“库中库”的工程地质勘察工作探讨

2012-04-14邢恩达卢斌强

水利规划与设计 2012年3期

邢恩达卢斌强刘越

（浙江省水利水电勘测设计院杭州 310002）

1 “库中库”的由来

大型水库蓄水后，库尾河流在水库回水的顶托作用下，河流流速显著减缓，水体自净能力和稀释扩散能力明显下降，水体置换能力大大降低，大部分污染物滞留在库区，形成明显的岸边污染带。同时，大面积裸露地面的陆生植物和近岸水生植物又快速成长，蓄水淹没后大量植物腐烂，形成严重的内源污染。大型水库一般为综合利用型水库，具有防洪、发电、灌溉、航运和供水等功能。一到枯水期，库水位持续下降，在库尾形成大范围的水位消落带，大片沼泽带在烈日的烘烤、暴晒下，蚊蝇滋生，臭气熏天，随时有诱发传染病的可能，不利于当今对生态环境的要求。因此，在大型水库的库尾修建起到水位调节作用的大坝，减少消落区的面积、深度，形成新的、稳定的生态系统，改善自然景观和人居环境也逐步提上议事日程。

2 目前国内“库中库”建设情况

随着当今社会对生态环境要求的提高，大型水库库尾水位下降形成的消落区的环境问题越来越引起人们的重视。以消除水位消落区潜在生态危机为主要目的“库中库”建设在国内开始起步。已建成的“库中库”有三峡水库库尾的开县“库中库”。其建设历程为：2003年完成《开县前置库可行性研究规划报告》，2006年8月国家发展与改革委员会批复通过了《三峡水库开县消落区生态环境综合治理水位调节坝工程可行性研究报告》。批复三峡水库开县消落区生态环境综合治理水位调节坝工程建设内容包括水位调节坝工程和库区生态环境建设工程两大部分。水位调节坝工程由主坝、溢洪道、副坝组成。库区生态建设工程包括沿岸生态防护林工程、湿地及多塘系统、敞水区生态工程三部分。生态水位调节坝工程已于2007年8月9日开工建设，目前已建设完成，初步具备蓄水条件，并于2010年9月14日开始试验性蓄水。开县“库中库”消落区面积为45km2，落差达30m。生态水位调节坝建成后，“库中库”可保持170m 水位，坝以上25 米落差的消落区面积可减少17.25km2，占坝址以上消落区面积24.64km2的70.1%。

3 “库中库”工程地质问题

一般而言，大型水库建成蓄水后，库区及其邻近地带的地质环境受到较大影响，会产生各种工程地质问题。主要工程地质问题是水库渗漏、水库浸没、水库塌岸、水库淤积及水库诱发地震问题。

对“库中库”而言，大坝的坝型一般采用重力坝，其水位调节坝或水位调节堰坝顶高程一般与下游水库正常蓄水位一致或略低，这样才能起到枯水期保持“库中库”水位，丰水期多余水量下泄至下游水库的作用。“库中库”所碰到的工程地质问题与下游水库的工程地质问题基本一致。在对“库中库”进行工程地质评价时，应详细了解下游水库的工程地质相关资料，并与之保持一致。需注意的是：库岸稳定评价中，“库中库”库岸岩体或岩土体在水库蓄水后，将长期受到浸水和波浪的冲蚀作用，有可能造成小范围的不稳定；在水库淤积评价中，库尾河流在水库回水的顶托作用下，河流流速显著减缓，淤积区可能会向上游扩大。

4 “库中库”工程地质勘察特点

水利水电工程地质勘察工作具有研究范围广、涉及学科领域多、勘察工作量大且周期长、采用的方法和手段需要有针对性等特点。因此，正确选择合适的勘察手段和方法，不同方法的有效结合是极其重要的。工程地质勘察手段主要为工程地质测绘，工程地质勘探，工程地质测试与试验等。对“库中库”工程地质勘察手段的特点分别阐述如下。

4.1 工程地质测绘

（1）收集前期地质资料。工程地质测绘是工程地质勘察中最基本的工作。一般大型水库的地质测绘工作非常详尽，因此收集下游水库的地质资料是一项非常重要的工作。

由于下游水库的测绘重点一般在坝址区附近，而对库尾部分的地质测绘精度要求不高。因此，除收集前期资料外，还应对“库中库”库区，尤其对“库中库”的坝址区进行更为详尽的地质测绘工作。“库中库”坝址区地质测绘工作应以现场地质测绘为主，收集下游水库的地质资料为辅。

（2）现场地质测绘。大型水库库尾的消落带一般高差达几十米。为查明库区的地层岩性、地质构造等工程地质条件，有必要合理安排地质测绘的工作时间。根据乌溪江湖山库尾水生态治理工程（以下简称乌库尾治理工程）的工作体会，地质测绘工作宜在丰水期开始，持续至枯水期结束。由于库水的淘刷作用，库岸无植被覆盖，地质构造测绘内容比较丰富。此外，该段期间库水位逐渐下降，地质人员可以乘坐交通船对库岸逐步出露的露头进行测绘，包括量测地层产状、节理、地质构造等。尤其对坝址区陡峭的岸坡，随着库水位的下降，可以从上至下对岸坡进行全面的地质测绘。

4.2 工程地质勘探

与地质测绘工作类似，工程地质勘探工作开始前，应详细了解水库的消落时间。勘探宜安排在丰水期和枯水期之间的过渡期进行。丰水期和枯水期不宜进行工程地质勘探工作的原因有：

（1）“库中库”坝址一般尽可能布置靠近下游以保持一定的库容。这些区域如果在丰水期进行工程地质勘探工作，水深较深，所需套管大大增加，从而增加钻探平台的荷重，不利于勘探工作的进行。此外丰水期意味着多雨，多台风，对水上钻探工作不利。因此，丰水期不适合进行勘探工作。

（2）“库中库”一般位于大型水库库尾，在长期蓄水作用下，水库淤积严重。一般情况下，水库库底淤积物由淤泥等淤质土组成。若在枯水期库底全部出露后进行勘探工作，钻机的搬运将是一件非常困难的事情。

工程地质勘探工作安排在丰水期和枯水期之间的过渡期进行最为适宜。一方面，此时库水位仍然较高，可以装配水上钻探平台进行勘探工作，方便钻孔移位。而过渡期一般为秋冬季，库区内风浪较小，在钻探平台上工作较安全；另一方面，过渡期水深比较浅，不需要大量套管，有利于钻探。枯水期随着库水位的下降，钻探工作随之调整，由上坝址转移到下坝址进行。

4.3 水文地质试验

若坝址区存在一定厚度的覆盖层，出于围堰防渗要求的需要，覆盖层一般要进行注水试验，基岩进行压水试验。由前述可知，“库中库”坝址区水位一般较高，水文地质试验一般要在水下进行。因此，“库中库”坝址区水文地质试验一般有如下要求：

（1）覆盖层进行注水试验时，由于钻孔水深较大，若直接进行注水试验，效果不大，故应在孔口接一定长度的套管，增加水头。同时，还应保证各套管连接的密封性，做好止水工作。

（2）基岩进行压水试验时，根据压水试验规程，地下水位在试验段以上时，压力计算零线为地下水位线。因此，水下基岩压水试验，压力计算零线为库水位高程。此时，压力计中心至压力计算零线的水头压力较小。为增加压水试验的准确性，结合水深，可调高各试验的三级压力。

5 乌溪江湖山库尾水生态治理工程地质勘察实例

5.1 工程概况

乌溪江湖山库尾水生态治理工程位于浙江省西南部遂昌县境内，乌溪江上游湖山源支流上。下游湖南镇水库正常蓄水位为230m，历年枯水期最低水位为200m。库区水位随湖南镇水库蓄泄起伏不定，水位消落后，部分库底出露。为改善湖山库尾水生态环境，拟建潜水坝，形成前置库。

项目建议书阶段对上、下坝址进行了比较，上坝址位于湖山镇下游约1.4km，龙珠岗附近；下坝址位于湖山镇赤山渡口上游约350m。正常蓄水位为226m，总库容0.7亿m3。

工程主要建筑物由潜水坝、导流隧洞组成。潜水坝为混凝土灌砌石重力坝，上坝址坝顶高程226m，坝长608m，最大坝高38m；下坝址坝顶高程226m，坝长223m，最大坝高43m。

5.2 地质勘察工作概况

根据“库中库”工程特点，本次工程地质勘察工作安排在丰水期与枯水期之间的过渡期进行，外业工作期间库水位一般为210～200m。进场时库水位为210m，上坝址区水深10m，下坝址区水深30m，外业结束时库水位为200m，上坝址区露出水面，下坝址水深20m。

首先进行地质测绘工作，库岸经冲刷后露头揭露情况较好。随着库水位的下降，露头断面由上至下逐渐揭露。地质人员每隔一段时间乘坐交通船进行库岸的地质测绘工作，在外业期间详细查明了上、下坝址两岸出露岩体的地层岩性、产状、节理发育、断层、软弱夹层情况。为正确评价上、下坝址的工程地质条件打下基础。

地质勘探工作与地质测绘工作同期进行，进场时在库尾码头搭建水上钻探平台，安装钻机。再用交通船将平台拉到指定钻孔位置，随着库水位的下降，上、下坝址的水深逐渐减小。因此，安排钻孔顺序为先上坝址，后下坝址。同一坝址则从左到右，先坝肩后河床。

坝址区覆盖层进行注水试验时，在孔口接2m 以上的套管增加水头。同时，将各套管连接口加麻丝增加密封性，做好接口的止水工作。基岩进行压水试验中，为增加试段压力，将各段次的试验压力调整为0.3、0.6、0.9MPa。

根据水文地质试验，查明上坝址区河床砂砾卵石层渗透系数K=1.2×10-3～5.3×10-3cm/s，属中等透水性。相对隔水层线埋深(q≤5Lu)：左岸20.0～30.0m，河床18.0～20.0m，右岸25.0～35.0m。下坝址区河床砂砾卵石层渗透系数K=1.1×10-3～1.7×10-3cm/s，属中等透水性。相对隔水层线埋深(q≤5Lu):左岸25.0～30.0m，河床10.0～15.0m，右岸25.0～30.0m。

经过前期详细的工程地质勘察工作，基本查明了上、下坝址的工程地质条件。上坝址两岸地形左缓右陡，河谷相对较宽，组成坝基的岩性较复杂，有流纹质晶屑玻屑凝灰岩、钙质粉砂岩、砂岩、砂砾岩和安山玢岩。岩体坚硬程度相差较大，坝基岩体从CⅢ类到AⅢ2类不等。坝址断裂小构造发育，左岸受断层影响，全风化带较厚，坝基由于差异风化，发育缓倾角软弱夹层，产状80°，NW∠11°，倾向下游偏右岸，对抗滑稳定不利。上坝址工程地质条件一般，经工程处理后具有建坝条件。下坝址两岸地形对称，河谷相对较窄，坝址岩性由英安质含角砾晶屑玻屑凝灰岩和晶屑凝灰岩组成，两坝肩位置发育凝灰岩和钙质粉砂岩夹层。坝基岩体以AⅢ2类和AⅡ类为主。坝址断裂构造不发育，坝基岩体相对较完整，弱风化带埋深较浅。坝址虽有缓倾角软弱夹层分布，但分布高程较高，且总体倾向上游，工程地质条件总体较上坝址好。因此，仅从地质条件分析，下坝址优于上坝址。