浅析东川轿子山水库坝址地质特征对建坝防渗的影响

靳 文

(云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650051)

浅析东川轿子山水库坝址地质特征对建坝防渗的影响

靳 文

(云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650051)

轿子山水库坝址地层为侏罗系禄丰组砂泥岩互层,地质构造及物理地质现象发育,坝址区内砂岩、裂隙发育的粉砂质泥岩为含水(透)水层,较完整砂岩、粉砂质泥岩为相对隔水层,因陡倾角节理发育岩体透水性差异变化较大。为工程安全起见,分析并研究坝址区附近工程地质条件,对于建坝防渗具有重要意义。

水文地质;渗漏;防渗;渗透变形

拟建轿子山水库位于昆明市东川区红土地镇西北约12 km 的小清河上,距昆明市233 km,最大坝高99 m,正常蓄水位2 201.50 m,库容约2.033×107m3,项目拟采用沥青混凝土心墙风化料坝方案。工程地处剥蚀、侵蚀构造之高山、中高山地貌的Ⅲ级夷平面,其主要地层为侏罗系禄丰组砂泥岩互层,地质构造及物理地质现象发育[1]。为工程安全起见,研究坝址区地质条件对于建坝防渗论证具有重要意义。

1 基本地质条件

1.1 地形地貌

轿子山水库坝址地处小清河大包脑村河段,位于2 230～2 300 m高程夷平面(属区域Ⅲ级夷平面)之下侵蚀构造成因的“V”型峡谷上。本段河床海拔高程2 128～2 107 m,河床纵比降约23‰,河床宽23～45 m,河流总体呈“弓”形自西向东流。左岸为凹岸,河流冲蚀作用较强;右岸为凸岸,河流堆积作用较强。沿河堆积有数米至十几米不等的河床冲洪积物。河谷两岸地形不对称,左岸坡较为陡峻,右岸坡稍缓。两岸山顶均较为平缓,地形坡度一般5°～20°。

1.2 地层岩性

坝址区内除第四系覆盖层外,出露中生界侏罗系中、下统禄丰组地层,侏罗系中统禄丰组(J2l)分4层从上到下为:①第四层(J2l4)中—厚层状粉砂质泥岩,夹紫灰色细粒长石石英砂岩、泥质砂岩,未见顶,分布于坝址区两岸及山顶;②第三层(J2l3)厚层状细粒长石石英砂岩为主,局部夹紫色薄层状粉砂质泥岩,厚8～20 m,分布于坝址区上游两岸坡脚段、河床及下游两岸坡;③第二层(J2l2)中—厚层状粉砂质泥岩,局部夹紫色粉细砂岩、长石石英砂岩,厚18～30 m,分布于蚂蟥箐沟口及下游两岸坡;④第一层(J2l1)厚层状细粒长石石英砂岩,夹紫红色、紫色薄状泥岩、粉砂质泥岩,厚25～40 m,分布于蚂蟥箐上游、坝址区下游河床及两岸坡。侏罗系下统禄丰组(J1l)中—厚层状粉砂质泥岩,局部夹长石石英砂岩、炭质页岩,未见底。分布于坝址区下游河床及两岸。

1.3 地质构造

整个坝址区大部处于晓光河—老公地向斜南翼,坝址区次级小规模褶皱亦较发育。坝址区范围内发育两条相对较大规模断层,均属Ⅱ级结构面:F4位于水库坝址上游,横穿小清河河道,属张性正断层,断层面产状为N40°～60°E,NW∠44°～78°,断层破碎带宽度1.0～1.5 m,延伸长度大约1.2 km。F5发育于坝址下游,属压扭性逆断层,产状N15°～40°E,NW∠40°～80°,断层带宽约1.5～2.0 m。延伸长度约2 km。坝址区范围内发育的节理裂隙,均属Ⅴ级结构面。

1.4 物理地质现象

坝址区不良物理地质现象较发育,共发育滑坡3个,分别为HP2、HP3、HP5。HP2位于坝址左岸下游岸坡,HP3位于蚂蟥箐上游左岸,HP5位于坝址左岸上游公路旁。发育冲沟3条,分别为坝址近坝左岸上游大冲沟(稀性泥石流沟),坝址近坝左岸下游冲沟,坝址右岸上游蚂蝗箐小河。坍塌、崩塌共发育15个,多发育于坝址左岸公路旁、冲沟边、局部陡坡段,总体规模较小;卸荷据坝址左岸PD3、PD5平硐资料揭露,左岸强卸荷带水平深度(基岩内)一般2～5 m。据坝址右岸PD4、PD6、PD8平硐资料揭露,右岸强卸荷带水平深度(基岩内)一般3～7 m;岩石风化据坝址区钻孔资料,左岸全强风化带基岩厚度6.0～25.0 m,右岸全强风化带基岩厚度7.00～26.00 m;河床段因水流冲蚀作用,无全强风化基岩,砂、卵砾石层下出露弱风化岩体。

1.5 水文地质条件

坝址区内砂岩、裂隙发育的粉砂质泥岩为含水(透)水层,较完整砂岩、粉砂质泥岩为相对隔水层,因陡倾角节理发育岩体透水性差异变化较大。

两岸地下水接受大气降水下渗补给,地下水主要沿基岩孔隙、裂隙向小清河径流排泄;坝址区左岸枯期地下水位高程2 121.26～2 179.7 m,略高于枯期河水位2 120.8 m,此外坝址区左岸下游2 128 m高程出露的稳定下降泉水均说明枯期同一河床横断面上,地下水补给河水,水力坡降15.9%;右岸存在一个地下水低槽区,从岸边至F5断层,ɑ-ɑ′剖面(见图1)里程120～563 m段最低水位为2 112.73 m,观测日期为2007年3月16日,约低于河床8 m,该段地下水主要接受大气降水补给及蚂蝗箐支流河水补给,垂直山脊向下游小清河排泄,与坝址区河水水力联系不明显。F5断层以南,地下水位高于坝址处小清河河床,从ZK28孔2013年7月29日观测的地下水位高程为2 223.40 m,约高于河床102 m,地下水力坡降13.75%,地下水一部分接受大气降水补给,一部分接受蚂蝗箐支流补给,向下游小清河方向径流。

坝址区右岸存在的地下水低槽区形成原因可能是:该地块受NW-SE向小清河、SN向蚂蝗箐、近EW向F5断层切割,形成北、东、西三面临空的地块。地层岩性为泥岩、砂岩,呈互层或夹层,据右岸钻孔揭示,地表覆盖层之下,山顶至河床有4层泥岩及4层砂岩分布,岩层倾角10°～20°,较为平缓。砂岩透水性较强,属含水岩层,泥岩透水性相对较弱,属相对隔水岩层。地块内地下水主要接受大气降水补给,由于地块三面临空,汇水面积很小,地下水补给量十分有限,存在的多层缓倾泥岩(相对隔水层),导致地下水被滞留和积蓄于泥岩之上的砂岩含水层中,可研阶段勘探钻孔ZK23,工作水位观测显示,钻孔在泥岩中钻进时,工作水位会稳定维持在一定深度,当揭穿泥岩后,工作水位会跟着下降至孔底砂岩层中,这一情况验证了砂岩透水含水、泥岩相对隔水的特征。地块内存在多层上层滞(地下)水,难以补给低于河床的砂岩含水层,以致F5断层以北出现地下水低槽区现象。

坝址区内岩体透水性差异变化较大,含水透水层多属中等透水性,局部卸荷密集带、陡倾节理裂隙发育带(裂隙等价开度>2.5 mm)透水性强,据两期钻孔压水试验资料统计,坝址左岸平均透水率(大值均值)q=91 Lu,平均透水层厚度(算术平均)66.09 m;坝址河床平均透水率q=86 Lu,平均透水层厚度63.73 m;坝址右岸平均透水率q=100 Lu,平均透水层厚度76.79 m。根据规程、规范,本工程以岩体透水率q≤5 Lu视为相对隔水层。

图1 心墙坝坝线右坝延长ɑ-ɑ′渗透剖面图Fig.1 Permability profile of prolonged right dam axis of core dam

2 坝基及绕坝渗漏分析

2.1 坝基渗漏

坝址区内坝基及两岸山体分布有多层中等—强透水的层间裂隙含水透水层,透水层厚度64.25～65.66 m,存在坝基渗漏条件。坝基渗漏采用卡明斯基公式计算(见图2):

Q=KBhH/(L+h)

式中:Q为坝基渗漏量;B为计算段宽度;K为透水层渗透系数,K值按(K=q/50)近似计算,K取大值均值;H为上、下游有效水头差;h为坝基透水层厚度;L为坝基渗透路径长度,取沥青心墙下混凝土板的宽度。

计算结果:心墙坝坝基渗漏量43 468.26 m3/d。

2.2 左、右岸绕坝渗漏

因水库正常蓄水位与左、右岸地下水位、相对隔水层无法相交,两坝肩下游存在渗溢地形条件,水库蓄水后,两岸将产生绕坝渗漏。左岸绕渗带帷幕按正常蓄水位与地下水交点为389.24 m;右岸绕渗带帷幕按正常蓄水位与地下水交点为747.14 m。左、右岸绕坝渗漏采用公式:

Q=0.366KH(h1+h2)lg(B/r0)

式中:Q为渗漏量;K为透水层渗透系数,K值按(K=q/50)近似计算,K取大值均值;H为水坝的上下游有效水头差;h1为上游透水层的厚度;h2为下游透水层的厚度;B为渗漏带宽度;r0为沥青心墙下混凝土板宽度的一半。

计算结果:左岸绕坝渗漏量10 646.89 m3/d;右岸绕坝渗漏量14 363.15 m3/d。经计算,水库总库容2.021×107m3,年来水量约1.791×108m3,心墙坝总渗漏量为2 499×104m3/a,占总库容的123.65%,占年总来水量的13.95%;渗漏影响水库正常蓄水,必须进行防渗处理。

图2 坝基渗漏计算示意图Fig.2 Schematical diagram of leakage calculation of dam foundation

3 防渗处理及评价

3.1 水库近坝段防渗处理及评价

由于河谷两岸浅表部岩体各类节理裂隙较为发育,地下水水位低于库水位,在水库近坝段存在坝基及绕坝渗漏问题。

(1) 坝址左岸地下水水力坡降较平缓、地下水补给河水,存在绕坝渗漏问题,渗漏段长约390 m;

(2) 坝址右岸从河床岸边至F5断层为地下水低槽区,最低地下水位为2 112.73 m,观测日期2007年3月16日,低于河水位约8 m,存在坝基渗漏、绕坝渗漏及库区向下游小清河渗漏。

从F5断层以南,地下水位逐渐升高,根据激电测深及ZK28钻孔资料,F5断层具阻水性,上下盘水位差约28 m,根据激电测深GS3-6(图1)测点,地下水位(2 181 m)及物探测试误差(约13 m),推测该点水位为2 168 m,并结合ZK28钻孔2013年7月29日测量水位2 223.4 m(因为ZK23钻孔雨季2013年7月29日测量水位2 153.9 m与枯季2012年5月7日测量水位2 114.3 m,水位差约40 m),推测ZK28钻孔水位枯季为2 183.4 m,计算出水力坡降为13.75%,至ɑ-ɑ′剖面里程970.81 m处地下水位为2 201.5 m,与正常蓄水位相交,该段库水存在向下游小清河的渗漏。

库区渗漏段以绕渗段末端(输水洞以南25.84 m)为起点,该点ɑ-ɑ′剖面里程为357.59 m,以正常蓄水位与地下水位交点为终点,ɑ-ɑ′剖面里程为1 004.73 m,渗漏段总长647.14 m,渗漏形式为裂隙型,按达西公式:

Q=BK(H/L)(h1+h2)/2

式中:Q为渗漏量;K为透水层渗透系数,K值按(K=q/50)近似计算,K取大值均值;H为库区的上下游有效水头差;h1为上游透水层的厚度;h2为下游透水层的厚度;B为渗漏带宽度;L为库区上下游有效水头之间的距离。

计算出渗漏量Q=59.42×104m3/a,占多年平均来水量的0.332%,占水库总库容的2.94%。根据ZK23、ZK28孔压水试验资料统计,正常蓄水位下岩石透水率的大值均值为12.5 Lu,K=0.25 m/d,为中等透水层的下限;弱—微风化岩体不存在渗透变形破坏,渗漏也不会对下游造成影响,按照《水利水电工程水文地质勘察规范》[2],渗漏轻微,可不进行防渗处理。

3.2 坝基及绕坝防渗处理

坝基及绕坝渗漏量2 499×104m3/a,建议进行防渗处理。心墙坝防渗处理建议采用帷幕灌浆方案,帷幕线沿坝轴线方向布置,帷幕底界深入相对隔水层(q<5 Lu)5 m。

《碾压式土石坝设计规范》[3]SL274—2001,灌浆帷幕伸入两岸的长度可依据下述原则确定:①至水库正常蓄水位与水库蓄水前两岸的地下水位相交处;②至水库正常蓄水位与相对隔水层在两岸的相交处;③根据防渗要求,按渗流计算成果确定。

按原则①确定防渗灌浆帷幕伸入两岸的长度,左岸为389.24 m,右岸为747.14 m;按原则②确定防渗帷幕边界,伸入两岸的长度与原则①确定的长度相近,防渗灌浆帷幕工程量将会巨大。因此,只能按原则③进行防渗帷幕设计。

两坝肩帷幕边界的确定应在满足不产生渗透变形及不影响水库正常蓄水的前提下,尽量减少帷幕长度。按类似工程经验,一般按0.7～1.0倍坝高作为绕坝渗漏段防渗边界,鉴于本工程坝高99 m,初步拟定按1倍坝高作为绕坝渗漏段防渗边界。

渗透变形分析:左岸绕渗带防渗帷幕按1倍坝高,长约100 m处理;右岸绕渗带防渗处理长按1倍坝高,并封闭其附近的强透水的透镜带,长约120 m。两岸防渗帷幕已进入弱—微风化泥岩、砂岩,岩体较为完整,允许水力比降>10,远远大于实际水力比降,不存在渗透变形问题。

渗漏量分析:左岸防渗帷幕长100 m处理后,仍存在渗漏,渗漏量4 495.18 m3/d;右岸防渗帷幕长120 m处理后,仍存在渗漏,渗漏量1 577.81 m3/d。左右岸年渗漏量约222×104m3/a,占河流多年平均来水量的1.24%,渗漏量较小,渗漏水量不影响水库正常效益发挥。

通过渗透变形、渗漏计算分析,按1倍坝高确定的绕坝渗漏段防渗边界,不会产生绕坝渗透变形破坏,漏水量也不会影响水库正常效益发挥。因此,建议防渗灌浆帷幕伸入左岸长度为100 m、伸入右岸长度为120 m,防渗底界深入q<5 Lu相对隔水层以下5 m,防渗段长约548.84 m。建议帷幕灌浆在死水位以下采用双排孔,孔距1.5 m,排距1.0～1.2 m;其余段采用单排孔,孔距1.5 m,具体灌浆参数由灌浆试验确定。

4 结语

云南省地质构造复杂,且分布较多的砂泥岩互层地层,其地下水往往具有多层含水层的特点,对该类地层勘探,查明其地质条件时,笔者认为应注意以下几点:

(1) 查明地质构造、地层的分布特征,尤其是砂岩类和泥岩类的含水层及相对隔水层分布、厚度、裂隙发育程度和泉点的分布,以此来分析地下水的补给、径流和排泄特征;

(2) 在钻孔勘探时,应根据岩性分布初判可能存在的含水层,坚持对重点地段地下水位进行多次观测,且进行对比分析;

(3) 在考虑防渗帷幕边界时,分析正常蓄水位或相对隔水岩层的分布位置及近坝库盆的封闭性,若不能满足要求,则需根据防渗要求,按渗流计算成果确定。

[1] 靳文.昆明市东川区轿子山水库初步设计报告[R].昆明:云南省水利水电勘测设计研究院,2013.

[2] 中华人民共和国水利部.水利水电工程水文地质勘察规范:SL373—2007[S].北京:中国水利水电出版社,2007.

[3] 中华人民共和国水利部.碾压式土石坝设计规范:SL274—2001[S].北京:中国水利水电出版社,2002.

(责任编辑：陈姣霞)

Effect of Geological Characteristics of Jiaozi MountainReservoir Dam Site on Anti-seepage

JIN Wen

(WaterConservancy&HydropoweInvestigationDesignAcademyofYunnanProvince,Kunming,Yunnan650051)

Formation of Jiaozi mountain reservoir dam site is sand-shale interbeded formation in Jurassic system of Lufeng formation.Geological structure and physical geological phenomenon develops.Sandstone in the dam site area and fractured silty mudstone are aquifers (permeable layers).Complete sandstone and silty mudstone are relatively aquifuges.The paper analyses geological conditions near the dam site engineering research for the engineering safety.It has important significance for dam seepage.

hydrologic geology; leakage; anti-seepage; seepage deformation

2015-11-24;改回日期:2016-01-26

靳文(1981-),男,工程师，工程地质专业，从事水利工程地质勘察工作。E-mail:251199684@qq.com

P64

A

1671-1211(2016)02-0207-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.02.016

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160303.1057.032.html 数字出版日期:2016-03-03 10:57