淺析東川轎子山水庫壩址地質(zhì)特征對建壩防滲的影響

靳 文

(云南省水利水電勘測設計研究院,云南 昆明 650051)

淺析東川轎子山水庫壩址地質(zhì)特征對建壩防滲的影響

靳 文

(云南省水利水電勘測設計研究院,云南 昆明 650051)

轎子山水庫壩址地層為侏羅系祿豐組砂泥巖互層,地質(zhì)構造及物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育,壩址區(qū)內(nèi)砂巖、裂隙發(fā)育的粉砂質(zhì)泥巖為含水(透)水層,較完整砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為相對隔水層,因陡傾角節(jié)理發(fā)育巖體透水性差異變化較大。為工程安全起見,分析并研究壩址區(qū)附近工程地質(zhì)條件,對于建壩防滲具有重要意義。

水文地質(zhì);滲漏;防滲;滲透變形

擬建轎子山水庫位于昆明市東川區(qū)紅土地鎮(zhèn)西北約12 km 的小清河上,距昆明市233 km,最大壩高99 m,正常蓄水位2 201.50 m,庫容約2.033×107m3,項目擬采用瀝青混凝土心墻風化料壩方案。工程地處剝蝕、侵蝕構造之高山、中高山地貌的Ⅲ級夷平面,其主要地層為侏羅系祿豐組砂泥巖互層,地質(zhì)構造及物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育[1]。為工程安全起見,研究壩址區(qū)地質(zhì)條件對于建壩防滲論證具有重要意義。

1 基本地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

轎子山水庫壩址地處小清河大包腦村河段,位于2 230～2 300 m高程夷平面(屬區(qū)域Ⅲ級夷平面)之下侵蝕構造成因的“V”型峽谷上。本段河床海拔高程2 128～2 107 m,河床縱比降約23‰,河床寬23～45 m,河流總體呈“弓”形自西向東流。左岸為凹岸,河流沖蝕作用較強;右岸為凸岸,河流堆積作用較強。沿河堆積有數(shù)米至十幾米不等的河床沖洪積物。河谷兩岸地形不對稱,左岸坡較為陡峻,右岸坡稍緩。兩岸山頂均較為平緩,地形坡度一般5°～20°。

1.2 地層巖性

壩址區(qū)內(nèi)除第四系覆蓋層外,出露中生界侏羅系中、下統(tǒng)祿豐組地層,侏羅系中統(tǒng)祿豐組(J2l)分4層從上到下為:①第四層(J2l4)中—厚層狀粉砂質(zhì)泥巖,夾紫灰色細粒長石石英砂巖、泥質(zhì)砂巖,未見頂,分布于壩址區(qū)兩岸及山頂;②第三層(J2l3)厚層狀細粒長石石英砂巖為主,局部夾紫色薄層狀粉砂質(zhì)泥巖,厚8～20 m,分布于壩址區(qū)上游兩岸坡腳段、河床及下游兩岸坡;③第二層(J2l2)中—厚層狀粉砂質(zhì)泥巖,局部夾紫色粉細砂巖、長石石英砂巖,厚18～30 m,分布于螞蟥箐溝口及下游兩岸坡;④第一層(J2l1)厚層狀細粒長石石英砂巖,夾紫紅色、紫色薄狀泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,厚25～40 m,分布于螞蟥箐上游、壩址區(qū)下游河床及兩岸坡。侏羅系下統(tǒng)祿豐組(J1l)中—厚層狀粉砂質(zhì)泥巖,局部夾長石石英砂巖、炭質(zhì)頁巖,未見底。分布于壩址區(qū)下游河床及兩岸。

1.3 地質(zhì)構造

整個壩址區(qū)大部處于曉光河—老公地向斜南翼,壩址區(qū)次級小規(guī)模褶皺亦較發(fā)育。壩址區(qū)范圍內(nèi)發(fā)育兩條相對較大規(guī)模斷層,均屬Ⅱ級結(jié)構面:F4位于水庫壩址上游,橫穿小清河河道,屬張性正斷層,斷層面產(chǎn)狀為N40°～60°E,NW∠44°～78°,斷層破碎帶寬度1.0～1.5 m,延伸長度大約1.2 km。F5發(fā)育于壩址下游,屬壓扭性逆斷層,產(chǎn)狀N15°～40°E,NW∠40°～80°,斷層帶寬約1.5～2.0 m。延伸長度約2 km。壩址區(qū)范圍內(nèi)發(fā)育的節(jié)理裂隙,均屬Ⅴ級結(jié)構面。

1.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

壩址區(qū)不良物理地質(zhì)現(xiàn)象較發(fā)育,共發(fā)育滑坡3個,分別為HP2、HP3、HP5。HP2位于壩址左岸下游岸坡,HP3位于螞蟥箐上游左岸,HP5位于壩址左岸上游公路旁。發(fā)育沖溝3條,分別為壩址近壩左岸上游大沖溝(稀性泥石流溝),壩址近壩左岸下游沖溝,壩址右岸上游螞蝗箐小河。坍塌、崩塌共發(fā)育15個,多發(fā)育于壩址左岸公路旁、沖溝邊、局部陡坡段,總體規(guī)模較小;卸荷據(jù)壩址左岸PD3、PD5平硐資料揭露,左岸強卸荷帶水平深度(基巖內(nèi))一般2～5 m。據(jù)壩址右岸PD4、PD6、PD8平硐資料揭露,右岸強卸荷帶水平深度(基巖內(nèi))一般3～7 m;巖石風化據(jù)壩址區(qū)鉆孔資料,左岸全強風化帶基巖厚度6.0～25.0 m,右岸全強風化帶基巖厚度7.00～26.00 m;河床段因水流沖蝕作用,無全強風化基巖,砂、卵礫石層下出露弱風化巖體。

1.5 水文地質(zhì)條件

壩址區(qū)內(nèi)砂巖、裂隙發(fā)育的粉砂質(zhì)泥巖為含水(透)水層,較完整砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為相對隔水層,因陡傾角節(jié)理發(fā)育巖體透水性差異變化較大。

兩岸地下水接受大氣降水下滲補給,地下水主要沿基巖孔隙、裂隙向小清河徑流排泄;壩址區(qū)左岸枯期地下水位高程2 121.26～2 179.7 m,略高于枯期河水位2 120.8 m,此外壩址區(qū)左岸下游2 128 m高程出露的穩(wěn)定下降泉水均說明枯期同一河床橫斷面上,地下水補給河水,水力坡降15.9%;右岸存在一個地下水低槽區(qū),從岸邊至F5斷層,ɑ-ɑ′剖面(見圖1)里程120～563 m段最低水位為2 112.73 m,觀測日期為2007年3月16日,約低于河床8 m,該段地下水主要接受大氣降水補給及螞蝗箐支流河水補給,垂直山脊向下游小清河排泄,與壩址區(qū)河水水力聯(lián)系不明顯。F5斷層以南,地下水位高于壩址處小清河河床,從ZK28孔2013年7月29日觀測的地下水位高程為2 223.40 m,約高于河床102 m,地下水力坡降13.75%,地下水一部分接受大氣降水補給,一部分接受螞蝗箐支流補給,向下游小清河方向徑流。

壩址區(qū)右岸存在的地下水低槽區(qū)形成原因可能是:該地塊受NW-SE向小清河、SN向螞蝗箐、近EW向F5斷層切割,形成北、東、西三面臨空的地塊。地層巖性為泥巖、砂巖,呈互層或夾層,據(jù)右岸鉆孔揭示,地表覆蓋層之下,山頂至河床有4層泥巖及4層砂巖分布,巖層傾角10°～20°,較為平緩。砂巖透水性較強,屬含水巖層,泥巖透水性相對較弱,屬相對隔水巖層。地塊內(nèi)地下水主要接受大氣降水補給,由于地塊三面臨空,匯水面積很小,地下水補給量十分有限,存在的多層緩傾泥巖(相對隔水層),導致地下水被滯留和積蓄于泥巖之上的砂巖含水層中,可研階段勘探鉆孔ZK23,工作水位觀測顯示,鉆孔在泥巖中鉆進時,工作水位會穩(wěn)定維持在一定深度,當揭穿泥巖后,工作水位會跟著下降至孔底砂巖層中,這一情況驗證了砂巖透水含水、泥巖相對隔水的特征。地塊內(nèi)存在多層上層滯(地下)水,難以補給低于河床的砂巖含水層,以致F5斷層以北出現(xiàn)地下水低槽區(qū)現(xiàn)象。

壩址區(qū)內(nèi)巖體透水性差異變化較大,含水透水層多屬中等透水性,局部卸荷密集帶、陡傾節(jié)理裂隙發(fā)育帶(裂隙等價開度>2.5 mm)透水性強,據(jù)兩期鉆孔壓水試驗資料統(tǒng)計,壩址左岸平均透水率(大值均值)q=91 Lu,平均透水層厚度(算術平均)66.09 m;壩址河床平均透水率q=86 Lu,平均透水層厚度63.73 m;壩址右岸平均透水率q=100 Lu,平均透水層厚度76.79 m。根據(jù)規(guī)程、規(guī)范,本工程以巖體透水率q≤5 Lu視為相對隔水層。

圖1 心墻壩壩線右壩延長ɑ-ɑ′滲透剖面圖Fig.1 Permability profile of prolonged right dam axis of core dam

2 壩基及繞壩滲漏分析

2.1 壩基滲漏

壩址區(qū)內(nèi)壩基及兩岸山體分布有多層中等—強透水的層間裂隙含水透水層,透水層厚度64.25～65.66 m,存在壩基滲漏條件。壩基滲漏采用卡明斯基公式計算(見圖2):

Q=KBhH/(L+h)

式中:Q為壩基滲漏量;B為計算段寬度;K為透水層滲透系數(shù),K值按(K=q/50)近似計算,K取大值均值;H為上、下游有效水頭差;h為壩基透水層厚度;L為壩基滲透路徑長度,取瀝青心墻下混凝土板的寬度。

計算結(jié)果:心墻壩壩基滲漏量43 468.26 m3/d。

2.2 左、右岸繞壩滲漏

因水庫正常蓄水位與左、右岸地下水位、相對隔水層無法相交,兩壩肩下游存在滲溢地形條件,水庫蓄水后,兩岸將產(chǎn)生繞壩滲漏。左岸繞滲帶帷幕按正常蓄水位與地下水交點為389.24 m;右岸繞滲帶帷幕按正常蓄水位與地下水交點為747.14 m。左、右岸繞壩滲漏采用公式:

Q=0.366KH(h1+h2)lg(B/r0)

式中:Q為滲漏量;K為透水層滲透系數(shù),K值按(K=q/50)近似計算,K取大值均值;H為水壩的上下游有效水頭差;h1為上游透水層的厚度;h2為下游透水層的厚度;B為滲漏帶寬度;r0為瀝青心墻下混凝土板寬度的一半。

計算結(jié)果:左岸繞壩滲漏量10 646.89 m3/d;右岸繞壩滲漏量14 363.15 m3/d。經(jīng)計算,水庫總庫容2.021×107m3,年來水量約1.791×108m3,心墻壩總滲漏量為2 499×104m3/a,占總庫容的123.65%,占年總來水量的13.95%;滲漏影響水庫正常蓄水,必須進行防滲處理。

圖2 壩基滲漏計算示意圖Fig.2 Schematical diagram of leakage calculation of dam foundation

3 防滲處理及評價

3.1 水庫近壩段防滲處理及評價

由于河谷兩岸淺表部巖體各類節(jié)理裂隙較為發(fā)育,地下水水位低于庫水位,在水庫近壩段存在壩基及繞壩滲漏問題。

(1) 壩址左岸地下水水力坡降較平緩、地下水補給河水,存在繞壩滲漏問題,滲漏段長約390 m;

(2) 壩址右岸從河床岸邊至F5斷層為地下水低槽區(qū),最低地下水位為2 112.73 m,觀測日期2007年3月16日,低于河水位約8 m,存在壩基滲漏、繞壩滲漏及庫區(qū)向下游小清河滲漏。

從F5斷層以南,地下水位逐漸升高,根據(jù)激電測深及ZK28鉆孔資料,F5斷層具阻水性,上下盤水位差約28 m,根據(jù)激電測深GS3-6(圖1)測點,地下水位(2 181 m)及物探測試誤差(約13 m),推測該點水位為2 168 m,并結(jié)合ZK28鉆孔2013年7月29日測量水位2 223.4 m(因為ZK23鉆孔雨季2013年7月29日測量水位2 153.9 m與枯季2012年5月7日測量水位2 114.3 m,水位差約40 m),推測ZK28鉆孔水位枯季為2 183.4 m,計算出水力坡降為13.75%,至ɑ-ɑ′剖面里程970.81 m處地下水位為2 201.5 m,與正常蓄水位相交,該段庫水存在向下游小清河的滲漏。

庫區(qū)滲漏段以繞滲段末端(輸水洞以南25.84 m)為起點,該點ɑ-ɑ′剖面里程為357.59 m,以正常蓄水位與地下水位交點為終點,ɑ-ɑ′剖面里程為1 004.73 m,滲漏段總長647.14 m,滲漏形式為裂隙型,按達西公式:

Q=BK(H/L)(h1+h2)/2

式中:Q為滲漏量;K為透水層滲透系數(shù),K值按(K=q/50)近似計算,K取大值均值;H為庫區(qū)的上下游有效水頭差;h1為上游透水層的厚度;h2為下游透水層的厚度;B為滲漏帶寬度;L為庫區(qū)上下游有效水頭之間的距離。

計算出滲漏量Q=59.42×104m3/a,占多年平均來水量的0.332%,占水庫總庫容的2.94%。根據(jù)ZK23、ZK28孔壓水試驗資料統(tǒng)計,正常蓄水位下巖石透水率的大值均值為12.5 Lu,K=0.25 m/d,為中等透水層的下限;弱—微風化巖體不存在滲透變形破壞,滲漏也不會對下游造成影響,按照《水利水電工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》[2],滲漏輕微,可不進行防滲處理。

3.2 壩基及繞壩防滲處理

壩基及繞壩滲漏量2 499×104m3/a,建議進行防滲處理。心墻壩防滲處理建議采用帷幕灌漿方案,帷幕線沿壩軸線方向布置,帷幕底界深入相對隔水層(q<5 Lu)5 m。

《碾壓式土石壩設計規(guī)范》[3]SL274—2001,灌漿帷幕伸入兩岸的長度可依據(jù)下述原則確定:①至水庫正常蓄水位與水庫蓄水前兩岸的地下水位相交處;②至水庫正常蓄水位與相對隔水層在兩岸的相交處;③根據(jù)防滲要求,按滲流計算成果確定。

按原則①確定防滲灌漿帷幕伸入兩岸的長度,左岸為389.24 m,右岸為747.14 m;按原則②確定防滲帷幕邊界,伸入兩岸的長度與原則①確定的長度相近,防滲灌漿帷幕工程量將會巨大。因此,只能按原則③進行防滲帷幕設計。

兩壩肩帷幕邊界的確定應在滿足不產(chǎn)生滲透變形及不影響水庫正常蓄水的前提下,盡量減少帷幕長度。按類似工程經(jīng)驗,一般按0.7～1.0倍壩高作為繞壩滲漏段防滲邊界,鑒于本工程壩高99 m,初步擬定按1倍壩高作為繞壩滲漏段防滲邊界。

滲透變形分析:左岸繞滲帶防滲帷幕按1倍壩高,長約100 m處理;右岸繞滲帶防滲處理長按1倍壩高,并封閉其附近的強透水的透鏡帶,長約120 m。兩岸防滲帷幕已進入弱—微風化泥巖、砂巖,巖體較為完整,允許水力比降>10,遠遠大于實際水力比降,不存在滲透變形問題。

滲漏量分析:左岸防滲帷幕長100 m處理后,仍存在滲漏,滲漏量4 495.18 m3/d;右岸防滲帷幕長120 m處理后,仍存在滲漏,滲漏量1 577.81 m3/d。左右岸年滲漏量約222×104m3/a,占河流多年平均來水量的1.24%,滲漏量較小,滲漏水量不影響水庫正常效益發(fā)揮。

通過滲透變形、滲漏計算分析,按1倍壩高確定的繞壩滲漏段防滲邊界,不會產(chǎn)生繞壩滲透變形破壞,漏水量也不會影響水庫正常效益發(fā)揮。因此,建議防滲灌漿帷幕伸入左岸長度為100 m、伸入右岸長度為120 m,防滲底界深入q<5 Lu相對隔水層以下5 m,防滲段長約548.84 m。建議帷幕灌漿在死水位以下采用雙排孔,孔距1.5 m,排距1.0～1.2 m;其余段采用單排孔,孔距1.5 m,具體灌漿參數(shù)由灌漿試驗確定。

4 結(jié)語

云南省地質(zhì)構造復雜,且分布較多的砂泥巖互層地層,其地下水往往具有多層含水層的特點,對該類地層勘探,查明其地質(zhì)條件時,筆者認為應注意以下幾點:

(1) 查明地質(zhì)構造、地層的分布特征,尤其是砂巖類和泥巖類的含水層及相對隔水層分布、厚度、裂隙發(fā)育程度和泉點的分布,以此來分析地下水的補給、徑流和排泄特征;

(2) 在鉆孔勘探時,應根據(jù)巖性分布初判可能存在的含水層,堅持對重點地段地下水位進行多次觀測,且進行對比分析;

(3) 在考慮防滲帷幕邊界時,分析正常蓄水位或相對隔水巖層的分布位置及近壩庫盆的封閉性,若不能滿足要求,則需根據(jù)防滲要求,按滲流計算成果確定。

[1] 靳文.昆明市東川區(qū)轎子山水庫初步設計報告[R].昆明:云南省水利水電勘測設計研究院,2013.

[2] 中華人民共和國水利部.水利水電工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范:SL373—2007[S].北京:中國水利水電出版社,2007.

[3] 中華人民共和國水利部.碾壓式土石壩設計規(guī)范:SL274—2001[S].北京:中國水利水電出版社,2002.

(責任編輯：陳姣霞)

Effect of Geological Characteristics of Jiaozi MountainReservoir Dam Site on Anti-seepage

JIN Wen

(WaterConservancy&HydropoweInvestigationDesignAcademyofYunnanProvince,Kunming,Yunnan650051)

Formation of Jiaozi mountain reservoir dam site is sand-shale interbeded formation in Jurassic system of Lufeng formation.Geological structure and physical geological phenomenon develops.Sandstone in the dam site area and fractured silty mudstone are aquifers (permeable layers).Complete sandstone and silty mudstone are relatively aquifuges.The paper analyses geological conditions near the dam site engineering research for the engineering safety.It has important significance for dam seepage.

hydrologic geology; leakage; anti-seepage; seepage deformation

2015-11-24;改回日期:2016-01-26

靳文(1981-),男,工程師，工程地質(zhì)專業(yè)，從事水利工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:251199684@qq.com

P64

A

1671-1211(2016)02-0207-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.02.016

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160303.1057.032.html 數(shù)字出版日期:2016-03-03 10:57