寶珠寺水電站廊道析出物中鈣質(zhì)成因分析

何 鵬 陳健康 王 東 朱曉凡

(四川大學(xué) a.水利水電工程學(xué)院,b.分析測(cè)試中心,成都 610065)

1 概述

寶珠寺水電站自1996年10月下閘蓄水至今的運(yùn)行過程中,發(fā)現(xiàn)在許多壩基排水孔和排水溝內(nèi)出現(xiàn)異常析出物質(zhì),這些析出物尤其集中出現(xiàn)在16#壩段基礎(chǔ)廊道和右岸7#、9#、11#排水隧洞中,而且在這些洞段的部分排水管滲水中帶有的析出物隨運(yùn)行時(shí)間無明顯減弱趨勢(shì)。根據(jù)四川大學(xué)水電學(xué)院所做的析出物采樣研究結(jié)果,寶珠寺水電站基礎(chǔ)廊道析出物總體上可分為有機(jī)質(zhì)析出物、鈣質(zhì)析出物和鐵錳質(zhì)析出物3大類(圖1)。

析出物中的鈣質(zhì),一種可能是直接來自于上游庫水,第二種則可能是壩基滲透庫水對(duì)主要滲透通道——壩基巖體中的裂隙或斷層帶中的可溶鈣質(zhì)或壩基灌漿帷幕中的鈣質(zhì)產(chǎn)生了化學(xué)潛(溶)蝕作用的結(jié)果。若是后一種原因,則預(yù)示著壩基巖體中的結(jié)構(gòu)面以及灌漿帷幕處于不斷發(fā)生滲透變形的狀態(tài),這對(duì)壩基巖體的穩(wěn)定將極為不利。

圖1 主要析出物Fig.1 M ain types of sludges

為此,本課題組于2002～2007年對(duì)寶珠寺水電站大壩基礎(chǔ)廊道析出物進(jìn)行了分析與連續(xù)觀察工作,研究范圍及內(nèi)容為對(duì)大壩 7#、9#、11#排水洞及16#壩段基礎(chǔ)廊道析出物、庫水及典型排水管滲水現(xiàn)場(chǎng)取樣,通過室內(nèi)物理化學(xué)試驗(yàn),分析析出物的礦化成分及其成因,對(duì)壩基揚(yáng)壓力、滲流水量監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行歷時(shí)分析,研究其可能對(duì)大壩及壩基產(chǎn)生的影響。

2 壩基滲水通道及其對(duì)庫水滲漏的控制

2.1 壩基滲水通道

根據(jù)水樣同位素分析結(jié)果,壩基排水廊道中排水孔的排出水主要來自于庫水。

壩區(qū)的鈣質(zhì)、鈣硅質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖以及頁巖在結(jié)構(gòu)特征上均具有致密隔水的特點(diǎn),尤其是頁巖,更是天然的地下隔水層。由圖2可見,巖層走向與壩軸線方向小角度(約 30°)相交,因此,壩址區(qū)基本為橫向河谷,不利于庫水沿巖層接觸面或?qū)娱g軟弱夾層發(fā)生繞壩及壩基滲漏。加之含水層、隔水層相間分布,若不考慮斷裂構(gòu)造因素,本工程壩區(qū)巖基應(yīng)具有良好的天然隔水性能。

圖2所示壩區(qū)內(nèi)主要發(fā)育5組斷層:分別為NEE 向(F10、F2、 F12、F7)、NE 向(F4)、NNE 向(F21、F6' 、F4')、NW 向(F60、F11)、NWW 向(F5、F42),其共同特征是帶內(nèi)含有塊狀巖、碎塊巖、角礫巖、斷層泥;除NWW 向組規(guī)模較小外,其余各組規(guī)模較大;除NE向組為壓扭性外,其余均具有張性特征。

圖2 壩區(qū)構(gòu)造示意圖Fig.2 The sketch map of geological structures at the dam site

F60屬 NW 向組,結(jié)構(gòu)面寬 120～130 cm,貫穿大壩上、下游巖基,走向 NW315°,傾向NE,傾角42°,破碎帶由擠壓緊密的塊狀巖、碎裂巖、片狀構(gòu)造巖、糜棱巖組成,鈣質(zhì)膠結(jié)較差;F11逆斷層為與F60同方向的斜列斷層,向上游延伸過壩線,向下游至19#壩段丙塊與F60交匯,走向NW302°～ 315°,傾向 NE,傾角 40°～48°,局部?jī)A角 25°,破碎帶寬10～30 cm。NE、NEE、NWW 向組斷層走向與壩軸線平行或小角度相交,單獨(dú)存在時(shí)均不利于繞壩或壩基滲漏。但由于與NW向組F60等斷層相互交切,連通后庫水仍可由F60進(jìn)入F4、F7、F12等斷層內(nèi)。

據(jù)施工前勘察,壩區(qū)基巖地下水屬裂隙性潛水,地下水主要賦存在斷層破碎帶、斷層影響帶、層間錯(cuò)動(dòng)裂隙帶及其交匯帶內(nèi)。壩基多數(shù)部位灌漿前壓水試驗(yàn)測(cè)得的單位吸水量 ω值多小于0.01;而在斷層部位與局部夾層地段ω值則明顯增大。

根據(jù)以上對(duì)壩區(qū)巖層、構(gòu)造的水文地質(zhì)條件的分析,以及排水孔排水量和斷裂構(gòu)造間具有顯著相關(guān)性的特點(diǎn),表明在建壩蓄水后,盡管各方面條件均有不同程度的變化,但壩基巖體中地下水以裂隙性地下水為主的水文地質(zhì)特征并未改變。庫水的滲漏仍以斷層帶為主通道,庫水的滲漏仍在斷層、裂隙、軟弱夾層相互切割所構(gòu)成的水力網(wǎng)中進(jìn)行。

首先,較大規(guī)模的NW向順河方向斷層F60、F11構(gòu)成了庫水橫穿壩軸線由壩上游滲漏至下游的縱向主干通道;而NE、NEE、NWW 向組斷層(如 F4、F7、F2等)以及 NE 向的軟弱夾層,在與F60、F11等縱向滲漏通道交切后,滲漏庫水則可由縱向主干通道連通至這些與壩軸線平行或小角度相交的結(jié)構(gòu)面中作橫向滲漏運(yùn)移。因此,NE、NEE、NWW向組斷層和NE向軟弱夾層構(gòu)成了庫水在壩基下的橫向滲漏通道。縱、橫兩向滲漏通道共同控制了本工程壩基巖體中庫水的滲流。

2.2 壩基巖體滲流量控制因素

根據(jù)排水孔2000～2006年的觀察記錄繪制的排水孔排水量與庫水位的歷時(shí)曲線圖分析,排水孔排水量與庫水位均呈正相關(guān)性,即隨著庫水位的增高,排水量也隨之增大。聯(lián)系到滲流水水源分析結(jié)果,這種相關(guān)性顯然是符合其來源特征的。

但同時(shí)也注意到,各孔排水量與庫水位的關(guān)聯(lián)程度是不一樣的,這種關(guān)聯(lián)性大小的變化具有如下特征:

a.穿過較大斷裂構(gòu)造的排水孔,其關(guān)聯(lián)程度明顯高于其他孔(如編號(hào)為11DP29的排水孔)。

b.同一排水廊道中,與主干斷層鄰近的孔的排水量與庫水位間的相關(guān)性強(qiáng)于遠(yuǎn)離主干斷層的排水孔(如編號(hào)為11DP29、11DP30的排水孔)。

c.同一排水廊道中,主干斷層上盤的排水孔排水量與庫水位的相關(guān)性強(qiáng)于下盤的排水孔(如編號(hào)為11DP29、11DP30的排水孔相關(guān)性強(qiáng)于11DP31排水孔)。

由此可見,排水孔排水量除與庫水位相關(guān)外,在很大程度上還受到壩基巖體中斷裂構(gòu)造的影響,壩基滲流地下水顯示出較強(qiáng)的裂隙型地下水特征。

3 鈣質(zhì)析出物及其成因

3.1 鈣質(zhì)析出物的分布特征

寶珠寺水電站廊道鈣質(zhì)析出物主要出現(xiàn)在右岸排水廊道的排水孔口及洞壁,特別是在9#洞的9DP35孔～9DP62孔洞段,洞室頂拱、側(cè)壁混凝土噴護(hù)層上有大量的CaCO3白色晶體生長(zhǎng)。

排水廊道中鈣質(zhì)析出物沉淀量的多少與所在位置的滲流水流量、流速有關(guān),而流量、流速在本研究環(huán)境中又受控于滲流主通道——巖體中的有利于滲流的斷層、軟弱結(jié)構(gòu)面、裂隙(縫)的發(fā)育情況。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察,排水孔出現(xiàn)了與壩區(qū)巖基中主要結(jié)構(gòu)面的廊道及其相應(yīng)洞段,一般有大量的H2S氣體釋出。如11#洞的排水孔鉆遇了壩址區(qū)主斷層F4、F13,該洞段內(nèi)即有濃烈的H2S氣味。反之,鈣質(zhì)析出物一般大量出現(xiàn)于遠(yuǎn)離庫水滲流主通道,或巖層中本身裂隙(縫)較不發(fā)育的洞段,如9#洞9DP35孔～9DP62孔段,則形成了有大量的洞頂、側(cè)壁鈣質(zhì)析出物產(chǎn)出的現(xiàn)象。

3.2 鈣質(zhì)析出物的成因分析

3.2.1 現(xiàn)階段壩基巖體及防滲帷幕發(fā)生分解類腐蝕可能性分析

地下水中含有CO2和HCO-3,與被溶物中的CaCO3形成以下的可逆反應(yīng):

在上述可逆反應(yīng)中,當(dāng)?shù)叵滤蠧O2的含量超過平衡時(shí)所需數(shù)量時(shí),混凝土或巖體結(jié)構(gòu)面上的CaCO3就被溶解而受腐蝕。不發(fā)生此型腐蝕的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為水中侵蝕性CO2的含量在直接臨水或與強(qiáng)透水巖土層接觸情況下為＜15 mg/L,在與弱透水土層接觸時(shí)為＜30 mg/L。

通常,地下水中CO2的來源有2個(gè),其一是一部分空氣中的CO2溶解于其中,其二是生物化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。但在所討論的環(huán)境下,根據(jù)水樣所作的水質(zhì)分析結(jié)果表明,各環(huán)境狀態(tài)下(壩前不同水位、壩后、排水孔出口、集水溝等)的水樣中均未檢出侵蝕性CO2(表1)。由此可見,就本工程來講,庫水、滲流水對(duì)滲流途徑上的鈣質(zhì)(包括主滲流通道結(jié)構(gòu)面、灌漿帷幕等)基本不存在產(chǎn)生溶蝕作用的條件。因此,鈣質(zhì)析出物的溶蝕成因在此很難成立。

3.2.2 排水廊道鈣質(zhì)析出物的脫硫酸成因

a.水庫底層水的脫硫酸反應(yīng)

在所采集的排水孔水樣中,經(jīng)測(cè)試,11#排水洞中的 11-A3、11DP25以及 11DP29樣中的SO2-4含量顯示較其他庫水、排水孔水樣偏低(表1);同時(shí),在這3個(gè)取樣點(diǎn)所在洞段有濃烈的H2S氣味。據(jù)錢會(huì)等的研究[3],地下水中出現(xiàn)硫化氫,說明其處于缺氧的還原環(huán)境。在與大氣較為隔絕的環(huán)境中,當(dāng)有有機(jī)質(zhì)存在時(shí),由于微生物的作用,SO2-4將還原生成H2S:

上述反應(yīng)稱為脫硫酸作用,其結(jié)果是使地下水中SO2-4減少甚至消失,而HCO-3增加,pH值變大。

11#排水洞中析出水樣的檢測(cè)結(jié)果表明(表1),上述指標(biāo)確實(shí)發(fā)生了類似的變化,說明正是由于脫硫酸作用促使?jié)B流水釋放出了H2S氣體。

根據(jù)已建成的其他水電站有機(jī)質(zhì)析出物的來源分析成果,普遍認(rèn)為壩基有機(jī)質(zhì)析出物主要是由庫周邊有機(jī)質(zhì)隨水流進(jìn)入庫內(nèi),或庫水養(yǎng)殖業(yè)的餌料及養(yǎng)殖物的排泄物,或施工中遺留的木質(zhì)物及混凝土中的粉煤灰所提供。庫水水體交換很緩慢,使有機(jī)質(zhì)得以在庫底富集,由滲流水?dāng)y帶至

排水孔及地表,由于氧化還原環(huán)境和水動(dòng)力環(huán)境的改變,形成了有機(jī)質(zhì)的沉積物。在所取43個(gè)析出物樣中,其中的8個(gè)析出物樣具有較高的有機(jī)質(zhì)含量(表2)。因此,促成反應(yīng)(2)發(fā)生的條件在此具備。

表1 水樣檢測(cè)結(jié)果Table 1 Detected results of water samples

b.脫硫酸產(chǎn)物H2S的釋放特征

當(dāng)庫水通過壩基巖體中的各種滲透通道到達(dá)排水孔后,由于壓力的降低,反應(yīng)(2)所形成的H2S便會(huì)釋出。若排水孔穿過了主要的滲水通道,如較大的斷層、裂隙發(fā)育帶等,則由于有較大量的滲流水而相應(yīng)地釋放出更多的H2S氣體,11#洞中有濃烈H2S氣味的原因就在于此。反之,遠(yuǎn)離滲流水主要滲流通道,或巖層中本身裂隙(縫)較不發(fā)育的洞段,如9#洞9DP35孔～9DP62孔段,地下水的滲流緩慢,滲水量小,則 H2S氣體釋出量低,在這些洞段就基本嗅不出H2S氣體異味。

c.鈣質(zhì)析出物的形成與脫硫酸作用的關(guān)系

在反應(yīng)(2)中,脫硫酸作用產(chǎn)物HCO-3的生成,使得滲流庫水中HCO-3的濃度顯著增加。

當(dāng)這部分滲流水以較慢速度滲出巖壁、孔口后,由于壓力降低,其中的部分CO2釋出,同時(shí)還可能導(dǎo)致滲流水中的HCO-3濃度達(dá)到甚至超過較低壓力狀態(tài)時(shí)的飽和度,于是促成反應(yīng)(1)向CaCO3固體的形成方向進(jìn)行,在相應(yīng)洞段即形成了有大量的洞頂、側(cè)壁鈣質(zhì)析出物產(chǎn)出的現(xiàn)象(9#洞的9DP35孔～9DP62孔洞段)。而在滲流水高流量、高流速洞段,無充分的時(shí)間使CaCO3固體析出,因此,大量而集中的鈣質(zhì)析出物不易見到(如11#洞段)。

4 結(jié)論

通過對(duì)所取43組析出物樣、46組水樣以及9組巖樣室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)分析與研究表明,在本工程的環(huán)境條件下,鈣質(zhì)析出物中的鈣質(zhì)不是庫水對(duì)壩基巖體結(jié)構(gòu)面或灌漿帷幕溶蝕作用的結(jié)果,或壩基防滲帷幕溶蝕作用的結(jié)果,而是在庫底及壩基巖體相對(duì)封閉的特殊環(huán)境中由于脫硫酸作用促使HCO-3濃度升高而引發(fā)的滲流水中所含鈣質(zhì)的析出,因此,這類析出物的形成對(duì)壩基的穩(wěn)定沒有影響。相應(yīng)洞段水樣測(cè)試結(jié)果中SO2-4、Ca2+的顯著降低(表1),HCO-3的顯著增高,即說明了鈣質(zhì)析出物的脫硫酸成因機(jī)制是成立的。

同時(shí),電站投入運(yùn)行后若干年來的壩基揚(yáng)壓力檢測(cè)結(jié)果表明,大壩河床諸壩段滲壓系數(shù)α值均小于設(shè)計(jì)值0.2;就其歷時(shí)變化而言,均無明顯的周期特征,帷幕運(yùn)行正常,排水減壓效果明顯。這進(jìn)一步地表明了壩基以及灌漿帷幕中沒有或基本沒有發(fā)生滲透變形,鈣質(zhì)析出物的排出未損壞防滲帷幕體。

表2 析出物化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果Table 2 Detected results of the chemical compositions of the sludges

經(jīng)過多年的觀察,析出物的質(zhì)、單位時(shí)間段的形成量均無變化。據(jù)觀測(cè)資料,壩基揚(yáng)壓力的變化也在正常范圍之內(nèi),表明壩基帷幕的工作狀態(tài)正常,也從一個(gè)側(cè)面證實(shí)了鈣質(zhì)析出物的非溶蝕的成因結(jié)論。

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