黃河上游某水電站工程壩基巖體滲透性特征研究

楊偉強，巨廣宏

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

許多水庫存在病險問題，其中水庫滲漏是最普遍的一種現象[1]。水庫滲漏是指水庫內水體由庫盆巖土體向庫外滲漏而漏失水量的現象[2]，一直是水利水電工程界重點研究的問題之一，水庫出現滲漏，不僅會導致水庫的容量下降，引發的滲透變形、壩坡失穩等問題還會威脅到大壩的安全，嚴重影響水電站工程的社會經濟效益[3- 4]。巖體滲透性確定是滲漏量計算、防滲方案設計的關鍵。本文通過對該水電站壩址區地下水的埋藏運移特征、滲流場特征、巖體滲透特性及巖體滲透性的空間特征進行研究，對水庫滲漏研究具有一定指導意義[5]。

1 地下水埋藏運移特征

壩址區河谷彎曲，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，沖溝支流發育，多常年有水。

壩址區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，壩址區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、三疊系變質砂巖以及第三系的礫巖中，主要受大氣降水及遠山地下水側向補給，黃河為區域排泄基準面；受地形切割、地層巖性及構造控制，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。本區的地下水由大氣降水補給，黃河為區內最低侵蝕基準面，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

本次研究根據鉆孔所獲得的地下水位來自于不同時期測得的結果，對壩址區的各個鉆孔水位進行統計后，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，這與其地面形態有密切聯系，反映出地下水水位隨著地表接受降雨補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，而兩岸往坡內方向上地下水位逐漸變得平緩。

同枯季時的地下水流場一樣，雨季地下水位向上、下游、河岸、坡內均降低，但是地下水徑流場起伏情況顯得更加的平緩。這一點也反映出壩段旱季和雨季地下水徑流特征的區別，從旱季到雨季地下水由于補給量增加，地下水位普遍抬升，且原來水位較低的區域地下水首先抬升，抬升幅度較大，原來水位較高的區域后期抬升，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[7]。

3 巖體的滲透特性

壓水試驗是在鉆孔內進行的巖體原位滲透試驗，現場操作和數據整理簡單，成果較為客觀可信，確定巖體的滲透性較準確，是確定裂隙巖體滲透性的主要方法，被廣泛應用于水利水電工程領域[8- 10]。壩址區在勘察階段進行了大量的鉆孔壓水試驗，為更好的了解壩址區巖體滲透特征提供了許多重要的數據信息[11]。巖土滲透性按滲透系數或透水率的大小進行分級，以表征巖體滲透性強弱的程度，從而為評價水利水電工程地基的滲漏量、地基巖體滲透穩定性及選擇地基防滲方案提供依據[12- 13]。

3.1 試驗成果的分區統計

據壩址區巖體鉆孔壓水試驗資料統計，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、右岸及河床的分區巖體透水率(q)見表1。即從宏觀分區的統計資料看，壩址區巖體的滲透性差異不大。

表1 左、右岸及河床的分區巖體透水率 單位：%

3.2 不同巖性的滲透特性分析

圖3為壩址區不同巖性的呂榮值，可見壩址區第三系泥質粉砂巖、礫巖、二長巖、變質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5倍之多，礫巖次之。

二長巖與變質砂巖的最大、最小及平均值基本相同，說明兩種巖性的透水性相當，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 壩址區不同巖性呂榮值

3.3 不同風化巖帶的滲透特性

據鉆孔壓水試驗成果統計，各巖性不同風化帶壓水試驗平均值見表2。

壩址區強風化礫巖中等透水，弱風化弱透水；全風化的二長巖中等透水，強風化、弱風化、微新二長巖均表現為弱透水；強風化變質砂巖中等透水，微風化的弱透水，新鮮變質砂巖微透水。弱風化與微風化的二長巖與變質砂巖接觸帶透水性為微透水-弱透水。

表2 不同巖性各風化帶壓水試驗加權平均值 單位：Lu

3.4 不同巖性接觸帶的滲透特性

二長巖與變質砂巖接觸帶是侵入接觸帶，變質砂巖與第三系接觸帶是沉積間斷帶，這二者都可能表現出較強的透水性。綜合各鉆孔接觸帶壓水試驗資料，對不同巖性接觸帶巖體透水性進行評價。

3.4.1二長巖與變質砂巖接觸帶

不同巖性接觸帶中，壓水試驗資料最多的是二長巖與變質砂巖接觸帶，共有19個鉆孔在接觸帶進行了壓水試驗。二長巖與變質砂巖接觸帶在鉆孔內一般處于弱風化帶以下，其透水率與上下母巖的透水性相當，均為弱-微透水，接觸帶擠壓緊密，強度高，無蝕變軟化跡象,如圖4—5所示。

圖4 二長巖與變質砂巖接觸帶呂榮值所占比例(弱風化)

圖5 二長巖與變質砂巖接觸帶呂榮值所占比例(微風化)

3.4.2礫巖與變質砂巖接觸帶

有3個鉆孔遇到強風化礫巖與變質砂巖接觸帶，其中強風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個鉆孔遇到礫巖與二長巖接觸帶，其中強風化接觸帶透水率為3.83Lu，弱風化為3.09Lu。

3.4.4粉砂巖與礫巖接觸帶

有7個鉆孔遇到粉砂巖與礫巖接觸帶，其中強風化接觸帶透水率最大值為131.85Lu，其余強風化接觸帶平均值為3.89Lu，弱風化接觸帶平均值為3.4Lu。

4 巖體滲透性的空間特征

對壩址區順直峽谷段內的鉆孔壓水試驗成果進行空間匯總建模，可更直觀地揭示壩基巖體滲透性在空間上的變化規律[14- 15]。對工程區巖體透水率按q≤3Lu和q≤1Lu的分界點高程匯總并做出相應三維等呂榮線，如圖6—7所示。可以看出：

(1)總體上，壩基q≤3Lu和q≤1Lu的曲面與河谷的形態相一致。

(2)左岸q≤3Lu的高程范圍均為3050～3300m，但左岸多數鉆孔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，左岸多數鉆孔q≤1Lu的高程界線在3120～3250m，右岸在3100～3140m。

圖6 壩址區透水率q≤3Lu的巖體頂板

圖7 壩址區透水率q≤1Lu的巖體頂板

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

本文通過現場地質調查等研究工作，對某水電站工程壩基巖體滲透性進行了研究，主要取得了如下結論和認識。

(1)工程區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山地下水側向補給，向區域排泄基準面-黃河排泄。

(2)受地形切割、地層巖性及構造控制，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，兩岸往坡內方向上地下水位逐漸變得平緩。

(4)壩址區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。二長巖與變質砂巖的透水性相當，其接觸帶透水率與上、下母巖的透水性相當。

(5)將鉆孔壓水試驗成果按透水率q≤3Lu和透水率q≤1Lu的分界點高程匯總并做出相應三維等呂榮線圖，可直觀展示巖體滲透性的空間分布特征。