《精编》水库的工程地质问题研究

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1、5 1水库的工程地质问题研究 1 水库蓄水会使库内一些城区和居民点 古迹 文物 工矿企业 铁路 公路和其他一些重要建筑物以及大片农田 森林等受到 淹没 2 水库蓄水会使两岸地下水位抬高 使一些地区发生 浸没 甚至地上建筑物也受到危害 有些地区甚至发生沼泽化 盐渍化 导致农作物无法种植 土地荒芜 工矿企业排水困难 在低洼地区会引起土地充水 沼泽化 盐渍化或地下水淹没 3 水库若存在严重 渗漏 会影响水利枢纽正常运行 一 水库的主要工程地质问题概述 4 当水库受到冲刷和侵蚀时会引起 库岸再造 有些地段形成滑坡 崩塌和冲蚀 有古滑坡存在的条件下会发生滑坡 复活 5 水库淤积 库容体积减小 使农业 航

2、运 渔业条件恶化 自然环境条件受到影响 6 泥炭层 垃圾场以及工厂污水废料排放到水库使水库水质变坏 卫生条件变差 导致生活用水 灌溉用水受到污染 引发一些疾病 7 有的水库会诱发地震 库坝区渗漏是指库水沿岩石孔隙 裂隙 断层 溶洞等向库盆以外或通过坝基 肩 向下游渗漏水量的现象 水库的作用是蓄水兴利 在一定的地质条件下 水库蓄水期间及蓄水后会产生渗漏 对任何一座水库来说 在未采取有效的工程处理措施的情况下 如果存在严重的渗漏现象 将会直接影响到该水库的效益 而坝区的渗漏 在不少情况下往往导致坝基产生渗透变形 威胁到大坝的安全 在工程设计中 一般都要求使水库的渗漏量小于该河流段平水期流量的1 3

3、 库坝区渗漏简介 1 库区渗漏的类型 暂时性渗漏水库蓄水初期 由于库水位逐渐抬高 因湿润 饱和库水位以下岩土层的孔隙 裂隙和空洞 导致库水量损失 但库水不漏出库外 因此 水量损失是暂时的 永久性渗漏指水库蓄水后 库水通过库岸或库盆底部的岩土体中的孔隙 裂隙 断层及溶隙 溶洞等渗漏通道 向库外邻谷 低地或远处低洼排水区不断渗水 库区渗漏的地质条件分析 永久性渗漏 大多沿下列部位发生 通过库岸分水岭向邻谷或低地渗漏 坝下游河道是弯道 库水通过库岸向下游河道渗漏 库水通过库底向远处低洼排泄区渗漏 库区永久渗漏方式 按渗漏通道的性质 一般可划分为以下几种类型 1 孔隙渗漏型 库水主要通过第四纪松散土层

4、发生渗漏 例如黄土 各种粒径的砂层及砾石等 这一类型的渗漏量主要取决于土层的孔隙率及空隙直径的大小和土层分布的范围 2 裂隙渗漏型 库水主要通过岩 土体内的裂隙进行渗漏 包括可透水的各种原生裂隙 次生裂隙以及断层破碎带的裂隙 裂隙型渗漏量的大小取决于断层性质 规模 充填物及填胶程度及裂隙的张开度和密集程度等 3 溶洞渗漏型 喀斯特地区的水库 库水通过各种规模的溶洞发生渗漏 除了以上三种基本类型外 尚有孔隙 裂隙渗漏型和裂隙 溶洞渗漏型等混合型渗漏 据渗漏通道划分的水库渗漏的类型 水库发生渗漏的条件主要有三个 一是构成库盆的岩体是透水的 如果水库坐落在粘土岩地区 或库盆被厚层粘土所覆盖 这种水库

5、基本上是不漏水的 二是库外存在有比库水位低的排泄区 三是库水位高于库岸的地下水位 库水才能向库外渗漏 由此可见 水库渗漏的发生主要与岩性和地质构造 地形及水文地质条件有关 具备上述三个条件的水库 就可能发生渗漏 3 水库渗漏条件分析 水库渗漏与不同的地貌单元密切相关 如果库岸山体单薄 又有邻谷存在且下切较深 库水外渗的可能性就大 若水库修建在基岩山区河谷急剧拐弯处 河湾之间的山脊有的地方可能会很狭窄 这样的地形条件 就有可能产生水库渗漏 平原地区河谷一般切割较浅 库区与邻谷常相距很远 库水若要穿过河间地块向邻谷渗漏 一般是不容易的 但在河曲发育地段 河间地块比较单薄 则属可能产生渗漏的地形 地

6、形地貌条件 强透水层可以导致水库渗漏 隔水层的存在则可以起到防渗作用 能够起防渗作用的是微弱透水或基本不透水的岩层 如粘土类岩中的粘土岩 页岩和粘土质沉积层 以及完整致密的各种坚硬岩层 如果库盆或水库周围有隔水层存在 就能够起挡水作用 使库水不致向库外渗漏 岩性条件 强透水层可以导致水库渗漏 隔水层的存在则可以起到防渗作用 能够起防渗作用的是微弱透水或基本不透水的岩层 如粘土类岩中的粘土岩 页岩和粘土质沉积层 以及完整致密的各种坚硬岩层 如果库盆或水库周围有隔水层存在 就能够起挡水作用 使库水不致向库外渗漏 岩性条件 基岩一般比较坚硬致密 孔隙率小 库水如果要通过基岩发生渗漏 主要取决于各种裂

7、隙和溶洞的存在情况 以及沉积岩的层面充填情况 在第四纪的松散沉积层中 对水库渗漏有重大意义的是未经胶结的砂砾 卵 石层 这些砂砾石 砾石 卵石层空隙大 透水性强 如果库区存在这些强透水层并沟通库区内外 就可以成为水库渗漏的通道 某水库库区渗漏示意图 与水库渗漏有密切关系的地质构造 主要有断层破碎带或断层交汇带 裂隙密集带 背斜及向斜构造 岩层产状等 断层的存在 特别是未胶结或胶结不完全的断层破碎带 都是水库渗漏的主要通道 背斜构造和向斜构造与水库渗漏的关系 主要应从两个方面来分析 一是背斜和向斜核部伴生的节理密集带或层间剪切带可能成为渗漏的通道 另一方面主要由透水层与隔水层相互配合和产状情况来

8、决定 地质构造 断层与水库渗漏的关系 库区的水文地质条件是水库能否发生渗漏的重要条件之一 尤其是库岸有无地下水分水岭 以及地下水分水岭的高程 对水库的渗漏具有决定性的意义 而地下水的某些特征 则可以用来直接判断库区渗漏问题 根据地下水分水岭脊线的高程与水库正常高水位的关系 可判断水库是否有向邻谷渗漏的可能 此时有四种情况 A 建库前的地下水分水岭高于水库正常高水位 建库后一般不会产生向邻谷渗漏 如图 a 所示 水文地质条件 B 建库前的地下水分水岭低于水库水位 则蓄水后将会向邻谷渗漏 如图 b 所示 C 建库前地下水就从库区河谷流向邻谷 蓄水后水头更大 渗漏更严重 如图 c 所示 D 建库前邻

9、谷河水经地下流向库区河谷 邻谷水位低于建库后的库水位 建库后库水将向邻谷渗漏如图 d 所示 有时 地下水分水岭虽略低于水库正常高水位 但由于蓄水后库水的顶托作用 地下水分水岭最后可能略高于库水位 库水不致外漏 在分水岭很宽厚 岩土体的透水性较小时 库水更不会外漏 地下水分水岭与渗漏的关系 对于承压水 或建库后可能出现的承压水 只要透水层穿过了分水岭 而其两端分别在库区和邻谷 或低洼地 出露 且其出露高程均低于水库正常高水位 则库水就能沿透水层以承压水形式流向邻谷 当建坝前库区有承压水露头时 只要泉水口高程超过水库正常高水位且其内部通道没有与低处泉水串通 则库水就不会沿该承压含水层漏走 若泉水口

10、高程低于库水位 库水能否沿承压含水层漏走 则应根据承压水含水层的补给区和排泄区的具体情况确定 岩溶库区渗漏分析岩溶地区水库漏水问题的分析 关键是 A 查清该区地形 地层 岩性 构造和水文地质等情况 B 在以上基础上进一步查清岩溶发育程度和岩溶形态的延伸分布规律 这里仅结合水库渗漏问题 进一步研究和补充 岩溶渗漏通道按其规模可分 大型的 如溶洞 暗河和落水洞等 中型的 如被溶蚀而加大了空隙的断层和大型溶隙 小型的 如溶孔和小型溶隙等 其中以第 类渗漏规模最大 第 类渗漏规模最小 三者往往互相串通 因此 从实际意义而言 查清岩溶渗漏通道主要是指查清 类通道而言 水库岩溶渗漏基本条件判别 水库岩溶渗

11、漏分级表 建坝河谷是地下水排泄区在这种情况下应注意 A 水平循环带和谷底循环带是最易出现岩溶渗漏的位置 河床两岸地下水接近垂直方向流人河床的叫横向径流地段 平行河水流向的方向流人河床的叫纵向径流地段 纵向径流地段容易发育纵向的岩溶形态 成为库水外渗的通道 易出现的地段 a 河流纵坡由平缓突变为较陡的地段 在这个转折点处易发育谷底的纵向岩溶形态 b 河流的凸岸 特别是河湾间或河曲间地段河岸 易发育岸边纵向岩溶形态 B 河水面附近有明显的溶洞层时 回水后库水将沿溶洞倒灌 若该溶洞底板的高程比库水位高 则不会成为库水直接外漏的通道 此时 若溶洞在库水位高程以内 但最近邻谷 或邻谷的溶洞系统 间岩体很

12、厚 岩溶不发育 透水性不大 则虽发生库水倒灌 但可能不会形成渗漏 若溶洞与邻谷 或邻谷的溶洞系统 间的岩体很薄 透水性很强 则可能形成大量渗漏 当然 若溶洞与邻谷的溶洞系统已经在库水位高程以下串通 则必将产生大量渗漏 C 岩溶形态是地下水从补给区流向排泄区 沿岩体内各种结构面溶蚀而成的通道 因此对穿越分水岭的断层破碎带 节理密集带 不整合面 褶皱轴面等 应特别注意查清是否已形成岩溶渗漏通道 D 多层岩溶地层与非岩溶地层交互地带的渗漏问题 在查清岩溶地层的透水性以后 可按一般沉积岩地区隔水层和透水层互层的分析原则 判断其漏水的可能性 建库河谷是地下水补给区 此最为不利 易产生大量渗漏 当河谷是该

13、区地下水补给区时 往往具有下述地形和水文地质特征 应特别注意库水外漏的问题 A 盲谷 河谷突然中断处往往是地表水转入地下的人口位置 系水库蓄水后库水外漏的通道入口 B 谷底落水洞 若谷底落水洞发育 修建水库 落水洞是库水外漏的通道入口 C 谷底溶洞 谷底若有溶洞口是入水口 亦属大型渗漏通道 当河谷是地下水补给区时 必须查清外漏通道 采取有效措施 否则水库漏水是很难避免的 大坝建成后 坝上游水位抬高 在上 下游水位差的作用下 库水可能通过坝基或坝肩岩层中的孔隙 裂隙 破碎带向下游渗漏 前者称为坝基渗漏 后者称为绕坝渗漏 坝区渗漏形式分为均匀渗漏和集中渗漏两种 前者 如通过砂砾石层和基岩中较为均布

14、的风化裂隙的渗漏 后者 如通过较大的断裂破碎带和各种岩溶通道的渗漏 坝区渗漏条件分析 绕坝渗漏示意图 1 松散岩层的坝区渗漏条件在松散岩层地区建坝 渗漏主要是通过透水性强的砂砾石层发生的 砂砾石层有的是现代河床沉积 有的是位于阶地之上 也有的是古河道沉积 古河道砂砾石沉积可以是埋藏在河岸一侧 也可以分布于阶地之上 有时砂砾石层与不透水层成互层结构 对此 应给予充分注意 一般在河谷狭窄 谷坡高陡的坝区 砂砾石层仅分布于谷底 因此 坝区渗漏主要发生在坝基 而在宽谷区当谷坡上分布有多级阶地时 库水除沿坝基渗漏外 还可能发生绕坝渗漏 2 裂隙岩层坝区的渗漏条件在裂隙岩层分布区 由于岩层中各种结构面的透

15、水能力的不同 以及河谷地貌和地质构造的差异 使建坝所导致的渗漏在不同地区或地段内有显著的不同 河谷地貌与地质结构条件对坝区渗漏有显著影响 河谷平面形态与坝区渗漏的关系 四 岩层渗透性指标 表征岩层渗透性的指标有三个 即渗透系数 k 单位吸水量 w 和透水率 q 这三个指标是评价坝 库是否渗漏或估算渗漏量时的重要参数 也是地基防渗处理设计的水文地质依据 1 渗透系数 k 法国水力学家达西曾通过大量的试验 发现地下水层流的渗透速度 v 与水力坡度 I 成正比 写成公式为 v kI式中 v为渗透速度 m d I为水力坡度 k为渗透系数 在生产实践中 多采用抽水试验确定岩体的渗透系数k值 单位吸水量是

16、在单位压力下每米试验段 每分钟压入岩层中的水量 以L min m 104Pa 表示 它是在岩层中进行压水试验所测得的岩层渗透性指标 新的压水试验的成果为岩层透水率 Lu Lu 吕荣 单位为 在lMPa的压力下 每米试验段的平均压人流量 以L min计 即 1Lu等于在1MPa的压力下 每米试段压人的流量为1L min 试验要求试段长为5m左右 每个试段的试验时间为10min 1Lu一般相当于单位吸水量w值为0 01L min m 104Pa 时的渗透量 2 单位吸水量 w 和透水率 压水试验示意图 渗透系数k值是代表整个降水漏斗较大范围内岩层的平均透水性 而透水率q值或单位吸水量w值 则是代表钻孔中某个试验段岩层的透水性 它代表的范围较小 但可说明岩层不同部位的渗透性和岩层渗透性的不均一程度 长期以来 w值被当作坝区防渗处理 帷幕灌浆设计的主要依据和质量鉴定标准 即认为w值小于0 01或0 05时 就被视为不透水层 不需进行防渗处理 据k值和q值对岩土渗透性的分级见表 一 灌浆帷幕通过钻孔向地下灌注水泥浆或其他浆液 填塞岩溶岩体中的渗漏通道 形成阻水帷幕 可以达到防渗的目的 灌浆帷幕用