若羌河山口二级电站引水渠和泄水渠工程地质条件与评价研究

脱云飞,王克勤,张振伟,景世红,张丽娟

(1.西南林业大学环境科学与工程系,云南 昆明650224;2.云南大唐国际电力公司,云南 昆明650011;3.新疆岩土工程勘察设计研究院有限公司,新疆乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

若羌河山口二级水电站是一座日调节引水式水电站,以发电为主,兼顾引水灌溉。电站位于若羌县城以南28.0 km,距若羌河山口一级水电站2.0 km,地理坐标为东经88°10′45″～ 88°12′15″,北纬 38°43′30″～ 38°52′20″,距库尔勒市 442.0 km,交通方便。该电站年发电量7.2×106kW·h,设计水头60.0 m,过水流量 4.0 m3/s,工程规模为小(一)型,工程等级为四级[1]。若羌河山口二级水电站建成后将缓解若羌县城以及乡镇工农业生产和人民生活用电和用水不足的局面。该水电站的水渠工程主要有引水渠、泄水渠、事故泄水渠和冬季退水渠,本文主要对若羌河山口二级水电站引水渠和泄水渠工程地质条件进行评价分析[2]。

2 地质概况

若羌河山口二级水电站工程区位于塔里木盆地东南缘-阿尔金山北麓,区域性断裂主要有:阿尔金山南缘断裂(F2),若羌河山口断裂(F1),龙口一带的断裂(F3),若羌县城北的矛头山断裂(F4),其中F1断裂穿越工程区,该断裂是盆地与阿尔金山的分界断层,产状为 40°～ 60°SE∠40°～ 50°,长 200.0 km,破碎带宽0.7 m～1.0 m,由碎裂岩、角砾岩和断层泥组成,该断裂错断Q1和Q2地层,可见到元古界地层逆冲到Q1和Q2地层上[3]。

工程区构造活动主要表现在F1断裂上,在第四系Q1和Q2时期由于受F1断裂活动的影响,造成元古界(Pt)老地层逆冲到Q1和Q2地层之上,并沿F1断层在山口水电站以西126.0 km处于1993-09-26发生过一次6.75级地震,在该工程以南75.0 km处沿阿尔金山南缘断裂发生过一次6.6级地震,以上地震对工程均属于远震[4]。据国标GB18306-2001和1/400万《中国地震动态参数区划图》划分,50年超越概率10.0%的地震动峰值加速度为0.05 g所对应的地震基本烈度为Ⅶ度,故该区为地壳稳定性较好区[5]。

工程区位于阿尔金山北缘的若羌河山前倾斜冲洪积平原上,地形南高北低,河流总体流向为由南向北,引水渠和泄水渠均位于Ⅱ级阶地平台上,地形平坦。岩性为冲积含漂石的砂卵石层,该层主要分布于Ⅰ和Ⅱ级阶地上部,厚度大于80.0 m,岩性为冲积砂卵石层(Q4al)分布于河床中。

3 地质条件分析

通过对若羌河山口二级水电站的引水渠和泄水渠的钻孔探井试验、颗粒分析试验、土壤化学分析试验、注水试验、击实试验和重型动力触探试验,推断出若羌河山口二级水电站的引水渠和泄水渠工程地质条件和工程地质问题,并对其进行评价分析,具体结果如下:

3.1 引水渠工程地质条件

若羌河山口二级水电站引水渠是从K 0+000处引水,渠道沿线地形起伏不大,引水渠沿线位于若羌河洪积平原上,属Ⅱ级阶地平台,根据引水渠道沿线的地貌和地层岩性,可以将电站引水渠划分为一个工程地质单元,有灰色～灰白色的卵石,该层最大厚度5.0 m,颗粒呈圆状或亚圆状,骨架颗粒呈交错排列,粒径为2.0 mm～50.0 mm,还有以花岗岩、石英岩成分为主的漂石,硬度较高,矿物成分以长石、石英和云母为主,以干～稍湿砂土和稍密～中密充填。

通过土工试验可知引水渠沿线土壤的不均匀系数Cu为7.8～12.9,曲率系数 Cc为1.3～1.9,承载力特征值fak为300 kPa～500 kPa,渗透系数 k为0.15 cm/s～0.23 cm/s,内摩擦角 φ为 38°～45°,比重 Gs为 2.7,最大干密度 2.232 g/cm3～2.331 g/cm3,最优含水率5.637%～5.860%。根据土工试验可知,引水渠工程的地质属级配良好的土,属中强透水性的砂土,干密度大,最优含水率小,没有地质灾害。

3.2 引水渠工程地质条件评价

根据渠道沿线地下水埋深,地层岩性及地下水与地表水的补排关系,利用垂向渗漏公式,其计算公式为:

式中:G为单位长度渠道的渗漏量(cm3/s);k为土层渗透系数(cm/s);A1为系数,与B,H0和渠道边坡系数m有关,其值查表可得;B为渠水面宽度(cm);H0为渠水深度(cm);L为渠段长度(cm)。

因为若羌河山口二级电站引水渠地层为卵石,稍密～中密,渗透系数为0.15 cm/s～0.23 cm/s,利用垂向渗漏公式对引水渠单位长度渗漏量计算,其结果见表1,由表1可知,引水渠地层属强透水性地层,会造成引水渠水的大量渗漏损失,因此必须对引水渠道进行防渗措施处理。

引水渠沿线地层土壤粒径小于0.075的颗粒含量为0.1%～0.3%,为卵石层,地下水埋深大于20.0 m,可不考虑土壤的冻胀性和地震液化。根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)附录G“场地环境类型”中G0.1条的规定,确定渠线环境类型为Ⅲ类,通过试验测得引水渠土壤的腐蚀性评价结果见表2。经过计算分析引水渠沿线土壤对混凝土结构无腐蚀性,对钢筋混凝土中钢筋无腐蚀性。

表1 引水渠单位长度渗漏量

表2 引水渠土壤腐蚀性评价

引水渠地层地下水埋深大于20.0 m,因此不考虑地下水对混凝土的腐蚀性,因此对地表水(若羌河河水)进行化学分析,分析结果见表3。根据生活饮用水卫生标准(GB5749-85)和中华人民共和国农田灌溉水质标准(GB5084-92),从表3可知地表水满足发电、居民生活用水和农田灌溉用水的水质要求。

表3 地表水化学成份含量

3.3 泄水渠工程地质条件

泄水渠沿线处于若羌河洪积平原上,Ⅱ级阶地平台上,勘探深度5.0 m范围内出露地层主要为第四系地层,地层内有灰色～灰白色卵石,最大厚度为5.0 m,颗粒呈圆状或亚圆状,骨架颗粒呈交错排列,粒径2 mm～50 mm,还有以花岗岩和石英岩为主要成分的漂石,硬度较高,矿物成分以长石、石英和云母为主,充填干～稍湿和稍密～中密砂土。

通过试验可知泄水渠沿线土壤的不均匀系数Cu为36.7～40.9,曲率系数 Cc为 3.4～5.2,属级配良好的土,承载力特征值 fak为300 kPa～500 kPa,渗透系数 k为0.19 cm/s,属中强透水性,内摩擦角 φ为38°～45°,比重 Gs为2.7,最大干密度为2.21 g/cm3～2.33 g/cm3,最优含水率为5.52%～5.92%。根据土工试验可知,泄水渠工程的地质属级配良好的土,属中强透水性的砂土,干密度大,最优含水率小,没有地质灾害。

3.4 泄水渠的工程地质条件评价

根据泄水渠道沿线的地下水埋深,地层岩性及地下水与地表水的补排关系,利用公式G=k(B+A1H0)对泄水渠垂向渗漏进行计算,泄水渠单位长度渗漏量计算结果见表4,由表4可知,泄水渠地层为卵石,稍密～中密,渗透系数为0.19 cm/s,属强透水性地层,会造成泄水渠水的大量渗漏损失,因此必须对泄水渠道进行防渗措施处理。

表4 泄水渠单位长度渗漏量

泄水渠沿线地层土壤粒径小于0.075的颗粒含量为0.3%～0.5%,该段地层为卵石层,地下水埋深大于20.0 m,可不考虑土壤的冻胀性和地震液化。根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)附录G“场地环境类型”中G0.1条的规定,确定渠线环境类型为Ⅲ类,通过试验测得泄水渠土壤的腐蚀性评价结果见表5。经过计算分析泄水渠沿线土壤对混凝土结构无腐蚀性,对钢筋混凝土中钢筋无腐蚀性。

表5 泄水渠土壤腐蚀性评价

4 结 语

(1)根据若羌河山口二级水电站引水渠的地质试验,确定了引水渠的工程地质条件。利用垂向渗漏公式计算得引水渠单位长度渗漏量为1.19×10-2m3/s,引水渠沿线地层属强透水性地层,渗漏损失较大,必须对引水渠道进行防渗措施处理。引水渠沿线土壤对混凝土结构无腐蚀性,对钢筋混凝土中钢筋无腐蚀性。从引水渠中引入的地表水满足发电、居民生活用水和农田灌溉用水的水质要求。

(2)根据若羌河山口二级水电站泄水渠的地质试验,确定了泄水渠的工程地质条件。利用垂向渗漏公式计算得泄水渠单位长度渗漏量为9.79×10-3m3/s,泄水渠沿线地层属强透水性地层,渗漏损失较大,必须对泄水渠道进行防渗措施处理。泄水渠沿线土壤对混凝土结构无腐蚀性,对钢筋混凝土中钢筋无腐蚀性。

[1] 尤东华.塔里木盆地东南断隆区若羌河油苗原始有机质沉积环境初探[J].中国西部油气地质,2005,1(2):170-172.

[2] 乃尉华,张磊,曾勇刚.新疆若羌县米兰河冲洪积扇水源地地下水水质评价及保护对策[J].地下水,2006,28(1):40-42.

[3] 郭奕.新疆清(清水河)～若(若羌)公路(G218)天山巩乃斯沟段的雪害及其防治[J].交通世界(建养.机械),2009,(7):149-150.

[4] 马明国,宋怡,王雪梅.1973～2006年新疆若羌湖泊群遥感动态监测研究[J].冰川冻土,2008,30(2):189-194.

[5] 杨青,刘晓阳,崔彩霞,等.塔里木盆地水汽含量的计算与特征分析[J].地理学报,2010,65(7):854-861.