黃河上游某水電站工程壩基巖體滲透性特征研究

楊偉強(qiáng)，巨廣宏

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

許多水庫存在病險(xiǎn)問題，其中水庫滲漏是最普遍的一種現(xiàn)象[1]。水庫滲漏是指水庫內(nèi)水體由庫盆巖土體向庫外滲漏而漏失水量的現(xiàn)象[2]，一直是水利水電工程界重點(diǎn)研究的問題之一，水庫出現(xiàn)滲漏，不僅會(huì)導(dǎo)致水庫的容量下降，引發(fā)的滲透變形、壩坡失穩(wěn)等問題還會(huì)威脅到大壩的安全，嚴(yán)重影響水電站工程的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[3- 4]。巖體滲透性確定是滲漏量計(jì)算、防滲方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文通過對(duì)該水電站壩址區(qū)地下水的埋藏運(yùn)移特征、滲流場特征、巖體滲透特性及巖體滲透性的空間特征進(jìn)行研究，對(duì)水庫滲漏研究具有一定指導(dǎo)意義[5]。

1 地下水埋藏運(yùn)移特征

壩址區(qū)河谷彎曲，深切200～250m，河道狹窄，水流湍急，多有跌坎，平水期河水位在3088.3～3272.0m，平均坡降2.6‰，河水面寬50～100m，水深10～15m。工程區(qū)地貌類型為高原山地，岸坡陡峭，部分直立，基巖裸露較好，河床覆蓋淺，沖溝支流發(fā)育，多常年有水。

壩址區(qū)地下水主要以孔隙水和基巖裂隙水的形式賦存于各種巖性的地層內(nèi)，壩址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，孔隙水總體水量較小。

基巖裂隙水主要賦存中生代二長巖、三疊系變質(zhì)砂巖以及第三系的礫巖中，主要受大氣降水及遠(yuǎn)山地下水側(cè)向補(bǔ)給，黃河為區(qū)域排泄基準(zhǔn)面；受地形切割、地層巖性及構(gòu)造控制，兩岸地下水埋深及水位差異明顯：左岸地下水埋深淺，坡降大；右岸地下水埋深大，坡降小；左右兩岸地下水位均低于正常蓄水位，尤以右岸更加低緩。本區(qū)的地下水由大氣降水補(bǔ)給，黃河為區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面，地下水和地表水最終均排于黃河[6]。

以壩軸線部位為例，右岸在正常蓄水位高程(3275m)岸坡的地下水位埋藏最深達(dá)160m，地下水位高程3114m左右，且水力坡降較緩，為15°～25°；左岸地下水位埋藏較淺，在正常蓄水位高程岸坡的最大埋深83m，水位高程3190m左右，且水力坡降較陡，平均為35°～38°。兩岸正常蓄水位高程的地下水位相差約76m，水力坡降總體右緩左陡。

2 地下水滲流場特征

本次研究根據(jù)鉆孔所獲得的地下水位來自于不同時(shí)期測(cè)得的結(jié)果，對(duì)壩址區(qū)的各個(gè)鉆孔水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，分別做出雨季和枯季地下水徑流場如圖1—2所示。

圖1 枯季地下水徑流場

圖2 雨季地下水徑流場

由圖1可知，壩段左岸地下水徑流場起伏較小，地下水等水位線由岸坡遠(yuǎn)處逐漸向河岸降低。右岸地下水位則有明顯的起伏，這與其地面形態(tài)有密切聯(lián)系，反映出地下水水位隨著地表接受降雨補(bǔ)給面積的減少而降低的特征。

將雨季地下水徑流場同枯季地下水徑流場進(jìn)行比較，可以看出地下水在兩岸附近仍然抬升較快，而兩岸往坡內(nèi)方向上地下水位逐漸變得平緩。

同枯季時(shí)的地下水流場一樣，雨季地下水位向上、下游、河岸、坡內(nèi)均降低，但是地下水徑流場起伏情況顯得更加的平緩。這一點(diǎn)也反映出壩段旱季和雨季地下水徑流特征的區(qū)別，從旱季到雨季地下水由于補(bǔ)給量增加，地下水位普遍抬升，且原來水位較低的區(qū)域地下水首先抬升，抬升幅度較大，原來水位較高的區(qū)域后期抬升，抬升幅度較小，造成雨季的地下水徑流場較旱季更為平緩的特點(diǎn)[7]。

3 巖體的滲透特性

壓水試驗(yàn)是在鉆孔內(nèi)進(jìn)行的巖體原位滲透試驗(yàn)，現(xiàn)場操作和數(shù)據(jù)整理簡單，成果較為客觀可信，確定巖體的滲透性較準(zhǔn)確，是確定裂隙巖體滲透性的主要方法，被廣泛應(yīng)用于水利水電工程領(lǐng)域[8- 10]。壩址區(qū)在勘察階段進(jìn)行了大量的鉆孔壓水試驗(yàn)，為更好的了解壩址區(qū)巖體滲透特征提供了許多重要的數(shù)據(jù)信息[11]。巖土滲透性按滲透系數(shù)或透水率的大小進(jìn)行分級(jí)，以表征巖體滲透性強(qiáng)弱的程度，從而為評(píng)價(jià)水利水電工程地基的滲漏量、地基巖體滲透穩(wěn)定性及選擇地基防滲方案提供依據(jù)[12- 13]。

3.1 試驗(yàn)成果的分區(qū)統(tǒng)計(jì)

據(jù)壩址區(qū)巖體鉆孔壓水試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)，其呂榮值：<5Lu的試段占總試段的88.72﹪，其中<1Lu的試段占41%，1～3Lu的占43%，3～5Lu的占16%；5～10Lu占為7.91﹪，10～15Lu的占1.25﹪，15～20Lu僅占0.23﹪；>20Lu的僅1.88﹪，即壩址區(qū)巖體總體以微-弱透水為主，僅少量巖體屬中等透水。

左、右岸及河床的分區(qū)巖體透水率(q)見表1。即從宏觀分區(qū)的統(tǒng)計(jì)資料看，壩址區(qū)巖體的滲透性差異不大。

表1 左、右岸及河床的分區(qū)巖體透水率 單位：%

3.2 不同巖性的滲透特性分析

圖3為壩址區(qū)不同巖性的呂榮值，可見壩址區(qū)第三系泥質(zhì)粉砂巖、礫巖、二長巖、變質(zhì)砂巖四種巖性的透水率平均值均小于5。第三系粉砂巖的最大、最小值相差較大，達(dá)5倍之多，礫巖次之。

二長巖與變質(zhì)砂巖的最大、最小及平均值基本相同，說明兩種巖性的透水性相當(dāng)，初步判斷在影響兩岸地下水徑流特征的因素中，巖性的差異不是起決定性作用。

圖3 壩址區(qū)不同巖性呂榮值

3.3 不同風(fēng)化巖帶的滲透特性

據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，各巖性不同風(fēng)化帶壓水試驗(yàn)平均值見表2。

壩址區(qū)強(qiáng)風(fēng)化礫巖中等透水，弱風(fēng)化弱透水；全風(fēng)化的二長巖中等透水，強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微新二長巖均表現(xiàn)為弱透水；強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖中等透水，微風(fēng)化的弱透水，新鮮變質(zhì)砂巖微透水。弱風(fēng)化與微風(fēng)化的二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶透水性為微透水-弱透水。

表2 不同巖性各風(fēng)化帶壓水試驗(yàn)加權(quán)平均值 單位：Lu

3.4 不同巖性接觸帶的滲透特性

二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶是侵入接觸帶，變質(zhì)砂巖與第三系接觸帶是沉積間斷帶，這二者都可能表現(xiàn)出較強(qiáng)的透水性。綜合各鉆孔接觸帶壓水試驗(yàn)資料，對(duì)不同巖性接觸帶巖體透水性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.4.1二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶

不同巖性接觸帶中，壓水試驗(yàn)資料最多的是二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶，共有19個(gè)鉆孔在接觸帶進(jìn)行了壓水試驗(yàn)。二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶在鉆孔內(nèi)一般處于弱風(fēng)化帶以下，其透水率與上下母巖的透水性相當(dāng)，均為弱-微透水，接觸帶擠壓緊密，強(qiáng)度高，無蝕變軟化跡象,如圖4—5所示。

圖4 二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶呂榮值所占比例(弱風(fēng)化)

圖5 二長巖與變質(zhì)砂巖接觸帶呂榮值所占比例(微風(fēng)化)

3.4.2礫巖與變質(zhì)砂巖接觸帶

有3個(gè)鉆孔遇到強(qiáng)風(fēng)化礫巖與變質(zhì)砂巖接觸帶，其中強(qiáng)風(fēng)化接觸帶透水率最大值為26.04Lu，其余二者分別為4.82Lu和3.5Lu。

3.4.3礫巖與二長巖接觸帶

有2個(gè)鉆孔遇到礫巖與二長巖接觸帶，其中強(qiáng)風(fēng)化接觸帶透水率為3.83Lu，弱風(fēng)化為3.09Lu。

3.4.4粉砂巖與礫巖接觸帶

有7個(gè)鉆孔遇到粉砂巖與礫巖接觸帶，其中強(qiáng)風(fēng)化接觸帶透水率最大值為131.85Lu，其余強(qiáng)風(fēng)化接觸帶平均值為3.89Lu，弱風(fēng)化接觸帶平均值為3.4Lu。

4 巖體滲透性的空間特征

對(duì)壩址區(qū)順直峽谷段內(nèi)的鉆孔壓水試驗(yàn)成果進(jìn)行空間匯總建模，可更直觀地揭示壩基巖體滲透性在空間上的變化規(guī)律[14- 15]。對(duì)工程區(qū)巖體透水率按q≤3Lu和q≤1Lu的分界點(diǎn)高程匯總并做出相應(yīng)三維等呂榮線，如圖6—7所示?？梢钥闯觯?/p>

(1)總體上，壩基q≤3Lu和q≤1Lu的曲面與河谷的形態(tài)相一致。

(2)左岸q≤3Lu的高程范圍均為3050～3300m，但左岸多數(shù)鉆孔q≤3的高程界線在3150～3250m之間，右岸為3140～3240m。

(3)q≤1Lu的高程范圍，左岸為3020～3300m，右岸為3000～3200m，左岸多數(shù)鉆孔q≤1Lu的高程界線在3120～3250m，右岸在3100～3140m。

圖6 壩址區(qū)透水率q≤3Lu的巖體頂板

圖7 壩址區(qū)透水率q≤1Lu的巖體頂板

(4)河床孔q≤3Lu的范圍是3050～3080m，多數(shù)鉆孔界線在3060～3070m；q≤1Lu的高程范圍3030～3050m，大多數(shù)鉆孔界線在3030～3050m之間。

(5)q=1Lu和q=3Lu兩高程面之間的巖體呂榮值在1～3Lu之間，3300m以上，呂榮值多大于3。

5 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查等研究工作，對(duì)某水電站工程壩基巖體滲透性進(jìn)行了研究，主要取得了如下結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

(1)工程區(qū)地下水類型以基巖裂隙水為主，孔隙潛水總體賦存量小，地下水主要受大氣降水及遠(yuǎn)山地下水側(cè)向補(bǔ)給，向區(qū)域排泄基準(zhǔn)面-黃河排泄。

(2)受地形切割、地層巖性及構(gòu)造控制，兩岸地下水埋深及水位差異明顯，水力坡降總體右岸緩、左岸陡。

(3)從旱季到雨季地下水由于補(bǔ)給量增加，地下水位普遍抬升，地下水在兩岸附近抬升較快，兩岸往坡內(nèi)方向上地下水位逐漸變得平緩。

(4)壩址區(qū)巖體的滲透性差異不大，總體以微-弱透水為主，僅少量巖體屬中等透水。二長巖與變質(zhì)砂巖的透水性相當(dāng)，其接觸帶透水率與上、下母巖的透水性相當(dāng)。

(5)將鉆孔壓水試驗(yàn)成果按透水率q≤3Lu和透水率q≤1Lu的分界點(diǎn)高程匯總并做出相應(yīng)三維等呂榮線圖，可直觀展示巖體滲透性的空間分布特征。