大柳樹(shù)壩址巖體滲漏量物理模擬

胡 瑾 聶德新 劉漢超

（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）

20世紀(jì)90年代以來(lái)，庫(kù)壩建設(shè)中復(fù)雜壩基地質(zhì)條件下滲漏與滲透變形問(wèn)題成為地質(zhì)工作者重點(diǎn)研究的課題之一。本文所述的黃河大柳樹(shù)擬建的壩址位于一規(guī)模巨大的活動(dòng)逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)，經(jīng)歷過(guò)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜。壩址區(qū)散體結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和層狀碎裂結(jié)構(gòu)巖體之和達(dá)80%［7］，一般巖塊大小僅為30～50cm，壩基滲漏是其主要的工程地質(zhì)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外許多地質(zhì)工作者雖對(duì)水利水電工程不良巖類(lèi)壩基地層的滲漏特性進(jìn)行了大量的研究，包括滲流理論、控制滲流的措施以及松散巖類(lèi)庫(kù)壩滲漏與滲透問(wèn)題的評(píng)價(jià)辦法，但是本處破碎巖體作為一種特殊的地層巖性，因其具有成因復(fù)雜、規(guī)律性差等特點(diǎn)，使得所有研究必須建立在對(duì)該巖層了解的基礎(chǔ)上，可是目前對(duì)此類(lèi)巖體上建壩的研究較少。因此，無(wú)論是在國(guó)外還是在國(guó)內(nèi)，在對(duì)此類(lèi)巖層上庫(kù)壩滲漏與滲透變形問(wèn)題研究方面存在著嚴(yán)重不足，特別是以前在評(píng)價(jià)大壩的滲漏問(wèn)題時(shí)，往往是按照地質(zhì)分析的方法進(jìn)行，對(duì)物理模擬的研究較為忽視。從已有工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及本工程實(shí)際情況出發(fā)，本文擬就以上問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

該壩址位于黃河黑山峽出口以上2km處，黃河由NNE轉(zhuǎn)向NEE向流經(jīng)壩址區(qū)［10］。河谷呈寬緩“U”字形，左岸為夜明山，右岸為馬長(zhǎng)梁。河床覆蓋層厚度5～13m，下伏基巖面無(wú)大的起伏。壩址區(qū)沖溝發(fā)育，多以直角或鈍角交向黃河。其中與右岸滲漏有關(guān)的主要沖溝為大柳樹(shù)溝與冰溝。

1.2 地層巖性

壩址區(qū)出露地層為中寒武統(tǒng)香山群第四亞群（磨盤(pán)井組）、上泥盆統(tǒng)（老君山群）、石炭系及第四系松散堆積物。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

壩址位于中衛(wèi)－同心斷裂帶組成部分的F3與F7斷層之間。中寒武統(tǒng)香山群第四亞群在壩址區(qū)的產(chǎn)狀為：右岸 NE60°～80°SE∠30°～75°，向下游逐漸變緩；左岸 NE65°～85°SE∠55°～85°或 NW270°～300°SW∠65°～85°。在壩線附近巖層總體走向與河流夾角30°～40°。巖體中次級(jí)斷裂及層間擠壓帶極為發(fā)育，大致可歸納為5組，分別為 EWS∠70°～90°，NE50°～80°SE∠65°～90°，NW280°～315°NE∠45°～60°，近 SN 傾 E∠80°～90°，NE55°～70°NW∠10°～34°。

1.4 水文地質(zhì)特征

壩址區(qū)屬甘寧山區(qū)，氣候干燥，植被稀少，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，加之斜坡效應(yīng)，降水入滲量很小。壩址區(qū)地下水主要為基巖裂隙潛水。該含水層主要受大氣降水補(bǔ)給和區(qū)域地下水的側(cè)向補(bǔ)給，補(bǔ)給源匱乏，地下水埋藏較深，并隨季節(jié)變化而波動(dòng)；水力坡度平緩，徑流緩慢，水質(zhì)較差。兩岸地下水位略高于河水位或與黃河水位持平，地下水補(bǔ)給河水（圖1）。取312硐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)涌水量計(jì)算出的滲透系數(shù)為0.7×10－4m／s。壩址區(qū)的平面圖、河間地塊的剖面圖分別見(jiàn)圖2及圖3。

圖1 地下水與黃河補(bǔ)給關(guān)系示意圖Fig.1 Diagram showing the relationship between groundwater and the Yellow River recharge

圖2 大柳樹(shù)壩壩址滲漏平面示意圖Fig.2 A certain dam seepage plan view

2 巖體滲漏情況分析

圖3 滲透剖面示意圖Fig.3 Penetration profile schematic plan view

該壩址所處的部位溝壑發(fā)育［10］，主要的沖溝常流水溝、冰溝、陳水溝三溝延伸均在4km以上，主干段平均坡降分別為2‰，4‰，6‰。其中右岸壩下游冰溝大體呈NW350°方向發(fā)育，與黃河河道大銳角相交；右岸壩前陳水溝大體呈NW280°方向發(fā)育，與黃河河道鈍角相交。壩址區(qū)黃河河道拐彎，由Ⅱ至Ⅲ壩線間的NE15°變?yōu)棰糁立鲏尉€間的NE80°方向。三者共同切割出一個(gè)三角形山地（圖2），在1.38km水位時(shí)，成為河間地塊。壩后1.1km長(zhǎng)的黃河河谷及3km長(zhǎng)的冰溝構(gòu)成右岸出滲邊界。區(qū)域性斷層如F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)7－8，F(xiàn)201，在此可滲漏區(qū)域內(nèi)均呈近東西走向，在埋深較大處，由于滲透性較小，可對(duì)南北向滲透起一定限制作用；在埋深較小處，由于受松動(dòng)及卸荷等影響，隔水性很小，不能起到有效的阻水作用。

在壩區(qū)所處部位具有破碎的地形地貌，松動(dòng)巖體滲透性較大，又具有可能的鄰谷滲漏途徑及近140m的水頭差，因此在此壩區(qū)右岸具有兩處滿(mǎn)足此種條件的途徑，一是壩區(qū)大柳樹(shù)溝與冰溝之間有溝谷連接，通過(guò)大柳樹(shù)溝到冰溝一定有滲漏通道存在；二是馬長(zhǎng)梁內(nèi)部大柳樹(shù)溝與壩下黃河之間難形成地下分水嶺，即使水庫(kù)蓄水前河間地塊存在地下分水嶺，但其高程大大低于蓄水后正常高水位，則水庫(kù)充水之后地下分水嶺消失，也勢(shì)必會(huì)引起滲漏。因此，就需要計(jì)算出具體的滲漏量，以確定帷幕灌漿的可行性。

根據(jù)理論計(jì)算該壩區(qū)右岸總的滲漏量為18.63m3／s［10］。

3 巖體滲漏物理模擬

3.1 模型的建立

3.1.1 模擬范圍的確定

本次模擬右岸滲漏情況，因此取圖2中右岸部分、兩溝之間的河間地塊作為本次模擬的范圍。

3.1.2 邊界條件

本次模擬的模型室內(nèi)四周邊界其中較長(zhǎng)兩側(cè)模擬壩址巖體與其相鄰巖體的接觸面。由于本次模擬的僅為滲漏的河間地塊的一段，因此將其看作獨(dú)立的水文地質(zhì)單元體。該水文地質(zhì)單元體的邊界條件為水頭高的一側(cè)有傾向另一側(cè)的阻水?dāng)鄬樱▓D3），向下到一定深度巖體的整體性變好，與上部的松動(dòng)巖體相比可以看作阻水的；因此，將模擬材料放入降雨模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。降雨模擬試驗(yàn)系統(tǒng)底部為不透水的，可以模擬該單元體的底界。四周也為不透水的，剛好滿(mǎn)足該水文地質(zhì)單元體的所有邊界條件。較短邊的有水槽的一側(cè)模擬黃河；較短邊的另一側(cè)模擬大柳樹(shù)溝，與黃河水位差為140m。

3.1.3 初始條件

本試驗(yàn)的初始條件主要考慮水位的問(wèn)題，將水位穩(wěn)定在設(shè)計(jì)水位。

3.2 相似關(guān)系的建立

3.2.1 幾何條件

如果設(shè)幾何長(zhǎng)度為l，面積為A，體積為V，則原型與模型相對(duì)應(yīng)的幾何量有以下比例關(guān)系［11］

3.2.2 物理?xiàng)l件

本次研究的重點(diǎn)為巖體的滲漏問(wèn)題，因此物理?xiàng)l件主要考慮滲透系數(shù)要滿(mǎn)足相似比，其次考慮相似材料的密度與抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足相似比。

在松動(dòng)巖體裂隙張開(kāi)度較高時(shí)，可以認(rèn)為水流是紊流，可近似按明渠水流的模式來(lái)推導(dǎo)。對(duì)處于阻力平方區(qū)的明渠水流都要求滿(mǎn)足重力相似準(zhǔn)則（即佛汝德相似準(zhǔn)則）和紊動(dòng)阻力相似，其條件為［11］

式中：nP和nM分別是原型和模型的糙率，λL是模型的長(zhǎng)度比尺。

根據(jù)（4）式和（5）式，可以導(dǎo)出滿(mǎn)足重力相似和紊動(dòng)阻力相似的其他物理量的比尺關(guān)系［11］：

采用同種液體進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)λv＝1，λρ＝1；而在庫(kù)水滲漏一定時(shí)間后，其滲漏的過(guò)程就只與水量有關(guān)，因此模型的設(shè)置就不考慮時(shí)間了；而且其滲漏的庫(kù)水在裂隙中流動(dòng)時(shí)可以認(rèn)為沒(méi)有外加的壓力，因此作用力與壓力也可以不考慮；最主要考慮的就是流量的影響，因此模型的建立除幾何條件與邊界條件相似外，考慮的就是流量的影響。

3.3 相似材料的選取

根據(jù)經(jīng)濟(jì)等各方面的條件要求，我們實(shí)際采用普通燒結(jié)磚來(lái)作為相似材料。其原因在于：磚的滲透系數(shù)（15℃）約為1.0×10－4～1.0×10－5m／s，與該處松動(dòng)巖體中總的滲透系數(shù)較為接近；而該壩址巖體中的結(jié)構(gòu)面張開(kāi)與節(jié)理錯(cuò)動(dòng)和巖體架空造成在較完整巖塊之間的裂隙處巖體滲透性比總體滲透系數(shù)大很多，這正好可以由磚與磚之間的空隙模擬。同時(shí)，在擺放時(shí)將磚的方向按巖層的產(chǎn)狀及裂隙方向設(shè)置，使其與原型類(lèi)似。

3.4 模型的制作及量測(cè)

用降雨模擬試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)滲透的A－A剖面進(jìn)行模擬，根據(jù)幾何相似的要求，壩址處按滲漏可能進(jìn)行的剖面形狀按1∶250的比例尺將滲透情況進(jìn)行模擬（圖4）。實(shí)際巖層產(chǎn)狀為N60°～70°E∠35°～60°，模型根據(jù)該產(chǎn)狀進(jìn)行設(shè)置。

模型室內(nèi)四周邊界其中較長(zhǎng)兩側(cè)模擬壩址巖體與其相鄰巖體的接觸面；較短邊的一側(cè)模擬黃河；較短邊的另一側(cè)模擬大柳樹(shù)溝，與黃河水位差為140m。

在模擬之前先將模擬黃河的水槽注入水，然后將模擬大柳樹(shù)溝的一側(cè)注水直至水位穩(wěn)定在設(shè)計(jì)水位。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Test site

通過(guò)量測(cè)得到滲流的平均總滲流量為20.1 m3／s。

3.5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)相似定理及規(guī)律，選取制作材料和滲漏的物理模型，并透過(guò)模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)計(jì)算得出其滲透量。滲透量計(jì)算值與實(shí)際值是吻合的，說(shuō)明使用普通燒結(jié)磚來(lái)替代普通物理模擬材料模擬本工程的實(shí)際情況是可行的。因?yàn)樵摰貐^(qū)可能產(chǎn)生滲漏的巖體非常破碎，滲透途徑是隨機(jī)的，和磚的滲透模式相近。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的選取試驗(yàn)，選擇了一種既經(jīng)濟(jì)又適合在此種巖體結(jié)構(gòu)中使用的模擬材料 普通燒結(jié)磚，以便將來(lái)遇到類(lèi)似巖體時(shí)可做定性的模擬；同時(shí)，通過(guò)對(duì)相似比的研究建立了物理模型實(shí)驗(yàn)。通過(guò)物理模擬，數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析出該處巖體的滲漏情況，計(jì)算其滲漏量大小，與根據(jù)傳統(tǒng)方式分析計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出其值較接近的結(jié)論，因此本次模型的材料選擇與試驗(yàn)方法是可行的。

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