北盤江流域某巖溶水庫壩基滲漏敏感性研究

胡大儒，李鵬飛，裴熊偉，王欽權(quán)

(中國電建集團 貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081)

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，開展水利水電工程建設(shè)可能存在巖溶水庫滲漏、巖溶浸沒、巖溶涌水、巖溶塌陷等工程問題，嚴重時可能導致壩基及邊坡失穩(wěn)，甚至誘發(fā)巖溶型水庫地震[1-3]。目前，國內(nèi)外較為成熟的巖溶水文地質(zhì)調(diào)查探測法主要有地質(zhì)勘探、高密度電法、EH4、探地雷達、電磁波CT、示蹤劑法、水均衡法、場分析法等[4-7]；水庫巖溶滲漏評價方法主要有理論公式法、流網(wǎng)圖解法、數(shù)值模擬法、水文網(wǎng)演化分析法、巖溶水系統(tǒng)分析法、地下水基準面分析法等[8-10]。程正璞等[11]通過大地電磁法及高密度電法查明地層結(jié)構(gòu)及淺部巖溶發(fā)育情況。賈龍等[12]通過鉆孔雷達單孔反射信號及其衰減特征，查明了各種巖溶形態(tài)的規(guī)模、空間密度及其分布規(guī)律。張禎武等[13]利用示蹤探測技術(shù)進行水庫滲漏流場通道定位分析，合理地優(yōu)化了水庫防滲方案。趙瑞等[14]利用數(shù)值方法模擬了巖溶通道的空間形態(tài)，合理評估工程防滲措施的有效性。崔煒等[15]采用三維有限元法進行水庫滲流狀態(tài)模擬，并定量分析了各影響因素對水庫滲漏的影響程度。上述學者們很好的給我們展示了巖溶水庫滲漏的主流研究思路與方法，即以試驗、探測為主的現(xiàn)場調(diào)查法和以數(shù)值計算為主的模擬分析法。但因巖溶空間形態(tài)的不確定性、含水系統(tǒng)的復雜性、邊界條件的差異性，現(xiàn)場調(diào)查很難通過以點代面的方式真實反應(yīng)三維地下空間內(nèi)的巖溶發(fā)育特征，同時，數(shù)值模擬分析常建立在各種理論假設(shè)及概化模型的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果很難在數(shù)值模型中精確還原，因此，要做到將現(xiàn)場調(diào)查與數(shù)值模擬分析有機結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，相輔相成，還需要業(yè)內(nèi)的科研工作者們開展更多的相關(guān)研究。

北盤江流域沿線河谷深切，兩岸高程內(nèi)人口密集區(qū)地下水埋藏較深，枯期降雨量少，缺水問題嚴重，興建水利工程可有效緩解這一難題。研究區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件復雜，水庫滲漏模式的高效識別、滲漏通道的精準定位、壩基滲漏及影響因素的合理評價，對于工程方案優(yōu)化及水資源有效利用均有重要意義。本文在分層水位觀測、物探解譯及數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，對北盤江流域PCH水庫壩基溶隙型滲漏的各影響因素進行了敏感性分析，為工程防滲設(shè)計提供一種參考思路。

1 基本地質(zhì)條件

PCH水庫位于北盤江右岸支流中段，水庫最大壩高90 m，正常蓄水位1 035 m，相應(yīng)庫容473萬m3。研究區(qū)地形總體西高東低，兩岸自然坡度30°～45°，局部較陡，接近直立。研究區(qū)以溶蝕侵蝕之巖溶中山地貌為主，干流與滴水溝支流匯合后，以SEE向流經(jīng)壩址。壩址下游700 m處發(fā)育巖溶盲谷，谷長300 m，深25 m，盲谷下游側(cè)與長約1.2 km的地下暗河相連，并于巖腳村一帶轉(zhuǎn)為明流，直至匯入北盤江。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及勘探揭示，壩址區(qū)河床覆蓋層厚約30 m，主要為沖洪積(Qpal)砂卵礫石、靜水沉積(Ql)淤泥質(zhì)粉土；岸坡覆蓋層主要分布于上、下游側(cè)堆積體范圍內(nèi)，厚5 m～30 m不等，主要為崩坡積(Qcol+dl)塊碎石土?；鶐r自上而下分別為: 三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第一段第三、四層(T1yn1-3+4)泥質(zhì)灰?guī)r，厚度約60 m，為強巖溶巖組；永寧鎮(zhèn)組第一段第二層(T1yn1-2)泥灰?guī)r夾泥巖，厚度約90 m，為弱巖溶巖組，此外，該層沿巖面發(fā)育一組巖屑夾泥型軟弱結(jié)構(gòu)面；永寧鎮(zhèn)組第一段第一層(T1yn1-1)薄至中厚層灰?guī)r，整體厚度約125 m，為強巖溶巖組；飛仙關(guān)組(T1f)泥頁巖，為相對隔水巖層。壩址兩岸發(fā)育區(qū)域構(gòu)造中營向斜及較多小斷層、卸荷裂隙，受向斜影響，局部巖層倒轉(zhuǎn)傾覆，各斷層及卸荷裂隙均為Ⅳ級結(jié)構(gòu)面。工程區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖體風化、卸荷，局部可見崩塌堆積體，工程區(qū)巖溶發(fā)育強烈，可能存在巖溶滲漏問題。工程區(qū)巖溶水文地質(zhì)圖見圖1。壩基工程地質(zhì)剖面見圖2。

圖1 工程區(qū)巖溶水文地質(zhì)圖

圖2 壩基工程地質(zhì)剖面圖

2 壩基巖溶滲漏模式分析

2.1 工程區(qū)巖溶發(fā)育特征

工程區(qū)發(fā)育巖溶類型主要有：溶洞、巖溶泉、巖溶管道、巖溶盲谷、地下暗河等，各巖溶基本特征統(tǒng)計見表1。平面分布上，巖溶發(fā)育強烈區(qū)主要集中于庫區(qū)T1yn1-1灰?guī)r露頭區(qū)及壩址下游T1yn1-1灰?guī)r露頭區(qū)，兩區(qū)之間巖溶發(fā)育相對較弱。垂直分布上，各巖溶點均分布于T1yn1-1灰?guī)r與其上T1yn1-2泥灰?guī)r夾泥巖地層接觸帶處。發(fā)育程度上，埋深較淺、地下水活躍的區(qū)域巖溶發(fā)育更強烈，埋藏較深、地下水處于滯流狀態(tài)的區(qū)域巖溶發(fā)育相對較弱。KS2巖溶管道出口形態(tài)見圖3。

表1 工程區(qū)巖溶基本特征統(tǒng)計表

圖3 KS2巖溶管道出口圖

2.2 壩基巖溶滲漏模式分析

壩基以下T1yn1-1灰?guī)r地層為強巖溶巖組，其上、下部地層界面分別與弱巖溶巖組T1yn1-2泥灰?guī)r夾泥巖、相對隔水層T1f泥頁巖接觸，接觸帶地下水活動相對較強，因此，T1yn1-1上、下部地層界面處可能存在巖溶管道。以下分別從分層水位觀測及物探測試成果等方面進一步分析論證。

(1) 分層地下水位分析。為研究是否存在上述可疑滲漏通道，選取壩軸線右岸河心孔BZK1、壩址下游300 m處右岸河心孔BZK3，進行分層水位(內(nèi)管水位)及綜合水位(外管水位)長期觀測。

BZK1號鉆孔深110.0 m，其中，0.0～30.0 m為覆蓋層，30.0 m～77.6 m為T1yn1-2薄夾中厚層泥灰?guī)r夾泥巖，77.6 m～110.0 m為T1yn1-1中厚層狀灰?guī)r。BZK1號鉆孔分層水位觀測曲線如圖4所示。

圖4 BZK1鉆孔分層水位觀測曲線圖

BZK3號鉆孔深207.0 m，其中，0.0～20.0 m為覆蓋層，20.0 m～57.5 m為T1yn1-2薄夾中厚層泥灰?guī)r夾泥巖，57.5 m～202.0 m為T1yn1-1中厚層狀灰?guī)r，202.0 m～207.0 m為T1f薄至中厚層泥頁巖。BZK3號鉆孔分層水位觀測曲線如圖5所示。

圖5 BZK3鉆孔分層水位觀測曲線圖

據(jù)圖4、圖5可知，兩鉆孔內(nèi)、外管水位變化趨勢基本相當：

① 5月12日—5月23日BZK1孔深小于77.6 m，5月12日—5月16日BZK3孔深小于57.5 m，兩鉆孔均未打穿T1yn1-2隔水地層，內(nèi)、外管水位基本一致，均為覆蓋層內(nèi)水位。

② 5月24日—5月26日BZK1鉆孔鉆進至T1yn1-1含水層，5月17日—6月9日BZK3鉆孔鉆進至T1yn1-1含水層，因栓塞阻隔作用，兩孔所測內(nèi)管水位即為T1yn1-1灰?guī)r內(nèi)分層水位。BZK1、BZK3兩鉆孔揭示T1yn1-1灰?guī)r分層水位分別為21.0 m、51.5 m，均較T1yn1-2層內(nèi)水位稍有降低，但均高于T1yn1-1地層頂板(埋深分別為78.0 m、57.5 m)，說明T1yn1-2地層隔水性較好，且T1yn1-1層內(nèi)未發(fā)育巖溶管道，否則該分層水位將低于T1yn1-1地層頂板高程。

③ 6月14日—7月9日為汛期，受兩岸地下水補給，BZK1、BZK3兩孔測得T1yn1-1灰?guī)r分層水位均存在大幅度上漲，因具有承壓水性質(zhì)，該水位甚至高于兩孔所測外管綜合水位，說明T1yn1-1層內(nèi)未發(fā)育巖溶管道，否則汛期該內(nèi)管水位不會持續(xù)上升超過T1yn1-1地層頂板高程，更不會高于外管綜合水位。

(2) 物探測試分析。BZK1與BZK2、BZK3與BZK4兩對孔間CT測試及鉆孔錄像顯示，壩基巖體完整性總體較好，無大的溶洞、空腔、管道發(fā)育，僅T1yn1-1與T1yn1-2地層分界面附近零星發(fā)育溶蝕帶，垂直方向上，溶蝕帶多分布在地層界面及以下10 m～15 m深度范圍內(nèi)。鉆孔CT測試成果見圖6。

圖6 鉆孔CT測試成果圖

根據(jù)分層地下水位觀測、物探測試等成果分析認為，水庫不存在沿T1yn1-1上、下地層分界面的河床深部管道型滲漏問題，可能的滲漏模式為沿T1yn1-1灰?guī)r與T1yn1-2泥灰?guī)r夾泥巖地層分界面發(fā)生溶隙型滲漏。

3 壩基滲漏影響因素敏感性分析

3.1 理論基礎(chǔ)

有限元滲流與穩(wěn)定性耦合分析，即將有限元滲流分析得到的地下水滲流場結(jié)果代入邊坡穩(wěn)定性分析中參與求解。與常規(guī)方法相比，耦合分析中參與穩(wěn)定性計算的各單元節(jié)點處的孔隙水壓力值更精確，且考慮地下水滲流影響的邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果更接近于實際。

由莫爾-庫侖抗剪強度公式可知，滑面的抗剪強度為：

τf=σntanφ+c

(1)

將滑動面上各點均達到極限平衡時其強度平均折減系數(shù)定義為坡體則抗滑穩(wěn)定系數(shù)[16]，具體可表達為：

(2)

式中：σn為滑動面上任意一點的法向應(yīng)力；φ為滑動面上任意一點的內(nèi)摩擦角；c為滑動面上任意一點的黏聚力；l為滑面長度；τ為沿滑面l方向的剪應(yīng)力。

3.2 模型建立

運用Rocscience軟件基于莫爾-庫侖準則的有限元法進行溶蝕率(溶蝕裂隙與溶蝕帶體積比)、滲透系數(shù)、防滲帷幕深度等因素對壩基抗滑穩(wěn)定性、壩基單寬滲漏量影響的敏感性分析。壩上游按正常蓄水位1 035 m常水頭邊界，壩下游按溢出邊界考慮，T1f泥頁巖按不透水邊界考慮；模型兩側(cè)邊界按水平約束，底部邊界按固定約束考慮，采用平面應(yīng)變條件的3節(jié)點三角形等參元進行網(wǎng)格劃分，模型示意圖見圖7。

圖7 有限元網(wǎng)格劃分示意圖

3.3 巖土體物理力學參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場及室內(nèi)剪切試驗、鉆孔壓水試驗、試坑注水試驗成果，提出壩址區(qū)巖土體物理力學參數(shù)建議值如表2所示。

表2 巖土體物理力學參數(shù)建議值表

3.4 壩基滲漏影響因素敏感性分析

(1) 巖體滲透系數(shù)敏感性分析。溶蝕率取5%，壩基以下防滲帷幕深度取0.3倍壩高(27 m)，T1yn1-1地層滲透系數(shù)分別取0.1倍、0.2倍、0.5倍、1.0倍、2.0倍、5.0倍、10.0倍建議值(建議值K0=10-4cm/s)，其他巖土體物理力學參數(shù)采用表2建議值，計算結(jié)果見圖8。據(jù)圖可知，當其他參數(shù)不變，逐步增大T1yn1-1地層滲透系數(shù)時，壩下單寬滲漏量將逐漸增加，壩基主要滲漏區(qū)域為T1yn1-1巖體中上部，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，潛在失穩(wěn)模式為后緣剪斷T1yn1-2巖體，前緣沿T1yn1-2層內(nèi)巖屑夾泥型軟弱結(jié)構(gòu)面剪出。

圖8 穩(wěn)定系數(shù)及單寬滲漏量與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

(2) 防滲帷幕深度敏感性分析。溶蝕率取5%，巖土體物理力學參數(shù)采用表2建議值，壩基以下防滲帷幕深度分別取0.1倍、0.3倍、0.5倍、0.7倍、0.9倍壩高(對應(yīng)深度分別為9 m、27 m、45 m、63 m、81 m)，計算結(jié)果見圖9。據(jù)圖可知，當其他參數(shù)不變，逐步增大壩基防滲帷幕深度時，壩下單寬滲漏量稍有降低，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加，但壩基以下T1yn1-1灰?guī)r埋藏較深，帷幕深度有限，防滲效果不明顯，因此，可根據(jù)工程防滲要求，對壩上游庫區(qū)出露的T1yn1-1灰?guī)r進行防滲處理。

圖9 穩(wěn)定系數(shù)及單寬滲漏量與帷幕深度關(guān)系曲線

(3) 溶蝕率敏感性分析。巖土體物理力學參數(shù)采用表2建議值，壩基以下防滲帷幕深度取0.3倍壩高，溶蝕區(qū)按連續(xù)條帶模擬，由于溶蝕裂隙的存在，其滲透系數(shù)較正常巖體稍大，溶蝕率分別取5%、10%、15%、20%、25%、30%，計算結(jié)果見圖10。據(jù)圖可知，當其他參數(shù)不變，逐漸增大壩基T1yn1-1灰?guī)r接觸帶溶蝕率時，壩下單寬滲漏量將逐漸增加，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低。壩基以下T1yn1-1灰?guī)r溶蝕帶埋藏較深，大面積處理難度較大，因此，可根據(jù)工程防滲要求，在物探解譯成果基礎(chǔ)上，對壩基下溶蝕帶發(fā)育強烈且埋深相對較淺區(qū)域進行針對性處理。

圖10 穩(wěn)定系數(shù)及單寬滲漏量與溶蝕率關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

(1) 從分層地下水位、物探解譯等角度論證了PCH水庫不會發(fā)生鄰谷滲漏及沿壩基深部的管道型滲漏，但T1yn1-1與T1yn1-2地層界面發(fā)生巖溶裂隙型滲漏的可能性較大。

(2)采用基于莫爾-庫侖準則的有限元法進行壩基滲漏模擬分析，結(jié)果顯示，壩基潛在失穩(wěn)模式為后緣剪斷T1yn1-2巖體，前緣沿T1yn1-2層內(nèi)巖屑夾泥型軟弱結(jié)構(gòu)面剪出，壩基主要滲漏區(qū)域為T1yn1-1巖體中上部。

(3) 敏感性分析顯示，隨著T1yn1-1灰?guī)r滲透系數(shù)的增加，壩下單寬滲漏量將逐漸增加，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低；隨著T1yn1-1灰?guī)r接觸帶溶蝕率的增加，壩下單寬滲漏量將逐漸增加，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低；隨著壩基防滲帷幕深度逐漸增加，壩下單寬滲漏量稍有降低，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加。

(4) 壩基以下T1yn1-1灰?guī)r溶蝕帶埋藏較深，防滲處理難度大，可對壩上游庫區(qū)出露的T1yn1-1灰?guī)r進行防滲處理，或?qū)位氯芪g帶發(fā)育強烈且埋深相對較淺區(qū)域進行針對性處理。