老挝某水电站左岸低矮垭口库岸渗漏及渗透稳定分析

胡彬　刘斌

摘 要：水库渗漏是制约新建水利水电工程的主要工程地质问题之一。老挝某电站库区左岸低矮垭口库段可能存在渗漏和渗透稳定问题，该文在野外工程地质勘察的基础上，结合试验资料，采取定性和定量的方法对低矮库段的库岸再造、渗漏量、渗透稳定进行分析计算，为下一步采取相应的工程防治措施提供科学、可靠的地质依据。

关键词：渗漏 渗透稳定 低矮垭口

中图分类号：TV7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0049-04

Abstract：Reservoir seepage is a major problem of engineering geology which restricts new construction hydraulic and hydropower projects.There are lower cols destructed on the left Reservoir bank of a hydropower which perhaps produces seepage and permeability stability in Laos.On the basis of engineering geological investigation outdoors and combined test data， reservoir bank reformation，Analysis and calculate seepage and seepage stability with the qualitative and quantitative methods，it offered scientific and reliable geological base for the next step to take corresponding engineering measures.

Key Words：Seepage；Permeability stability；Lower cols

老挝某水电站位于老挝中部湄公河左岸二级支流南立河上，装机容量100 MW，正常蓄水位高程305 m，相应库容9.03×108 m3，水库区两岸峰脊海拔高程1063～500 m，谷底高程205～230 m，相对高差约300 m～800 m，属中低山峡谷地貌[1]。库区左岸山顶高程总体较低，从坝址至库区上游约1.5km的库段，山体单薄，冲沟发育，地形起伏较大，沿地表分水岭分布了6个低矮垭口（1#、2-1#、2-2#、2#、3#及4#垭口），其中：2#、3#垭口低于正常蓄水位高程，存在库水溢出问题，已修建副坝挡水并进行帷幕灌浆处理。其它垭口及其周边库岸山脊因高程仅略高于正常蓄水位高程，库盆南侧存在低于正常蓄水位高程的班敦村山间盆地（分布高程210～240 m），为库区左岸外围低邻谷，水库蓄水后，存在库水沿低矮垭口及附近单薄山脊向低邻谷渗漏及渗透稳定问题，对工程运行存在安全隐患，需进行论证分析。

1 库区地质构造及基本地质条件

区域构造行迹总体以NNE向、近SN向、NE向为主，且以断裂为主，区域断裂主要表现为奠边府—程逸断裂带、长山—岘港断裂带，次级断层构造行迹主要为NEE、NNW向，库区构造弱发育，沿库区发育一舒缓背斜，背斜轴向N E 30°～60°，低矮垭口及单薄山脊为背斜的南翼，地层由内往外依次为Pζ的英安岩、PT的凝灰岩、火山角砾凝灰岩和PDM的白云岩、灰质白云岩、白云质灰岩，产状一般为N30°～60°E，SE∠30°～60°，为库区下游地层。近坝址区发育一条Ⅱ级断层，产状N70°～80°E，NW∠67°～74°，宽1.5～1.8 m，长约6 km，该断层与河谷大角度斜交，且主要在库区内展布，未贯通至库外，此外库区零星发育次级Ⅲ、Ⅳ结构面。据与该区直线距离30 km已建工程论证，其半径150 km范围内尚无超过5.5级地震发生的记录，该区属低烈度区，基本烈度为Ⅵ度[2]。

经勘察，沿低矮垭口库岸地表分水岭一线，山脊高程在 308.5～340 m之间，高于水库正常蓄水位约5～35 m，在1#、2-1#、2-2#、4#垭口部位，最低点高程仅高于正常蓄水位不足10 m，该库段山脊单薄，地表多覆盖厚度较薄的第四系残坡积粘性土，1#垭口及周边下伏基岩为英安岩（Pζ），2-1#、2-2#、4#垭口下伏基岩为岩屑凝灰岩、含火山角砾凝灰岩，基岩仅在1#、2-2#垭口零星出露。在2-1#垭口处，钻孔揭示一条断层，根据该区地质构造特征及地貌形态判断，该断层总体沿NW-SE向延伸，经垭口上下游冲沟附近贯通库外，倾角约65°～75°，宽度约0.5～1 m，断层物由糜棱岩、少量碎块岩组成，胶结差。低矮垭口库岸岩体风化强烈，全强风化岩体埋深厚度较大，岩体透水率较大，q≤5 Lu岩体埋深较大，地下水位与正常蓄水位水头差较大（表1）。

2 库岸稳定分析

低矮垭口库段沿线地形坡度较缓，一般20°～30°，滑坡、崩塌、泥石流、卸荷等不良物理地质现象均不发育，亦无明显的松散堆积体分布；下伏基岩为火山碎屑岩或喷出岩，无连续延伸的流面或层面构造，库段山体自然稳定性较好，但库岸由残坡积土及较深厚的全、强风化层组成，松散介质一般厚度>15 m以上。

2.1 迎水坡山体库岸再造分析

根据库水变幅、库岸结构，选取能代表整个低矮垭口库段的典型断面：4#垭口段、2-1#～2-2#垭口段，采用长期预测的最终坍岸宽度计算公式[3]，估算成果见表2。

St=N[（A+hP+hB）ctgα+（H-hB）ctgβ-（A+hP）ctgγ] （1）

式中：St为坍岸带最终宽度（m）；

A为库水位变化幅度（m）；

N 为与土的颗粒大小有关的系数；

hP为波浪冲刷深度（m）；

hB为浪击高度（m）；

H为正常蓄水位以上岸坡高度（m）；

α为岸坡水下稳定坡角（°）；

β为岸坡水上稳定坡角（°）；

γ为原始岸坡坡角（°）。

对比低矮垭口库段分水岭地形条件，正常蓄水位高程以上挡水山体宽度：各垭口38～60 m，最单薄处为2-2#垭口；非垭口段70～250 m，上述两低矮垭口库岸可类比代表低矮库段及垭口的库岸再造影响范围，考虑实际存在的地形地质条件差异，综合提出：低矮库段各垭口处库岸再造影响范围约为5～10 m；一般山坡库岸再造影响范围约为20～30 m，绝大多数低矮垭口库段存在库岸再造，但再造范围有限，库岸再造形成库水沿地表集中外渗的可能性小，但库岸再造将破坏迎水面的天然防渗铺盖，缩短经岩体的渗径，加重库水渗漏。

2.2 背水坡山体稳定分析

库岸背水坡地形坡度一般在25°～38°之间，山脊脚高差约50～90 m，总体地形较为高陡，蓄水前，见泉点沿山坡高程280 m至山脚一带出露；受蓄水影响，地下水将产生壅高，背水坡将出现更高、更多的地下水溢出点，坡面存在大面积散浸现象，饱水后浅表部的松散破碎岩土体，其抗剪等力学指标将显著降低，导致圆弧形的坍塌失稳，散浸失稳区将主要集中在1#垭口库段、2-1#垭口～2-2#垭口库段的背水岸坡。

3 渗漏及渗透稳定分析

3.1 渗漏分析

经钻探及压水试验揭露，蓄水前，低矮垭口库岸地下水水位有三段低于正常蓄水位高程，分别是1#垭口及其旁侧山脊库岸段，长约280m，2-1#～2-2#～2#～3#垭口库岸段，长约520 m，4#垭口库段，长约150 m，上述地下水较低的库岸累计长约950 m，约占整个低矮垭口库段总长的63%，低矮垭口库段表部分布有粘性土和粘粒含量较高的全风化层，下伏基岩为火山喷出岩或火山沉积岩，宏观上岩土体属相对隔水层，但在强风化带及弱风化上段基岩中普遍存在层厚5～25 m的破碎岩体，属中等～强透水层，库水易沿该层产生渗漏。

蓄水后，1#、2-1#、2-2#、4#垭口部位地下水与正常蓄水位之间将产生8～20 m的水头差，上述部位下伏基岩破碎，裂隙张开，沿全、强风化岩体风化面及张开的裂隙产生流土及接触冲刷。此外，库水亦有沿经2-1#垭口发育的断层向库外渗漏的可能。

3.2 地下水雍高及渗漏量估算

3.2.1 地下水雍高

根据低矮垭口库段地下水水位与正常蓄水位空间分布关系，结合相应地质结构及水文地质边界条件，将地下水含水层划分为双层渗透结构和均质渗透结构，在低矮垭口，选取除两副坝以外的其它4个垭口段及1个相对较高的山脊顶段（ZK124断面），作为代表性断面，分别选用库岸壅水计算公式及参数，计算地下水壅高。

（1）双层渗透结构地下水壅高公式

K1M（h0-h1）+1/2K2（h02-h12）=K1M（y0-y1）+1/2K2（y02-y12）

（2）

（2）均质渗透结构地下水壅高公式

y02=d/4+y12+h02-h12+d（h0+h1-y1）d/2 （3）

3.2.2 渗漏量估算

该电站库容等别属大型，岸坡因渗漏失稳后库水将集中排泄至人烟稠密的盆地型农耕区，危害巨大，为确保水库运行安全，按不考虑和考虑地下水壅高的两种条件下进行演算，选取大值渗透系数，按渗透性不同的双层结构含水层，上层为残坡积粘土及全风化层，下层为强风化下部～弱风化上段选用达西地下水渗流估算公式（公式4），计算最小可能渗漏量（Qmin）和最大可能渗漏量（Qmax）进行估算，渗漏量估算结果见表4。

Q=K上层×I×A上层+K下层×I×A下层 （4）

3.3 渗透稳定分析

对可能产生沿漏的背水坡残坡积层和全风化岩层进行取样，进行渗透类型的判别、渗透稳定验算。

3.3.1 渗透类型

对取样残坡积土层和全风化层样品分别进行颗分试验（图1、2），细粒含量残坡积土层Pc=81%～82%，全风化层Pc=82%～93%，均远大于35%，渗透变形类型均为流土型。

3.3.2 水力比降

残坡积土比重Gs=2.72～2.76孔隙率n≈0.561～0.566，临界水力比降Jcr=0.77～0.59，全风化层比重Gs=2.72～2.76，孔隙率n=0.321～0.352，临界水力比降1.08～1.14；考虑该水库的重要性，取安全系数为2，残坡积土允许水力比降J允许=0.295～0.385，全风化层J允许= 1.08～1.14。

3.3.3 实际承受的最大水力比降估算

低矮库段沿线各垭口处地形相对单薄，渗径较短，故该库段实际承受的最大水力坡降集中在各垭口一带。在不考虑设置防渗帷幕的情况下，各垭口实际承受的最大水力坡降计算结果见表5：

4 渗漏及渗透稳定评价

4.1 渗漏评价

低矮垭口及周边存在较高的地下分水岭，沿分水岭两侧山坡及坡脚一带冲沟见常年流水及泉眼分布，该段河谷水动力条件属补给型，库岸无可溶岩层及贯通库内外的大规模断层破碎带，不会产生管道型的集中渗漏，总体以裂隙式渗漏为主。蓄水后，大部分低矮垭口库段存在沿第四系残坡积层及下伏强风化破碎岩体向低邻谷渗漏的问题：（1）1#垭口库段地下水位壅高17 m左右，但仍低于库水位约3 m，存在沿该垭口外渗的条件；（2）2-1#垭口库段地下水位将壅高8～9 m左右，略低于库水，但库水可能沿沿垭口发育的断层带向库外集中渗漏；（3）2-2#垭口库段地下水位将壅高6 m左右，低于库水位约10 m，库水亦将产生渗漏；（4）4#垭口库段地下水将壅高7 m左右，基本与库水位持平或略低，产生库水渗漏的可能性小。

4.2 渗漏量评价

根据规范[4]，多年调节水库的允许漏水量宜小于河流多年平均流量的5%，该水库属多年调节水库，南立河多年平均流量为 80.9 m3/s，允许漏水量约为4 m3/s，而低矮库段的最大可能渗漏量Qmax为802.14 m3/d，远小于该水库允许漏水量，故渗漏不会对水库效益产生影响。

4.3 渗透稳定评价

在不考虑设置防渗帷幕的情况下，低矮垭口库段实际承受的最大水力坡降J实际=0.209～0.308，均低于全风化层的允许水力比降，其上限值0.308出现在2-2#垭口段，接近或略高于残坡积层的允许水力比降，其它垭口、库段岩土体允许水力比降≤0.215，低于残坡积层允许的水力比降。经研判：最单薄的2-2#垭口背水坡一带挡水山体宽38 m，可能存在流土型渗透破坏；其余低矮垭口库段残坡积层一般不会发生渗透破坏，背水坡的全风化层不会发生渗透破坏，仅局部因物质组成差异存在沿接触面产生接触冲刷等渗透破坏的可能。

5 结语

蓄水后，库岸再造不会造成低矮垭口库岸整体失稳，亦不会产生管道型的集中渗漏，主要表现为裂隙式渗漏，主要集中在2-2#垭口库段，渗漏可能造成背水坡面出现大面积的散浸现象，进而产生浅表层的圆弧形坍滑或小范围土滑。根据最不利工况组合，1#、2-1#～2-2#两个渗漏条件较好，渗漏量较大的低矮垭口库段，可能存在因渗漏导致库岸防渗或挡水的功能，建议采用防渗帷幕加以处理，此外，在上述垭口迎水坡水位变幅带及破浪掏蚀带附近，增设相应抗冲刷措施，其它低矮垭口库段，应加强水库运行期间的地下水位观测。

参考文献

[1] 杨志红，刘斌.老挝某水电站副坝区低矮库段设计专题报告（工程地质）[R].中国水电集团昆明勘测设计研究院，2009.

[2] 徐煜坚，汪良谋.世界活动构造、核电站、高坝和地震烈度分布图[Z].北京：测绘出版社，1996.

[3] 常士骠，张苏民.工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4] 水电水利规划设计总院.水力发电工程地质勘察规范（GB50287-2006）[S].北京：中国计划出版社，2006.