緬甸某水電站壩址承壓水化學(xué)特征及對工程影響分析

胡亞召，羅玨坪，屈澤偉

(四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

緬甸某水電站壩址承壓水化學(xué)特征及對工程影響分析

胡亞召，羅玨坪，屈澤偉

(四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

承壓水是在水電開發(fā)過程中常見問題，在承壓水高滲透壓力作用下，壩基可能產(chǎn)生化學(xué)溶濾和機(jī)械管涌，造成庫水滲漏。重點(diǎn)對緬甸某水電站低溫、高礦化度的基巖裂隙承壓水分布、水文地球化學(xué)等特征進(jìn)行分析，提出壩址承壓水對工程建設(shè)影響主要是大壩建成后，水庫水位抬高，應(yīng)力增加，最大承壓水頭高出河水位23 m，在滲透壓力不斷作用下，導(dǎo)致化學(xué)溶濾和機(jī)械管涌，造成水庫滲漏，發(fā)生基地付托，導(dǎo)致壩基不均勻沉降，應(yīng)采取適當(dāng)排水方法對承壓水進(jìn)行處理，通過灌漿對承壓水進(jìn)行封堵等處理措施，防止水庫大面積滲漏，為水電站順利建設(shè)提供技術(shù)支撐。

承壓水；水電站；水文地球化學(xué)；處理措施

緬甸某水電站位于伊洛瓦底江上游干流恩梅開江與一級支流其培河交匯處，距其培市約15 km。電站裝機(jī)規(guī)模340萬 kw，安裝5臺68萬 kw的發(fā)電機(jī)組，年均發(fā)電量約177億kw·h。該水電站所在區(qū)域承壓水低溫、高礦化度的特殊性在國內(nèi)外研究中實(shí)屬少見，尤其是基巖裂隙承壓水。本文重點(diǎn)闡述了承壓水分布及水文地球化學(xué)特征，并提出了對工程建設(shè)的影響及處理措施。

1 地質(zhì)背景

緬甸某水電站位于緬甸北部高山區(qū)克欽邦(圖1)，該邦北接中國西藏，東接中國云南，西連緬甸實(shí)皆省、印度，南接緬甸中部干燥地區(qū)，該處屬恩梅開江干流中游河段處，恩梅開江多急流險灘，尚不具備航運(yùn)條件，舟楫通行不暢。

1.國界2.城市、集鎮(zhèn)3.擬建壩址4.鐵路5.一般公路6.主要公路7.高等級公路8.水系

圖1 交通位置圖

緬甸某水電站壩址區(qū)處在緬北與中國交界的高山、中山構(gòu)造侵蝕地貌區(qū)。

地層主要是邁立開江-恩梅開江-伊洛瓦底江變質(zhì)巖帶，屬中上元古界變質(zhì)地層(Pt2-3)，以古老變質(zhì)巖為主，其次為局部的后期巖漿巖侵入體，以侵入巖為主，噴出巖次之。

圖2 其培韌性剪切帶分布圖

1.承壓鉆孔編號2.產(chǎn)狀3.地層代號4.斷層及編號5.F42斷層主斷帶6.F41斷層主斷帶7.影響帶8.碎裂巖9.地質(zhì)界線10.壩軸線

圖3 水電站壩址承壓水鉆孔分布圖

構(gòu)造上處于岡底斯～念青唐古拉褶皺系伯舒拉嶺～高黎貢山褶皺帶中的銅壁關(guān)褶皺束，主要構(gòu)造有其培韌性剪切帶(圖2)，寬約500～800 m，該韌性剪切帶向北經(jīng)壩址區(qū)恩梅開江河心偏左岸延伸出區(qū)外，控制區(qū)內(nèi)長度約15 km。其培韌性剪切帶規(guī)模較大，變形強(qiáng)烈。剪切帶內(nèi)部的巖石遭受高溫高壓環(huán)境下的強(qiáng)烈韌性剪切變形，形成了一系列的韌性剪切變形斷層巖-初糜棱巖、糜棱巖、糜棱片巖和構(gòu)造片巖。同時，在其東西兩側(cè)的邊界附近，可見后期的疊加在早期的韌性剪切帶邊緣部位的脆性構(gòu)造巖，反映了韌性剪切帶附近區(qū)域經(jīng)歷了不同時期和不同性質(zhì)的多期活動。該韌性剪切帶對后期構(gòu)造發(fā)育起了一定控制作用，對壩址河床承壓水的發(fā)育有較大的影響。

2 承壓水分布特征

水電站壩址區(qū)共發(fā)現(xiàn)7處承壓水，分別是ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6及ZK7，這些鉆孔主要分布于恩梅開江河床左側(cè)，位于河床斷層及影響帶上，并沿河床展布(圖3)。承壓水特征見表1。

表1 壩址河床承壓水特征統(tǒng)計表

3 承壓水水文地球化學(xué)特征分析

3.1 承壓水水化學(xué)特征

為了研究壩址區(qū)承壓水水文地球化學(xué)特征，調(diào)查期間，共采集水樣19件，其中承壓水5件、雨水1件、鉆孔水3件、平硐水3件、溪水3件和江水4件(圖4)。

研究區(qū)水化學(xué)類型復(fù)雜，可用Piper圖來分析研究區(qū)水化學(xué)類型的分布。Piper圖由一個等邊的平行四邊形及兩個等邊的三角形組成，用Piper圖解不僅可以進(jìn)行水化學(xué)分類，而且可以直觀地揭示陽離子交換等有關(guān)地下水化學(xué)成分的形成作用[2]。

從研究區(qū)Piper三線圖(圖5)中可以得出以下結(jié)論：陽離子三角圖中，5個承壓水都落在了三角形的下方，非承壓水絕大部分水樣點(diǎn)落在三角形的下方；陰離子三角圖中，5個承壓水都落在三角形的左下方，非承壓水絕大部分水樣點(diǎn)落在三角形的左下方。從中可以看出，水樣中Mg2+、Cl-和SO42-相對比較貧乏，而Ca2+、Na+和HCO3-含量較多，是水中離子主要成分。承壓水水化學(xué)類型以HCO3·Cl-Na·Ca型為主，非承壓水以HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Na型為主。大部分水都落在了1區(qū)，堿土>堿，即Ca+Mg>Na+K。雨水中含有較多的Na+，這與該區(qū)Na+含量普遍偏高有關(guān)，水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Na·Ca型，與承壓水相同，同時也說明了承壓水來自大氣降水補(bǔ)給。

1.雨水2.承壓水3.鉆孔水4.平硐水5.溪水6.江水7.支溝8.采樣編號9.平硐及編號

圖4 水樣點(diǎn)分布圖

1區(qū)為堿土>堿；2區(qū)為堿>堿土；3區(qū)為弱酸>強(qiáng)酸；4區(qū)為強(qiáng)酸>弱酸；5區(qū)為碳酸鹽硬度>50%；6區(qū)為非碳酸鹽硬度>50%；7區(qū)為非碳酸鹽堿>50%；8區(qū)為碳酸鹽堿>50%；9區(qū)為無一對陰陽離子>50%

圖5 水化學(xué)宏量組分Piper三線圖

3.2 承壓水水文地球化學(xué)特征

水文地球化學(xué)是研究水與地殼巖石、氣體和有機(jī)物質(zhì)互相作用的學(xué)科，是研究地下水圈中化學(xué)元素及其同位素的分布、分配、集中分散及遷移循環(huán)的形式、規(guī)律和歷史的學(xué)科。它不僅研究地下水的化學(xué)成分及其形成作用與途徑，而且探索地下水在地球殼層中所起的地球化學(xué)作用，因?yàn)闊o論是外生循環(huán)還是內(nèi)生循環(huán)的地質(zhì)作用都有水的參與[3]。

3.2.1 承壓水與淺層地下水混合比例的確定

承壓水由下往上運(yùn)動至地?zé)嵯到y(tǒng)上部時，往往不同程度地發(fā)生與淺層地下水的混合，其水文地球化學(xué)特征會發(fā)生相應(yīng)的變化。研究區(qū)溫度各不相同，淺層地下水礦化度、氯離子含量，一般比承壓水低。但是承壓水中的氯化物、硼或其它不怎么起反應(yīng)組分的含量有明顯變化，說明承壓水可能存在混合水。因此，我們采用氯離子變化判斷承壓水是否有其它水混合。

承壓水與淺層地下水混合比例，可以根據(jù)氯離子含量，按下列方程求得[4]：

式中：X為承壓水所占份額(%)；Y為淺層地下水所占份額(%)；Clh為承壓水氯含量(mg/L)；Clc為淺層地下水氯含量(mg/L)；Clm為混合水氯含量(mg/L)。

承壓水與淺層地下水取值：根據(jù)長期觀測資料，壩址CHK2鉆孔承壓水動態(tài)比較穩(wěn)定，可以判定該鉆孔承壓水沒有淺層地下水混合，因此承壓水氯含量(Clh)選取ZK7鉆孔承壓水中氯含量。淺層地下水氯含量(Clc)選取壩址一般鉆孔ZK8淺層地下水中氯含量。

混合水比例計算：根據(jù)上述方程計算承壓水與淺層地下水混合比例，計算結(jié)果見表2，從表中可以看出，承壓水鉆孔ZK4和ZK2中淺層地下水比例為負(fù)值，說明這些鉆孔承壓水沒有與淺層地下水混合。只有ZK5鉆孔承壓水中承壓水含量占2.08%，淺層地下水含量占97.92%，可見，ZK5鉆孔承壓水來源主要是淺層地下水。

表2 混合水比例中氯離子含量及計算結(jié)果

3.2.2 承壓水形成的水文地球化學(xué)特征

通過上述分析，承壓水?dāng)鄬訋УV物組分主要為斜長石、鉀長石和石英，斷層帶兩側(cè)主要是變質(zhì)巖(斑狀花崗片麻巖)其礦物組分主要為斜長石和鉀長石。可以判定承壓水形成過程中由大氣降水補(bǔ)給后，順基巖裂隙徑流過程中與巖石發(fā)生水-巖作用，從而造就了該區(qū)承壓水獨(dú)特的水化學(xué)特征。根據(jù)分析，承壓水水化學(xué)形成過程中水-巖作用主要有：溶濾作用；氧化作用；混合作用。

(1)溶濾作用

在水-巖作用的過程中，巖石中一部分物質(zhì)轉(zhuǎn)入地下水中的過程稱為溶濾作用。溶濾作用的強(qiáng)度與巖石礦物的溶解度、水的溶解能力以及地下水交替循環(huán)強(qiáng)度有關(guān)。變質(zhì)巖地層中礦物組分主要為斜長石和鉀長石，其中斜長石是由鈉長石和鈣長石兩種組分組成的。水在巖石溶濾作用過程中發(fā)生下列反應(yīng)：

Na2Al2Si6O16(鈉長石)+2CO2+3H2O→2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2

CaO·2Al2O3·4SiO2(鈣長石)+2CO2+5H2O→2HCO3-+Ca2++2H4Al2Si2O9

KAlSi3O8(鉀長石)+3CO2+16H2O→H3OAl2[AlSi3O10](OH)2+3K++6H4SiO4+3HCO3-

這三個方程反映了在變質(zhì)巖地層中水-巖之間作用的過程，方程中可以看到發(fā)生反應(yīng)后，水中K+、Na+、Ca2+、HCO3-及SiO2含量增加，這是導(dǎo)致承壓水中K+、Na+、Ca2+、HCO3-及SiO2含量增加的原因。氯在自然界中廣泛分布，大部分以Cl-的形式或絡(luò)離子的形式存在并分散在硅酸鹽等造巖礦物中，在風(fēng)化作用與溶濾作用下，釋放出大量的Cl-，進(jìn)入地下水中并以Cl-或絡(luò)離子的化合物形式存在與運(yùn)移。地下水中氯的富集除了與含水層介質(zhì)成分有關(guān)外，主要與地下水的動力條件和地下水中的礦化度密切相關(guān)，當(dāng)?shù)叵滤畯搅骶徛龝r，富集的氯多，隨之礦化度增加[5]。因此在地下水運(yùn)移過程中，徑流緩慢，溶濾了較多的Cl-進(jìn)入水中，這是造成承壓水中Cl-含量高的原因。

(2)氧化作用

調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)平硐中巖石表面有很多黃褐色物質(zhì)，經(jīng)分析是成分主要是FeSO4，特別是離地表一定范圍內(nèi)，當(dāng)有氧氣作用時，就會發(fā)生黃鐵礦的氧化作用：

FeS2(黃鐵礦)+7O2+2H2O=2FeSO4+4H++2SO42-

這種氧化作用使得地下水中pH值降低，而SO42-增加。當(dāng)?shù)叵滤\(yùn)移到巖體深部時，由于氧氣的缺乏，氧化作用就會變?nèi)酰?dāng)處于還原環(huán)境時，氧化作用就不會發(fā)生。

(3)混合作用

承壓水的徑流過程較長，因此不同程度的與其他水混合，由于深部有氣體冒出，因此，可能帶來深部一些揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)入承壓水。另外在承壓水上升的過程中也可能與淺表層地下水發(fā)生混合作用，使得原來水的化學(xué)成分發(fā)生變化，從而形成現(xiàn)在承壓水水化學(xué)成分，這也是壩址區(qū)承壓水成分復(fù)雜的原因。

4 承壓水對工程的影響及處理措施

由于河床斷層及影響帶存在承壓水，并沿河床展布，斷層帶巖石破碎，主要由碎裂巖、泥化物及花崗片麻巖組成。蓄水后，河床水位增加，改變了以前的應(yīng)力狀態(tài)，打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，會對水電工程產(chǎn)生很大影響。

(1)大壩建成后，庫水位抬高，應(yīng)力增加，特別是斷層破碎帶軟性、膠結(jié)極差物質(zhì)在滲透壓力長期作用下，可能導(dǎo)致化學(xué)溶濾和機(jī)械管涌，沿斷裂帶形成滲流通道，造成庫水滲漏。

(2)最大承壓水頭高出河水位23米，在高承壓水頭作用下，可能發(fā)生基底浮托。

(3)由于斷裂帶巖體性質(zhì)及風(fēng)化程度差異，在高滲壓作用下，局部或一部分泥化物被掏蝕，會造成壩基產(chǎn)生較明顯的不均勻沉降。

(4)壩基開挖后，壩基會出現(xiàn)多個點(diǎn)狀承壓水出水點(diǎn)，會對壩基混凝土澆注及其它施工產(chǎn)生較大影響，如承壓水作用會使混凝土難固結(jié)。因此，在壩基開挖后，應(yīng)進(jìn)一步研究承壓水的出露狀況，適當(dāng)?shù)呐潘椒▽Τ袎核M(jìn)行處理，或灌漿對承壓水進(jìn)行封堵。

5 結(jié)語

通過對大壩建成后庫水滲漏原因進(jìn)行分析可知，緬甸某水電站壩址最大承壓水頭高出河水位23 m，會導(dǎo)致壩基產(chǎn)生化學(xué)溶濾和機(jī)械管涌，應(yīng)引起高度重視。采取適當(dāng)排水方法對承壓水進(jìn)行處理，并對承壓含水層進(jìn)行帷幕灌漿處理，防止庫水沿貫通的承壓含水層滲漏。

[1]許模,王士天,方學(xué)東,等.官地水電站壩區(qū)承壓水形成的主控因素研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù).2002.3.

[2]Deutsch WJ,Groundwater Geochemistry Fundamentals and Applications to Contamination,Boca Raton：Lewis Publisher.

[3]馬振民,何江濤,張錫明.菏澤凸起地下熱水的水文地球化學(xué)特征及成因分析[J].2000.6.

[4]孫占學(xué),李學(xué)禮,史維浚.江西中低溫地?zé)崴耐凰厮牡厍蚧瘜W(xué)[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報.1992.9.

[5]曾昭華,曾雪萍.地下水中氯的形成及其與人群健康的關(guān)系[J].地下水.2001.3.

2017-03-14

胡亞召(1983-)，男，河南許昌人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)工作。

P641.3

B

1004-1184(2017)04-0042-03