復(fù)雜地質(zhì)區(qū)大壩滲漏承壓機(jī)理及其演變規(guī)律研究

嚴(yán) 俊，陳漢寧，周 瑾，鄧 剛

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.深圳市水務(wù)科技信息中心，廣東 深圳 518306；3.深圳市清林徑引水調(diào)蓄工程管理處，廣東 深圳 518034)

目前，國內(nèi)大部分城市出現(xiàn)了不同程度的缺水現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國655個(gè)城市中，約200個(gè)城市嚴(yán)重缺水，其中，在32個(gè)百萬人口以上的特大城市中，有30個(gè)城市長期受缺水困擾。近些年來，通過修建大型城市水庫工程來改善自身水資源時(shí)空調(diào)配已經(jīng)成為多數(shù)城市解決水資源問題的主要途徑之一，如北京的官廳水庫和密云水庫、天津的于橋水庫和北大港水庫等，這些大型水庫具有水質(zhì)好、水量大且穩(wěn)定、供水保證率高等優(yōu)點(diǎn)，在城市供水、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大效益。一些兼對外供水任務(wù)的城市，如深圳等，修建的城市水庫還具向香港、澳門供水的重要功能。

城市水庫的建設(shè)條件較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是城市建庫的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，受風(fēng)化程度、局部間雜、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響地基巖土體在滲透性、力學(xué)特性等方面存在非常大的差異，而且水庫建設(shè)必然打破原有的水文地質(zhì)環(huán)境，其蓄水運(yùn)行又會導(dǎo)致地表水、地下水位的變化，甚至局部存在滲漏承壓水問題，國內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)水庫存在這種現(xiàn)象，如布侖口水庫、黃河龍口水利樞紐、劉家峽水電站、天橋水電站等工程的壩基都不同程度存在承壓水滲漏問題。這些都會對水庫的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行安全帶來較大的挑戰(zhàn)；二是隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，原設(shè)計(jì)的城市供水水庫已遠(yuǎn)不能滿足用水需求，各水庫均面臨加高情況，這就使得原水庫設(shè)計(jì)過程中已避開或不用考慮的復(fù)雜巖土層、潛在滲流通道等地質(zhì)條件，在水庫加高加固過程中又成為新的滲控難題，若處理不當(dāng)，極易在庫區(qū)形成滲漏，遇到排水不暢的情況就會形成滲漏承壓區(qū)域，造成新壩體的滲流破壞、變形失穩(wěn)等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅水庫周邊的地下水環(huán)境及公共安全；三是城市建庫的公共環(huán)境較為復(fù)雜，一些水庫緊鄰住宅區(qū)、工業(yè)區(qū)以及公路橋梁等易受影響的建筑設(shè)施。水庫的修建和運(yùn)行會打破庫區(qū)巖土環(huán)境原有的平衡狀態(tài)，在原地基土層厚度變化較大時(shí)，地下水位的變化、地面的升降就可能引起庫區(qū)周邊出現(xiàn)社會環(huán)境等問題。國內(nèi)一些水庫在防滲處理后完全切斷了庫水下滲通道，如密云水庫、齋堂水庫、黃壁莊水庫、尼山水庫等，但是在有效保護(hù)了庫水資源之外也帶來了一定的環(huán)境問題，庫區(qū)下游地下水位大幅度下降，地面沉降、開裂，一些修建在不均勻土層上的建筑出現(xiàn)了傾斜、開裂等問題，又不得不采取補(bǔ)水等措施改善下游環(huán)境問題。可以說，城市范圍內(nèi)復(fù)雜地質(zhì)區(qū)修建大型水庫帶來的滲漏承壓安全問題及次生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題，已經(jīng)成為水利科學(xué)中必須予以關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。但由于相關(guān)研究的缺乏，對水庫建設(shè)、運(yùn)行引起的周邊地下水量變化和地面升降等演變規(guī)律，以及風(fēng)險(xiǎn)防控的機(jī)制，尚缺乏有效的方法。

因此，對城市復(fù)雜地質(zhì)區(qū)建庫潛在滲漏承壓形成機(jī)理及其演變規(guī)律進(jìn)行研究，采用先進(jìn)的物探、數(shù)值分析方法以探明滲漏承壓水的形成及分布規(guī)律，并提出科學(xué)、合理的工程防控措施，以保證水庫正常發(fā)揮功能，同時(shí)降低水庫局部滲漏壓水對庫區(qū)周邊社會安全與環(huán)境的不良影響，提高工程的設(shè)計(jì)水平和管理水平，是現(xiàn)實(shí)的迫切需要。

1 大壩承壓現(xiàn)象概況

在深圳市砂巖地基上修建的清林徑水庫，位于深圳市龍崗區(qū)龍城街道境內(nèi)，龍崗河左岸支流石溪河的中上游段，建成于1963年3月，經(jīng)過多次擴(kuò)建后目前屬于大型水庫，如圖1所示，水庫在擴(kuò)建工程可研階段勘察時(shí)，2#壩西側(cè)壩后進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化砂巖地層后，鉆孔內(nèi)開始有承壓水溢出，隨孔深增加，其流量不斷增大，承壓水頭不斷抬高，最大流量622m3/d，揭示出該水庫局部存在承壓水現(xiàn)象。

圖1 深圳市清林徑水庫及承壓水情況

2 承壓區(qū)地質(zhì)條件評價(jià)

經(jīng)勘察，承壓水分布區(qū)構(gòu)造形式以節(jié)理裂隙為主，亦見寬度10～30cm的小型斷裂構(gòu)造。據(jù)野外地質(zhì)測繪和鉆孔取芯結(jié)果看，節(jié)理裂隙發(fā)育，庫岸小型斷裂構(gòu)造發(fā)育，裂隙傾角一般較陡，呈50°～80°，裂隙多為張開狀，充填少量硅質(zhì)和鈣質(zhì)。本區(qū)由于覆蓋層較厚，僅開挖斷面可見基巖露頭，裂隙密集交錯(cuò)，地層產(chǎn)狀多變，總體傾向北西，傾角30°～45°。清林徑水庫2號壩承壓水分布區(qū)主要由以下巖(土)層構(gòu)成：

(1)老壩填土層：該層分布于現(xiàn)壩軸線上游(老壩址處)，底板高程38.27～40.92m，揭露最大厚度19.5m，上部含較多碎石等硬雜質(zhì)，下部以礫質(zhì)粘性土為主，多為石英砂巖風(fēng)化土料，局部夾沖積粘性土，土性不均一，干密度平均1.55g/cm3，壓實(shí)度0.86，滲透系數(shù)為1.8×10-4cm/s～1.8×10-5cm/s。壩體在1992年做了混凝土防滲墻的防滲處理，嵌入壩基0.8～1.5m。

(2)沖洪積層：該層主要包含有粉質(zhì)粘土(分布于谷底，厚1.7～3.0m，軟～可塑狀)、粉細(xì)砂(沿谷底分布，厚0.9～2.8m，松散～稍密狀)、含粘性土卵石(分布于谷底左側(cè)坡腳，厚1.0m，稍密狀)。

(3)殘坡積層：主要分布于壩左側(cè)，厚2.8～5.0m，底板高程86.02～43.14m，以含礫粘性土為主，由砂巖風(fēng)化殘坡積而成，濕，可～硬塑狀。

(4)石炭系大賽壩組(Cds)風(fēng)化基巖：全風(fēng)化粉砂巖主要分布于河床兩側(cè)及坡麓地帶，層厚1.2～13.5m，以粉質(zhì)粘土為主，夾少量碎巖塊，原巖結(jié)構(gòu)清晰，硬塑狀。

(5)強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖：右側(cè)山體坡腳至溝谷中線為石英砂巖，左側(cè)以粉砂巖為主，揭露層厚1.6～35.2m，頂板高程47.7～13.92m，底板高程31.3～7.8m，巖芯多為土夾石狀，部分為石夾土狀。

(6)弱風(fēng)化砂巖：上部為粉砂巖，中下部為石英砂巖，在谷底的埋藏深度大于7.2m，兩側(cè)埋藏深度大于18m，局部夾碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖，堅(jiān)硬，塊狀構(gòu)造，碎屑物占65%～70%，其中石英98%～99%，白云母12%～2%；膠結(jié)物30%～35%，其中粘土礦物55%～60%，方解石40%～50%，鐵質(zhì)物1%～2%，炭質(zhì)物2%～3%，飽和單軸抗壓強(qiáng)度26.3～45.6MPa。

根據(jù)野外注水和壓水試驗(yàn)結(jié)果確定，工程區(qū)沖積粘性土、殘坡積土和全風(fēng)化巖及強(qiáng)風(fēng)化巖的上段(土夾石狀)賦水少，滲透系數(shù)一般小于5.0×10-5cm/s，為相對隔水層，而弱風(fēng)化巖的上段和強(qiáng)風(fēng)化巖的中下段(半巖半土狀和石夾土狀)由于裂隙較發(fā)育，為主要含水層，呂榮值大于20lu，局部大于100lu(集中滲漏帶)，為相對透水層。

3 承壓水補(bǔ)給及排泄特征初判

通過原位鉆孔、室內(nèi)試驗(yàn)及工程物探、埋管檢測、原位測試等多手段的勘探，對大壩承壓水的分布特征進(jìn)行了初步判斷：

(1)承壓水的頂板和底板。根據(jù)鉆進(jìn)中水量變化和返水、返砂情況、巖芯的完整程度和裂隙發(fā)育情況確定承壓含水層的底板，高程約在0～-10m。

(2)承壓區(qū)的平面位置。主要根據(jù)鉆孔資料和物探結(jié)果確定承壓水分布范圍，根據(jù)以上承壓水區(qū)劃定結(jié)果，承壓水區(qū)邊界自2#壩中側(cè)延伸到右側(cè)山體坡麓地帶，寬(即平行于壩軸線方向)約70m，自北(老壩體)向南延至150m處山體坡腳。已探知的承壓水出現(xiàn)的最低高程在-10m左右，透水帶的最大厚度大于30m。

(3)承壓水的補(bǔ)給。通過取承壓水、庫水和附近山體水做水質(zhì)對比相關(guān)分析，承壓水與庫水相關(guān)性好，而與山體水相關(guān)性較差。通過觀測庫水位與承壓水水頭高度的相關(guān)性，結(jié)果顯示二者基本同步，據(jù)分析，承壓水的主要補(bǔ)給源是庫水，而分散滲入加裂隙密集帶集水廊道共同組成其主要的補(bǔ)給形式。庫水入滲主要有三種主要途徑，一是通過庫岸強(qiáng)、弱風(fēng)化巖直接出露帶入滲。據(jù)地質(zhì)測繪結(jié)果分析，庫岸局部地段有強(qiáng)風(fēng)化巖和弱風(fēng)化巖直接出露，無隔水層，為庫水入滲提供了條件。如2#壩壩前右側(cè)庫岸，弱風(fēng)化砂巖出露地表，并伴生小型斷裂構(gòu)造，巖石破碎，裂隙發(fā)育，裂面呈褐色，鐵錳浸染，地下水活動(dòng)性較強(qiáng)。二是通過庫底強(qiáng)、弱風(fēng)化巖出露區(qū)入滲。據(jù)壩前鉆孔資料，起隔水作用的土層厚度較薄，全風(fēng)化土厚度2m，無殘坡積土，強(qiáng)、弱風(fēng)化巖埋深僅2～3m，滲透系數(shù)為6.2～7.1×10-4cm/s，呈中等透水性，亦具裂隙發(fā)育，地下水活動(dòng)性較強(qiáng)的特征。三是通過帶狀構(gòu)造型集水廊道滲入。該構(gòu)造主要是接近南北向的NNE向的裂隙密集帶，不排除庫盆內(nèi)其它方向斷裂構(gòu)造與其交匯，增大補(bǔ)給來源。

(4)承壓水的徑流。據(jù)水位觀測資料，承壓水水流方向由西北向東南，流速應(yīng)屬較低。徑流方式和特征遵循構(gòu)造帶滲流模式，帶內(nèi)巖體強(qiáng)透水，裂隙密集，相互之間貫通性較好。鉆孔注、壓水試驗(yàn)結(jié)果證明，壩下脆硬巖石裂隙發(fā)育，弱風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖均呈強(qiáng)透水性，q>100Lu。長期滲流，形成裂隙密集帶和滲漏通道，匯集到壩前地下水，通過裂隙密集帶流到壩后。從已有鉆孔資料分析，集中滲漏帶主要土層是強(qiáng)風(fēng)化巖下段和弱風(fēng)化巖上段，而涌水量最大的地層是弱風(fēng)化巖，推測高程在10～-10m。徑流區(qū)頂部殘坡積層厚2.8～5.0m，滲透系數(shù)(2.3～4.2)×10-5cm/s，屬弱透水性；全風(fēng)化巖層厚1.2～8.2m，滲透系數(shù)3.9×10-5cm/s，亦呈弱透水性，因此形成了較完整的隔水頂板。

(5)承壓水的排泄。用枯水期2009.12.26和2009.2.20日地下水位(共有24孔)繪制的地下水等水位線圖可以看出，承壓水主要通過壩基右側(cè)裂隙密集帶滲流至壩后，遇隆起的微風(fēng)化巖受阻后轉(zhuǎn)向左側(cè)原河槽流向下游。壩區(qū)最底水位在SK20，下游CZK224孔水位最低(37.57m)，且孔底(22.87m)為河床砂礫層，未見底。說明本區(qū)最低排泄基準(zhǔn)面是在老河槽，最底高程在22m以下，地面無排水點(diǎn)出露。

據(jù)構(gòu)造帶地質(zhì)剖面分析，上游徑流區(qū)是厚層弱風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖，由于長期的地下水作用，均呈中等-強(qiáng)透水性，具良好的導(dǎo)水作用；下游排泄區(qū)弱風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖厚度變薄，而呈微透水性的微風(fēng)化巖埋藏深度變淺，僅19.3m，地下水運(yùn)動(dòng)受阻，總體為排泄不暢，構(gòu)造帶左、右兩側(cè)為構(gòu)造與巖性限制，南部邊界分布有微透水巖層。左側(cè)老河床位置上部是填土和粉質(zhì)粘土，呈弱透水性，下部粉細(xì)砂、含粘性土卵石等透水性較強(qiáng)地層總厚度小于3m。

以上分析表明，建壩前溝谷已有自成一體的水循環(huán)系統(tǒng)，谷地基巖裂隙水和第四系孔隙水接受地表水、降水和山體水的補(bǔ)給，沿河流排向下游，在承壓區(qū)附近遇阻后轉(zhuǎn)向左側(cè)河槽，通過砂層排向下游，或溢出地表補(bǔ)給地表水。建壩后，基巖裂隙在庫水高水頭的作用下逐漸連通，而老河床上部砂卵石等透水層在清基時(shí)被挖除，上部被人工填土所覆蓋，地下和地表的排水通道受封堵，因此造成局部承壓，形成承壓水。

4 模擬反演承壓區(qū)三維地質(zhì)狀況

經(jīng)過上述地質(zhì)勘探、物探工作后，基本掌握了清林徑水庫承壓水的分布特性，但是由于庫區(qū)基巖為砂巖，風(fēng)化程度極不均勻，全、強(qiáng)、弱風(fēng)化巖均有出露，地質(zhì)條件復(fù)雜，對承壓水滲流規(guī)律缺乏系統(tǒng)性認(rèn)知，因此，為弄水庫2#壩區(qū)附近的實(shí)際地層分布，同時(shí)探討該地區(qū)產(chǎn)生局部承壓現(xiàn)象的機(jī)理，本研究利用庫區(qū)已有的47個(gè)地質(zhì)鉆孔進(jìn)行了三維地質(zhì)模型建模。三維地質(zhì)模型是地質(zhì)現(xiàn)象的真三維表達(dá)，通常可以將地質(zhì)要素概括為點(diǎn)、線、面、體4類，其中①點(diǎn)狀要素：地面采集點(diǎn)、地質(zhì)鉆孔點(diǎn)等；②線狀要素：各地層界面線；③面狀要素：各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、地層面、地下水位面等；④體狀要素：地質(zhì)實(shí)體，地質(zhì)變量等。通過建立上述4類要素之間的拓?fù)潢P(guān)系就可以構(gòu)成三維地質(zhì)模型，本次研究提出了一種基于地質(zhì)鉆孔信息的三維智能地質(zhì)建模技術(shù)。建立了三維智能地質(zhì)模型后，分別對承壓區(qū)全風(fēng)化砂巖層(Cds)、強(qiáng)風(fēng)化砂巖層(Cds)、弱風(fēng)化砂巖層(Cds)、微風(fēng)化砂巖層(Cds)、強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖層(J11n)、中粗砂層(Qal+pl4)、壩填土層(Q4s)、殘坡積土層(Qel+dl4)的分布進(jìn)行反演分析，構(gòu)成清林徑承壓區(qū)三維地質(zhì)模型，如圖2所示。

圖2 庫區(qū)大區(qū)域三維地質(zhì)模型

從上述三維地質(zhì)建模的結(jié)果看，清林徑2#壩承壓水區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，土層、巖層的分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性：

(2)在庫區(qū)附近存在分布較廣的強(qiáng)風(fēng)化砂巖層，該砂巖層的滲透系數(shù)大于1.0×10-4cm/s，是庫水經(jīng)地基下滲的主要通道。此外，在2#壩的右側(cè)及下游部位存在分布不廣的弱風(fēng)化砂巖層，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告的描述，該層裂隙較為發(fā)育，是很好的持水層。該層由于與黃龍湖水庫相鄰，可能存在黃龍湖水庫的側(cè)向補(bǔ)給。

(3)從地質(zhì)模型可以看出，2#壩的下游側(cè)原來可以通過強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層向下游滲透的情況，在經(jīng)過庫區(qū)填土之后局部將出現(xiàn)排水不暢的現(xiàn)象，若在強(qiáng)風(fēng)化砂巖層和弱風(fēng)化砂巖層部位存在一隔水性較好的弱透水層，將會與底層的微風(fēng)化砂巖層構(gòu)成很好的承壓水頂板與底板，在庫區(qū)形成承壓水現(xiàn)象。

5 反演分析承壓水成因及演變規(guī)律

為進(jìn)一步弄清清林徑庫區(qū)承壓水的成因及演變規(guī)律，本研究依據(jù)已有的承壓水監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行了數(shù)值模擬，以獲取工程區(qū)各介質(zhì)的滲透性參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，開展了水庫大尺度三維滲流有限元反饋模擬，以掌握承壓水的補(bǔ)給、徑流以及排泄通道。本次三維有限元反演分析，對包含清林徑水庫2#壩、黃龍湖水庫3#壩在內(nèi)的區(qū)域建立了大尺度的三維滲流有限元分析模型；對清林徑原2#壩以及黃龍湖原3#壩的主體結(jié)構(gòu)及滲控措施進(jìn)行了較精細(xì)的模擬，其中包括土石壩結(jié)構(gòu)(壩填土)、混凝土防滲墻、灌漿帷幕等；對壩基主要覆蓋層基礎(chǔ)、基巖進(jìn)行了模擬，包括殘坡積土、覆蓋層、全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、弱風(fēng)化砂巖以及微風(fēng)化砂巖等。

清林徑水庫工程大區(qū)域三維有限元網(wǎng)格模型如圖3所示，反演獲得了該承壓水區(qū)域內(nèi)的整體滲流分布情況，如圖4所示。

圖3 清林徑水庫大區(qū)域三維有限元模型

圖4 工程區(qū)整體滲流分布計(jì)算結(jié)果(單位：m)

通過對清林徑承壓水區(qū)域的水文地質(zhì)條件、地下水物探結(jié)果以及大型三維地下水反演成果看，可以得到清林徑水庫庫區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)及排泄規(guī)律：

(1)清林徑庫區(qū)2#壩附近的區(qū)域內(nèi)分布有人工回填土層(壩填土層)、殘坡積土層(Qel+dl4)，其滲透系數(shù)均小于1.0×10-5cm/s，屬于典型的弱透水性介質(zhì)。這兩層介質(zhì)使得庫區(qū)尤其是壩體下游側(cè)存在類似鋪蓋作用的土層，是造成庫水經(jīng)地基的徑流路徑向下游遠(yuǎn)端滲漏的主要原因。在庫區(qū)附近存在分布較廣的強(qiáng)風(fēng)化砂巖層，該層砂巖層的滲透系數(shù)大于1.0×10-4cm/s，是庫水經(jīng)地基下滲漏的主要通道。但2#壩的下游側(cè)原來可以通過強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層向下游滲透，在經(jīng)過庫區(qū)填土之后局部將出現(xiàn)排水不暢的現(xiàn)象。

(2)清林徑2#壩區(qū)域內(nèi)上游徑流區(qū)是厚層弱風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖，由于長期的地下水作用，均呈中等-強(qiáng)透水性，該地層延伸至2#壩底部及下游一定范圍內(nèi)，具良好的導(dǎo)水作用。同時(shí)，該區(qū)域內(nèi)位于強(qiáng)、弱風(fēng)化砂巖的上部存在沖積粘性土、殘坡積土和全風(fēng)化巖及強(qiáng)風(fēng)化巖的上段(土夾石狀)賦水少，滲透系數(shù)一般小于5.0×10-5cm/s，為相對隔水層，該層隔水層與底部微風(fēng)化砂巖構(gòu)成了2#壩區(qū)域內(nèi)形成局部地下水承壓的條件。

(3)清林徑庫區(qū)與黃龍湖庫區(qū)存在較多的滲流通道：即有通過壩體的下滲，也有通過地基強(qiáng)、弱風(fēng)化砂巖的外滲，同時(shí)還有通過壩間山體的滲漏，呈現(xiàn)出典型的三維滲流特性。通過計(jì)算分析，清林徑水庫、黃龍湖水庫對承壓區(qū)的流量補(bǔ)給分別占總流量的80.6%、17.5%，其他補(bǔ)給為1.9%。

6 結(jié)語

本文針對復(fù)雜地質(zhì)區(qū)城市水庫存在的滲漏承壓機(jī)理及其演變規(guī)律，提出了融合地質(zhì)鉆孔柱狀圖、地質(zhì)背景、地下水分布等因素的三維地質(zhì)建模方法，結(jié)合清林徑水庫滲漏承壓處理工程，從地質(zhì)演化角度揭示潛在滲漏通道的形成、發(fā)展過程，獲得了滲漏承壓通道的空間展布及滲透特性；并提出了基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的反分析模型，通過庫水-承壓/非承壓地下水的比照監(jiān)測，反映了大壩實(shí)際滲流情況與反演模型基本一致，論證了本研究提出的反演分析手段和方法的科學(xué)性、可靠性，為承壓水的工程處理措施提供了技術(shù)支撐，對類似工程的承壓水問題研究有重要的借鑒意義。