芝瑞抽水蓄能电站上水库渗漏分析

于立宏, 赵玉滨, 杨喜军, 郑海伦, 朱智雷

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

芝瑞抽水蓄能电站上水库渗漏分析

于立宏, 赵玉滨, 杨喜军, 郑海伦, 朱智雷

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

芝瑞抽水蓄能电站上水库库区基岩为玄武岩,柱状节理发育,不同期次玄武岩之间为混合土碎石层,混合土碎石层组成物复杂,以地下水发育特征为切入点,通过分析地下水位埋深、压水试验成果、柱状节理与各层混合土碎石联系方式,得出上水库区柱状节理与混合土碎石层组成的庞大网络是地下水存储、运移的主要区域,水库蓄水后,存在库水渗漏的工程地质问题。

抽水蓄能电站;柱状节理;混合土碎石;地下水;渗漏;网络

上水库库水是否渗漏是抽水蓄能电站工程勘察期间必需要回答的工程地质问题之一[1],研究分析清楚上水库区岩体的渗漏方式和渗漏通道,对于上水库设计意义重大。

芝瑞抽水蓄能电站位于内蒙古赤峰市克什克腾旗芝瑞镇境内,下水库位于西拉木伦河一级支流百岔河主河道上,上水库位于百岔河左岸山体顶部玄武岩台地上,为半挖半填成库,库容800万m3,全库库盆面积24万m2,输水系统与地下厂房系统布置于百岔河左岸山体内。额定水头440 m,装机4台可逆式机组,总装机容量1 200 MW,上水库正常蓄水位1 590 m,下水库正常蓄水位1 132 m,为大(Ⅰ)型工程。

1 工程地质条件

工程区所在区域位于内蒙古高原东部边缘,区域内沟谷纵横,地形起伏差较大。上水库位于一个呈NE向展布、两侧为深沟的玄武岩台地上,海拔高程1 500～1 600 m,这个玄武岩台地地形平缓,宽度为0.7～2 km,延伸长度20～30 km,与坝上联接,两侧地形坡度30°～50°,沟底高程一般1 100～1 200 m。

地层岩性主要为新近系玄武岩和第四系粉土,其中粉土为风积,黄色,松散状态,厚度一般为3～5 m;玄武岩厚度200 m左右,与下伏侏罗系流纹岩呈不整合接触。玄武岩具多个韵律旋回[2],显示多期次的火山喷发活动,每期次火山喷发活动之间具有一定间断[3],表现为每期次玄武岩之间具一定厚度的混合土碎石。高程1 570～1 600 m每期次玄武岩厚度5～10 m,多为气孔状玄武岩,黄—灰红色,气孔发育,气孔间联通性差;高程1 570 m以下每期次玄武岩厚度40～80 m,多为致密块状构造玄武岩,灰色。各期次玄武岩间发育的混合土碎石层均类似,黄色,碎石约占60%,其余为粘性土,碎石岩性成分主要为玄武岩,少量为流纹岩。混合土碎石层厚度变化大,钻孔揭露该区玄武岩间混合土碎石层最大厚度达31 m,最小厚度<0.10 m,厚度一般0.5～2.0 m。

该区不发育断层,玄武岩柱状节理垂直发育,延伸长,节理面平直、粗糙,多附有钙质物薄膜及铁锈。受柱状节理切割,玄武岩多呈5或6边形柱状,岩石柱直径一般0.8～1.3 m。

地下水主要接受大气降水补给,通过玄武岩台地两侧深沟向百岔河排泄。

2 上水库渗漏分析

2.1 地下水位埋藏深度分析

一个水文年的地下水位长期观测资料表明:上水库区地下水位稳定,埋深80～100 m。

上水库区地下水易于向两侧深沟排泄[4]。近20年来,芝瑞镇在上水库附近兴建了100多家加工玄武岩的石板厂,加工石板时大量抽取地下水,相当于加大了地下水排泄量。近段时间内,上水库周边区玄武岩台地上又开工建设了10多处露天开采致密块状构造玄武岩的大型石料场,大面积的山体覆盖层和岩体被剥离运走,破坏了局部的水循环系统,致使一部分大气降水在地面滞留时间加长,其蒸发量和通过地表排入百岔河水量增加,某些部位还出现了地下水未进入更深的地下而提前渗出的现象,增加了地下水的排泄途径[5],加大了山体内地下水排出的可能性。

从本世纪80年代以来,坝上地区用水量持续增加[6],整体地下水位埋深持续下降[7],导致从坝上补排给上水库区的地下水量持续减少。

总之,近20年来,上水库区地下水排泄量增大了,本区域大气降水渗入地下而补充给地下水的水量相对减小了,从远处补充过来的地下水量也在减少,这些因素直接导致该区泉水发育高程逐渐降低,高程低处的泉水涌水量均逐年减少,并均向季节泉发展。说明了上水库区地下水运移网络整体是联通的,地下水相互间联系性较好[8]。

2.2 压水试验成果分析

据规划阶段、预可行性研究阶段上水库区22个钻孔的193段压水试验、5段注水试验成果可知,混合土碎石层透水性相对较强,岩土体渗透性等级为弱透水—中等透水,其它部位岩体透水率值一般<1 Lu,岩土体渗透性等级为微透水—极微透水,说明各混合土碎石层是该区地下水运移的主要通道,是上水库区地下水主要储藏部位[9],混合土碎石层控制了上水库区地下水位发育高程[10]。

图1 钻孔位置示意图Fig.1 The schematic of the drilling hole position

岩体主要由结构面和结构体构成,结构面是指切割岩体的各种地质界面[11]。对钻探钻出的岩芯观察,该区钻孔均避开了柱状节理,见图1所示。如果孔位布置在柱状节理存在的A位置或类似A位置的话,该取芯钻孔岩芯将破碎,或者,取芯钻孔将常出现卡钻现象而导致钻孔很难完成,这种情况下钻孔基本都是在结构体内穿行,钻孔岩芯多呈柱状、长柱状,钻孔孔壁上表现出来的基本上都是完整的结构体内部完整岩体,柱状节理发育情况下的岩体真实情况没有表现出来,工程试验测出的压水试验成果值不具有代表该区岩土体渗透性的性质,也就是说,单纯从压水试验、注水试验成果不能说明上水库岩土体渗透性情况,上水库压水试验、注水试验成果得出的岩土体渗透性的结论是不能代表野外现场实际情况的。

2.3 综合分析

玄武岩柱状节理是发育于玄武岩中的一种原生张性破裂构造[12],上水库区地下水可在柱状节理内存储和运动[13],玄武岩台地两侧均为地形较陡的深沟,玄武岩边坡在复杂的地质营力和各种因素影响下,玄武岩山体有向临沟卸荷的作用[14]。现在,沟底随时可见到崩塌下来的玄武岩结构体,这种卸荷作用当然也会导致近沟侧的玄武岩柱状节理张开,增加地下水运移的通道,加大玄武岩岩体透水性。混合土碎石层覆盖于较早形成的玄武岩基岩或流纹岩基岩的古地形上,受古地形形态、古气候作用,及古崩坡积物等覆盖层堆积情况和成分复杂等因素影响,再加上地表水冲刷、地下水等复杂因素作用,混合土碎石层成分及厚度均变化较大、均一性差,尤其混合土碎石层初期形成时,松散密实程度变化大,因此,上覆的玄武岩岩层将对混合土碎石层进行压实加密,在这一长期变化过程中,由于玄武岩岩体内柱状节理发育的原因,玄武岩岩层将会以某些柱状节理为边界条件发生不均匀沉降、变形,这些过程又伴随着地应力作用等各种复杂因素,在各种综合作用影响及作用下,一些柱状节理张开程度变大。总之,柱状节理成为了垂直方向联系各层混合土碎石的地下水运移通道,柱状节理与各混合土碎石层共同组成了一个能使地下水在其内自由运移和存储的巨大网络,这导致上水库区地下水存储、运移空间与外部地下水存储、运移空间以及泉水等地下水出水点、排泄点全方位立体地联系了起来,并与百岔河一起构成了该区独特的地下水补排系统。

综上分析,上水库区柱状节理与混合土碎石层组成的庞大地下水存储、运移网络复杂,上水库蓄水后,库水会通过这个网络源源不断地向库外渗漏。

3 结语

上水库区发育的柱状节理与混合土碎石层构成了地下水存储、运移的庞大网络,令上水库区地下水与周边地区地下水、地表水联系起来,水库蓄水后,库水存在向库外渗漏的工程地质条件,上水库应采取全库盆防渗设计。

[1] 吴火才.抽水蓄能电站的主要工程地质问题[C]//2004年全国抽水蓄能学术年会论文集.南京:中国水力发电工程学会,2004.

[2] 沈军辉,王兰生,徐林生,等.峨眉山玄武岩的岩相与岩体结构[J].水文地质工程地质,2001(6):1-4.

[3] 曹昌磊,梅红波,胡光道,等.云南建水官厅峨眉山玄武岩喷发旋回划分及其意义[J].地质学刊,2014,38(3):352-357.

[4] 夏邦栋.普通地质学[M].北京:地质出版社,1984.

[5] 西南交通大学水力学教研室.水力学[M].北京:高等教育出版社,1961.

[6] 马冬梅,张海平,张婷,等.张家口坝上地区地下水资源现状及合理利用[J].河北建筑工程学院学报,2014,32(1):49-51.

[7] 郭如侠,宋树成.张家口坝上地区地下水动态分析[J].地下水,2012,34(1):72-73.

[8] 水利电力部水利水电规划设计院.水利水电工程地质手册[M].北京:水利电力出版社,1985.

[9] 徐志英.岩石力学[M].北京:水利电力出版社,1981.

[10] 薛禹群.地下水动力学原理[M].北京:地质出版社,1986.

[11] 钱家欢.土力学[M].南京:河海大学出版社,1988.

[12] 徐松年.玄武岩柱状节理构造研究的进展与动向[J].地质科技情报,1986,5(3):18-25.

[13] 张忠学.工程地质与水文地质[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[14] 陆兆溱.工程地质学[M].北京:水利电力出版社,1989.

(责任编辑：于继红)

Seepage Analysis on the Upper Reservoir in Zhirui Pumped-storage Power Station

YU Lihong, ZHAO Yubin, YAN Xijun, ZHENG Hailun, ZHU Zhilei

(HydroChinaBeijingEngineeringCorporationLimited,BeijingChina100024)

In Zhirui Pumped-storage Power Station,the bedrock on the upper reservoir area is detected as basalts with the development of columnar joint. The basalts of varying ages are comprised of mixed layers with soil and crushed stone,which exhibit complex components. Derived from the characteristics of groundwater development,the relationship between each mixed layer and some key factors is investigated,including groundwater depth,water pressure tests,and columnar joint structure. Experimental results show that the columnar joints united with mixedlayers on the upper reservoir region develop into a gigantic network,which is the dominant region for the storage and migration of the underground water. Reserving water in the reservoir triggers a series of engineering geological problems including the water leakage.

pumped storage power station; columnar joint; mixed layer; underground water; leakage; network

2017-06-09;改回日期:2017-06-16

于立宏(1973-),男,教授级高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:540043052@qq.com

TV743; TV697.3+2

A

1671-1211(2017)04-0398-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.010

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1330.020.html 数字出版日期:2017-06-20 13:30