水库岩溶渗漏及防渗研究综述

2011-08-15赵瑞,许模

地下水 2011年2期

赵瑞,许模

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都 610059)

1 前言

水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水,达到除害兴利的工程,它的运行安全关系国计民生,其效益是通过水库蓄水以解决发电、灌溉、养殖和改善航运等来体现的,因此其基本点是水是否能有效的蓄积在大坝以上的库区范围内。但是在一定的地质条件下,水库蓄水抬高的水头有可能驱使库水通过一些地下通道向邻区或下游渗漏,从而影响水库正常效益的发挥[1]。

随着水利水电建设事业的迅猛发展,国内在岩溶地区修建的水库越来越多,地质条件良好的坝址也越来越少。我国是岩溶分布最广的国家,特别是在西部山区水利水电工程建设中,常常会遇到岩溶地区水库工程建设[2]。目前,许多大坝都修建在岩溶发育的地区,在岩溶发育的岩基上筑坝、蓄水,由于岩溶这种不良地质现象的存在,给施工期主体工程的结构稳定性、基础的处理措施及运行期工程的蓄水成功与否产生重大影响,甚至影响到整个工程的成败[3]。

在岩溶地区建库建坝,尽管地质复杂,但只要能认真对待,做好地质勘探工作,搞清库坝区的岩溶发育规律,选好坝址、库区,是可建好水利工程的。

对于库坝选择,经过许多专家学者的具体研究和工程实践总结出:一般倾向河谷优于走向河谷,向斜构造优于背斜、单斜构造,陡倾岩层优于缓倾岩层,并且充分利用隔水层、岩溶发育微弱的岩层或有利的水文地质条件;另外,库区、坝址选择要尽量避开可能向下游或邻谷渗漏的通道,坝址选择应尽量避开坝基、坝肩或坝址下游有泉水出露点,以防坝基发生管涌而危害坝身[4]。

2 国内外岩溶水库发展概述

从 1845年法国在岩溶地区修建第一座坝以来的 100多年间,南斯拉夫、美国、前苏联、意大利、土耳其等国,在岩溶地区修建了大型水利水电工程 130多座[5]。据不完全统计,其中坝高大于 100 m的有 18座,最高的是前苏联的英古里拱坝,最大坝高 271.5m;最大的水库为土耳其的凯班水库,总库容 340亿 m3;最先修建的高坝是西班牙的卡马拉萨,最大坝高 103m(1920年)。随着科学技术的发展和防渗处理经验的不断积累,20世纪 50至 60年代,西班牙、瑞士等国修建了 100～150m的高坝多座;70年代以后,前苏联、南斯拉夫、土耳其、墨西哥等国修建了 200m以上的高坝 5座[6]。

1954年官厅水库的建成和 1955年云南六郎洞水电站的兴建,拉开了我国在岩溶地区兴建水利水电工程的序幕。20世纪 50年代末期,我国在岩溶地区已修建了一大批中小型工程。20世纪 60至 70年代,猫跳河梯级水电站及一批坝高在 50m以上或库容 1亿 m3以上大中型水库的建成,为我国在岩溶地区建坝建库积累了丰富的经验。20世纪 80年代初,乌江渡电站的建成,标志着我国在岩溶地区兴建高坝大库登上了一个新的台阶[7]。

随后,成功建成了红水河大化水电站、黄泥河鲁布革水电站、红水河岩滩水电站、南盘江天生桥二级水电站、清江隔河岩水电站、三岔河普定水电站、乌江东风水电站、黄河万家寨水电站、南盘江天生桥一级水电站及西电东送项目乌江洪家渡、引子渡、索风营等大中型水电站[8]。

建国以来,在岩溶地区成功的修建了 50余座大中型水利水电工程,总装机容量 585万 kw,总蓄水量 358亿 m3。据不完全统计,我国在岩溶地区修建的坝高 70m以上或库容1亿m3以上的大型水电工程有 20座,基本上都是成功的。

3 水库岩溶渗漏研究

众所周知,大坝蓄水以后,在库水的作用下坝体、坝基和坝肩以及向邻谷都容易出现渗漏现象,对大坝安全和水库效益均不利。根据国外资料统计,因渗漏问题引起失事的大坝占失事工程总数的 40.5%。中国水利部曾对建国 20多年来全国 241座大型水库发生的1 000宗工程事故进行整理分类,其中渗漏事故(包括管涌)有 317宗,占事故总数的31.7%[9]。所以,渗漏是否正常是评定工程安全运行的重要指标之一。

水库渗漏的发生必须具备相应的地质—水文地质条件,具体来说就是水动力条件和通道条件。从水库渗漏条件的角度出发,按照渗漏通道分析,常见的水库渗漏以岩溶为通道的岩溶渗漏问题最为复杂和普遍,而其它渗漏通道所造成的渗漏通常较为简单,或者渗漏规模有限[10][11],甚至渗漏量可忽略。

岩溶渗漏是目前最主要的水库渗漏类型。其主要是通过综合分析库区的地层岩性、地质构造分布和可溶岩出露地段的岩溶发育程度及岩溶水文地质特征等基本情况,判断在水库蓄水后,分水岭地带地下水补给排泄关系是否会发生本质变化,从而产生永久性岩溶渗漏[12][13]。

国内外早在很久以前就对水库库区的岩溶渗漏问题进行了详细的研究分析,并在岩溶地区成功修建了水库。然而,由于在某些地区岩溶工程地质勘查工作做的不够,或防渗处理不彻底而发生严重渗漏的水库也是存在的。

例如,美国在 1920年修建的赫尔斯◦巴尔坝,坝高仅25m,水库渗漏量却达 50m3/s,防渗处理达 26年之久,最后因处理无效而被迫放弃;而最大的土耳其凯班水库建成于1974年,由于岩溶问题未能查清,水库蓄水后,渗漏量达26m3/s,经过复杂的防渗处理后,其渗漏量仍达 8.7m3/s。还有一些渗漏的水库,渗漏量在 1～10 m3/s之间,经过防渗处理,大多数水库能正常蓄水和安全运行[5]。

而在国内,云南省的金殿水库,因岩溶渗漏而成为干库;广西省拔贡水电站坝基产生严重渗漏,最大漏水量 23m3/s,电站不能正常运行,枯水期基本处于无水停发状态;长沙市岳麓区顺塘水库的渗漏导致山下居民住所房屋被淹,造成了人身和财产的威胁;厦门市万石植物园里的万石湖水库由于长期的库水渗漏,使得水位逐渐降低,埋于湖底的大石浮现于湖面之上,自然景观遭到破坏;以往波光粼粼的卧虎山水库为当地百姓主要的水源地,而目前绝大部分已干涸,大部分河床出露导致库区生态受到影响,并且使当地居民饮水出现困难。

修建水库主要是为了造富国家和当地百姓,但是水库一旦发生渗漏,对于国家和人民财产将会造成不可估量的损失[14]。为此,国内外众多学者专家做了大量的研究,通过使用地下水三维渗流数值模拟软件(V isual Modflow)对水库渗漏做了许多量化的预测和评价,并且都取得了不错的成果。

按渗漏途径通常将渗漏分为库区坝段渗漏和库区渗漏两部分。前者包括坝基渗漏和绕坝渗漏,库区渗漏包括向邻谷或向远排泄区渗漏,或通过河湾或支谷向下游渗漏。

3.1 库区坝段坝基渗漏

坝基上的岩溶渗漏不仅造成了库水的流失,减低了水库的效益,而且增大了对坝底的扬压力或对岩土中的微细颗粒产生冲刷,或对岩土中的可溶部分产生化学溶解等不良作用,还可能引起坝基岩土体潜蚀,导致坝基失稳。如毕节市崔家沟水库、大花水水库[15]、高岩水库[16]等均属坝基渗漏,该渗漏问题已经困扰了这几个水库多年,经过防治措施后渗漏量有大幅度的减少,但仍有少部分库水通过坝基的岩溶透水层向外流失,一直没有得到完全彻底的解决。

3.2 库区坝段绕坝渗漏

绕坝渗漏是水库工程地质的主要地质问题之一,不仅可引起坝肩岩体的不稳定,危及大坝安全,而且渗漏严重又降低了水库效益,因此,对绕坝渗漏的分析及渗漏量的计算尤为重要。

辽宁省闹德海水库[17]大坝运行近 70年来,绕坝渗漏一直是困扰其工程主要问题之一。1994年曾进行过帷幕灌浆处理,虽取得一定效果,但目前两岸绕渗现象仍很严重,两岸绕坝渗流出露点较多,库水量损失较大。此外吕梁市横泉水库[18]、石膏山水库[19]等也出现绕坝渗漏现象,经过处理后渗漏量已经很小,并且通过研究发现单一的防渗帷幕有时候并不能完全解决好绕渗问题,应根据其工程、水文地质条件等具体情况采取多种防渗措施相结合的方法。

3.3 库区向邻谷渗漏

向邻谷渗漏问题一直是困扰岩溶水库的重要问题之一。由于单薄山脊分水岭和水库蓄水位产生水头差,库水极易沿透水岩层及其渗漏通道向邻谷渗漏。只有当岩层的倾斜较陡,库水位以下的透水岩层插入邻谷谷底以下时,此种渗漏才可避免。邻谷切割深时并且水位低于库水位时,库周单薄山脊、垭口和单薄的分水岭条件,是库水的渗漏途径变短,会形成较大的渗漏量。

库区渗漏可能会在邻谷区引起新的滑坡,或使古滑坡复活,造成农田浸没、盐渍化、沼泽化,危及农业生产及村舍安全。譬如毛家河水库[20]、紫坪铺水库[21]、成都市关口水库[6]等均为库区向邻谷渗漏,并对邻谷地区造成了一定的危害。

其它的库水渗漏方式也离不开上述所必须的渗漏条件,只要存在水头差,有基本的水动力条件,伴有透水岩土体及其通道为水的流动提供径流途径,就会发生水库渗漏。如贵州省金沙县木蓑衣水库为库区向远排泄区渗漏,织金县红阳水库为通过河湾或支谷向下游渗漏等不同方式的渗漏都对水库的蓄水有一定的影响[4]。

4 水库防渗研究综述

由于建库库区面积大,地质条件复杂,滴水不漏的水库尤其在岩溶地区极为少见。为了保证水库不漏水或少漏水,必须在查明库区和周围地区的地质、水文地质情况的基础上,针对水库渗漏的发生机制,因地制宜地采取相应的针对性措施[22][23]。

帷幕灌浆是岩溶地区主要的方法之一。水力资源丰富的地区,大多处于石灰岩溶发育地区,要想保证成功地利用开发水力资源,首要的条件是必须解决好防渗帷幕灌浆工作[24]。

美国最早报道采用灌浆技术是 1893年为纽约坝坝下的裂隙岩石进行的固结灌浆。法国人六十年代在埃及的阿斯旺水坝下深达 200m的中粗砂、细砂和壤土中所进行的帷幕灌浆是十分成功的,它标志着当今世界在履盖层中进行帷幕灌浆的最高水平[24][25]。

七十年代,结合贵州乌江渡高坝基础处理工程,重点研究并解决了在岩溶发育地区进行帷幕灌浆技术,1985年以后,在岩溶发育地区又相继修建了湖北隔河岩大坝,贵州东风大坝、云南五里冲无坝水库、湖北高坝洲大坝,这几个在岩溶区修建的大坝坝基帷幕灌浆工程量均在 190 000 m以上,并均取得了良好的防渗效果[3]。岩溶发育地区的灌浆施工技术代表了国内外灌浆施工先进技术水平。

除此之外,水库综合防渗方法概括起来就是避、堵、隔、围、铺、截、导(排)、观 8个字[26]。即首先尽量避开岩溶发育的库、坝址,堵住溶洞,采取防渗截流墙,防渗铺盖,灌浆,用竖井或围堤将溶洞围在库外,将坝基地下水或渗水导出坝外,进行较长期的运行观测,再对症下药地进行处理。一般在坝址区多采用堵、铺、截、导(排)的方法,在水库库区多采用堵、隔、围的方法。

因此,水库防渗形式应以各建筑物部位的水文地质和工程地质条件为基础,分析其渗漏特征和渗透稳定性,并从防渗效果、施工工艺、投资费用、可靠性、易修复性等方面,对各种可能的防渗措施进行综合比较,选择经济合理的最佳手段。