遇到強(qiáng)風(fēng)化礫巖與變質(zhì)砂巖接觸帶,其中強(qiáng)風(fēng)化接觸帶透水率最大值為26.04Lu,其余二者分別為4.82Lu和3.5Lu。

      3.4.3礫巖與二長巖接觸帶

      有2個(gè)鉆孔遇到礫巖與二長巖接觸帶,其中強(qiáng)風(fēng)化接觸帶透水率為3.83Lu,弱風(fēng)化為3.09Lu。

      3.4.4粉砂巖與礫巖接觸帶

      有7個(gè)鉆孔遇到粉砂巖與礫巖接觸帶,其中強(qiáng)風(fēng)化接觸帶透水率最大值為131.85Lu,其余強(qiáng)風(fēng)化接觸帶平均值為3.89Lu,弱風(fēng)化接觸帶平均值為3.4Lu。

      4 巖體滲透性的空間特征

      對(duì)壩址區(qū)順直峽谷段內(nèi)的鉆孔壓水試驗(yàn)成果進(jìn)行空間匯總建模,可更直觀地揭示壩基巖體滲透性在空間上的變化規(guī)律[14- 15]。對(duì)工程區(qū)巖體透水率按q≤3Lu和q≤1Lu的分界點(diǎn)高程匯總并做出相應(yīng)三維等呂榮線,如圖6—7所示??梢钥闯觯?/p>

      (1)總體上,壩基q≤3Lu和q≤1Lu的曲面與河谷的形態(tài)相一致。

      (2)左岸q≤3Lu的高程范圍均為3050~3300m,但左岸多數(shù)鉆孔q≤3的高程界線在3150~3250m之間,右岸為3140~3240m。

      (3)q≤1Lu的高程范圍,左岸為3020~3300m,右岸為3000~3200m,左岸多數(shù)鉆孔q≤1Lu的高程界線在3120~3250m,右岸在3100~3140m。

      圖6 壩址區(qū)透水率q≤3Lu的巖體頂板

      圖7 壩址區(qū)透水率q≤1Lu的巖體頂板

      (4)河床孔q≤3Lu的范圍是3050~3080m,多數(shù)鉆孔界線在3060~3070m;q≤1Lu的高程范圍3030~3050m,大多數(shù)鉆孔界線在3030~3050m之間。

      (5)q=1Lu和q=3Lu兩高程面之間的巖體呂榮值在1~3Lu之間,3300m以上,呂榮值多大于3。

      5 結(jié)論

      本文通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查等研究工作,對(duì)某水電站工程壩基巖體滲透性進(jìn)行了研究,主要取得了如下結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

      (1)工程區(qū)地下水類型以基巖裂隙水為主,孔隙潛水總體賦存量小,地下水主要受大氣降水及遠(yuǎn)山地下水側(cè)向補(bǔ)給,向區(qū)域排泄基準(zhǔn)面-黃河排泄。

      (2)受地形切割、地層巖性及構(gòu)造控制,兩岸地下水埋深及水位差異明顯,水力坡降總體右岸緩、左岸陡。

      (3)從旱季到雨季地下水由于補(bǔ)給量增加,地下水位普遍抬升,地下水在兩岸附近抬升較快,兩岸往坡內(nèi)方向上地下水位逐漸變得平緩。

      (4)壩址區(qū)巖體的滲透性差異不大,總體以微-弱透水為主,僅少量巖體屬中等透水。二長巖與變質(zhì)砂巖的透水性相當(dāng),其接觸帶透水率與上、下母巖的透水性相當(dāng)。

      (5)將鉆孔壓水試驗(yàn)成果按透水率q≤3Lu和透水率q≤1Lu的分界點(diǎn)高程匯總并做出相應(yīng)三維等呂榮線圖,可直觀展示巖體滲透性的空間分布特征。

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