北盘江流域某岩溶水库坝基渗漏敏感性研究

2020-01-03胡大儒李鹏飞裴熊伟王钦权

水利与建筑工程学报 2020年6期

胡大儒，李鹏飞，裴熊伟，王钦权

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

岩溶地区地质条件复杂，生态环境脆弱，开展水利水电工程建设可能存在岩溶水库渗漏、岩溶浸没、岩溶涌水、岩溶塌陷等工程问题，严重时可能导致坝基及边坡失稳，甚至诱发岩溶型水库地震[1-3]。目前，国内外较为成熟的岩溶水文地质调查探测法主要有地质勘探、高密度电法、EH4、探地雷达、电磁波CT、示踪剂法、水均衡法、场分析法等[4-7]；水库岩溶渗漏评价方法主要有理论公式法、流网图解法、数值模拟法、水文网演化分析法、岩溶水系统分析法、地下水基准面分析法等[8-10]。程正璞等[11]通过大地电磁法及高密度电法查明地层结构及浅部岩溶发育情况。贾龙等[12]通过钻孔雷达单孔反射信号及其衰减特征，查明了各种岩溶形态的规模、空间密度及其分布规律。张祯武等[13]利用示踪探测技术进行水库渗漏流场通道定位分析，合理地优化了水库防渗方案。赵瑞等[14]利用数值方法模拟了岩溶通道的空间形态，合理评估工程防渗措施的有效性。崔炜等[15]采用三维有限元法进行水库渗流状态模拟，并定量分析了各影响因素对水库渗漏的影响程度。上述学者们很好的给我们展示了岩溶水库渗漏的主流研究思路与方法，即以试验、探测为主的现场调查法和以数值计算为主的模拟分析法。但因岩溶空间形态的不确定性、含水系统的复杂性、边界条件的差异性，现场调查很难通过以点代面的方式真实反应三维地下空间内的岩溶发育特征，同时，数值模拟分析常建立在各种理论假设及概化模型的基础上，现场调查结果很难在数值模型中精确还原，因此，要做到将现场调查与数值模拟分析有机结合，充分发挥各自优势，相辅相成，还需要业内的科研工作者们开展更多的相关研究。

北盘江流域沿线河谷深切，两岸高程内人口密集区地下水埋藏较深，枯期降雨量少，缺水问题严重，兴建水利工程可有效缓解这一难题。研究区岩溶水文地质条件复杂，水库渗漏模式的高效识别、渗漏通道的精准定位、坝基渗漏及影响因素的合理评价，对于工程方案优化及水资源有效利用均有重要意义。本文在分层水位观测、物探解译及数值模拟分析的基础上，对北盘江流域PCH水库坝基溶隙型渗漏的各影响因素进行了敏感性分析，为工程防渗设计提供一种参考思路。

1 基本地质条件

PCH水库位于北盘江右岸支流中段，水库最大坝高90 m，正常蓄水位1 035 m，相应库容473万m3。研究区地形总体西高东低，两岸自然坡度30°～45°，局部较陡，接近直立。研究区以溶蚀侵蚀之岩溶中山地貌为主，干流与滴水沟支流汇合后，以SEE向流经坝址。坝址下游700 m处发育岩溶盲谷，谷长300 m，深25 m，盲谷下游侧与长约1.2 km的地下暗河相连，并于岩脚村一带转为明流，直至汇入北盘江。经现场调查及勘探揭示，坝址区河床覆盖层厚约30 m，主要为冲洪积(Qpal)砂卵砾石、静水沉积(Ql)淤泥质粉土；岸坡覆盖层主要分布于上、下游侧堆积体范围内，厚5 m～30 m不等，主要为崩坡积(Qcol+dl)块碎石土。基岩自上而下分别为: 三叠系下统永宁镇组第一段第三、四层(T1yn1-3+4)泥质灰岩，厚度约60 m，为强岩溶岩组；永宁镇组第一段第二层(T1yn1-2)泥灰岩夹泥岩，厚度约90 m，为弱岩溶岩组，此外，该层沿岩面发育一组岩屑夹泥型软弱结构面；永宁镇组第一段第一层(T1yn1-1)薄至中厚层灰岩，整体厚度约125 m，为强岩溶岩组；飞仙关组(T1f)泥页岩，为相对隔水岩层。坝址两岸发育区域构造中营向斜及较多小断层、卸荷裂隙，受向斜影响，局部岩层倒转倾覆，各断层及卸荷裂隙均为Ⅳ级结构面。工程区不良地质现象主要为岩体风化、卸荷，局部可见崩塌堆积体，工程区岩溶发育强烈，可能存在岩溶渗漏问题。工程区岩溶水文地质图见图1。坝基工程地质剖面见图2。

图1 工程区岩溶水文地质图

图2 坝基工程地质剖面图

2 坝基岩溶渗漏模式分析

2.1 工程区岩溶发育特征

工程区发育岩溶类型主要有：溶洞、岩溶泉、岩溶管道、岩溶盲谷、地下暗河等，各岩溶基本特征统计见表1。平面分布上，岩溶发育强烈区主要集中于库区T1yn1-1灰岩露头区及坝址下游T1yn1-1灰岩露头区，两区之间岩溶发育相对较弱。垂直分布上，各岩溶点均分布于T1yn1-1灰岩与其上T1yn1-2泥灰岩夹泥岩地层接触带处。发育程度上，埋深较浅、地下水活跃的区域岩溶发育更强烈，埋藏较深、地下水处于滞流状态的区域岩溶发育相对较弱。KS2岩溶管道出口形态见图3。

表1 工程区岩溶基本特征统计表

图3 KS2岩溶管道出口图

2.2 坝基岩溶渗漏模式分析

坝基以下T1yn1-1灰岩地层为强岩溶岩组，其上、下部地层界面分别与弱岩溶岩组T1yn1-2泥灰岩夹泥岩、相对隔水层T1f泥页岩接触，接触带地下水活动相对较强，因此，T1yn1-1上、下部地层界面处可能存在岩溶管道。以下分别从分层水位观测及物探测试成果等方面进一步分析论证。

(1) 分层地下水位分析。为研究是否存在上述可疑渗漏通道，选取坝轴线右岸河心孔BZK1、坝址下游300 m处右岸河心孔BZK3，进行分层水位(内管水位)及综合水位(外管水位)长期观测。

BZK1号钻孔深110.0 m，其中，0.0～30.0 m为覆盖层，30.0 m～77.6 m为T1yn1-2薄夹中厚层泥灰岩夹泥岩，77.6 m～110.0 m为T1yn1-1中厚层状灰岩。BZK1号钻孔分层水位观测曲线如图4所示。

图4 BZK1钻孔分层水位观测曲线图

BZK3号钻孔深207.0 m，其中，0.0～20.0 m为覆盖层，20.0 m～57.5 m为T1yn1-2薄夹中厚层泥灰岩夹泥岩，57.5 m～202.0 m为T1yn1-1中厚层状灰岩，202.0 m～207.0 m为T1f薄至中厚层泥页岩。BZK3号钻孔分层水位观测曲线如图5所示。

图5 BZK3钻孔分层水位观测曲线图

据图4、图5可知，两钻孔内、外管水位变化趋势基本相当：

① 5月12日—5月23日BZK1孔深小于77.6 m，5月12日—5月16日BZK3孔深小于57.5 m，两钻孔均未打穿T1yn1-2隔水地层，内、外管水位基本一致，均为覆盖层内水位。

② 5月24日—5月26日BZK1钻孔钻进至T1yn1-1含水层，5月17日—6月9日BZK3钻孔钻进至T1yn1-1含水层，因栓塞阻隔作用，两孔所测内管水位即为T1yn1-1灰岩内分层水位。BZK1、BZK3两钻孔揭示T1yn1-1灰岩分层水位分别为21.0 m、51.5 m，均较T1yn1-2层内水位稍有降低，但均高于T1yn1-1地层顶板(埋深分别为78.0 m、57.5 m)，说明T1yn1-2地层隔水性较好，且T1yn1-1层内未发育岩溶管道，否则该分层水位将低于T1yn1-1地层顶板高程。

③ 6月14日—7月9日为汛期，受两岸地下水补给，BZK1、BZK3两孔测得T1yn1-1灰岩分层水位均存在大幅度上涨，因具有承压水性质，该水位甚至高于两孔所测外管综合水位，说明T1yn1-1层内未发育岩溶管道，否则汛期该内管水位不会持续上升超过T1yn1-1地层顶板高程，更不会高于外管综合水位。

(2) 物探测试分析。BZK1与BZK2、BZK3与BZK4两对孔间CT测试及钻孔录像显示，坝基岩体完整性总体较好，无大的溶洞、空腔、管道发育，仅T1yn1-1与T1yn1-2地层分界面附近零星发育溶蚀带，垂直方向上，溶蚀带多分布在地层界面及以下10 m～15 m深度范围内。钻孔CT测试成果见图6。

图6 钻孔CT测试成果图

根据分层地下水位观测、物探测试等成果分析认为，水库不存在沿T1yn1-1上、下地层分界面的河床深部管道型渗漏问题，可能的渗漏模式为沿T1yn1-1灰岩与T1yn1-2泥灰岩夹泥岩地层分界面发生溶隙型渗漏。

3 坝基渗漏影响因素敏感性分析

3.1 理论基础

有限元渗流与稳定性耦合分析，即将有限元渗流分析得到的地下水渗流场结果代入边坡稳定性分析中参与求解。与常规方法相比，耦合分析中参与稳定性计算的各单元节点处的孔隙水压力值更精确，且考虑地下水渗流影响的边坡稳定性计算结果更接近于实际。

由莫尔-库仑抗剪强度公式可知，滑面的抗剪强度为：

τf=σntanφ+c

(1)

将滑动面上各点均达到极限平衡时其强度平均折减系数定义为坡体则抗滑稳定系数[16]，具体可表达为：

(2)

式中：σn为滑动面上任意一点的法向应力；φ为滑动面上任意一点的内摩擦角；c为滑动面上任意一点的黏聚力；l为滑面长度；τ为沿滑面l方向的剪应力。

3.2 模型建立

运用Rocscience软件基于莫尔-库仑准则的有限元法进行溶蚀率(溶蚀裂隙与溶蚀带体积比)、渗透系数、防渗帷幕深度等因素对坝基抗滑稳定性、坝基单宽渗漏量影响的敏感性分析。坝上游按正常蓄水位1 035 m常水头边界，坝下游按溢出边界考虑，T1f泥页岩按不透水边界考虑；模型两侧边界按水平约束，底部边界按固定约束考虑，采用平面应变条件的3节点三角形等参元进行网格划分，模型示意图见图7。

图7 有限元网格划分示意图

3.3 岩土体物理力学参数

结合现场及室内剪切试验、钻孔压水试验、试坑注水试验成果，提出坝址区岩土体物理力学参数建议值如表2所示。

表2 岩土体物理力学参数建议值表

3.4 坝基渗漏影响因素敏感性分析

(1) 岩体渗透系数敏感性分析。溶蚀率取5%，坝基以下防渗帷幕深度取0.3倍坝高(27 m)，T1yn1-1地层渗透系数分别取0.1倍、0.2倍、0.5倍、1.0倍、2.0倍、5.0倍、10.0倍建议值(建议值K0=10-4cm/s)，其他岩土体物理力学参数采用表2建议值，计算结果见图8。据图可知，当其他参数不变，逐步增大T1yn1-1地层渗透系数时，坝下单宽渗漏量将逐渐增加，坝基主要渗漏区域为T1yn1-1岩体中上部，坝基抗滑稳定系数逐渐降低，潜在失稳模式为后缘剪断T1yn1-2岩体，前缘沿T1yn1-2层内岩屑夹泥型软弱结构面剪出。

图8 稳定系数及单宽渗漏量与渗透系数关系曲线

(2) 防渗帷幕深度敏感性分析。溶蚀率取5%，岩土体物理力学参数采用表2建议值，坝基以下防渗帷幕深度分别取0.1倍、0.3倍、0.5倍、0.7倍、0.9倍坝高(对应深度分别为9 m、27 m、45 m、63 m、81 m)，计算结果见图9。据图可知，当其他参数不变，逐步增大坝基防渗帷幕深度时，坝下单宽渗漏量稍有降低，坝基抗滑稳定系数逐渐增加，但坝基以下T1yn1-1灰岩埋藏较深，帷幕深度有限，防渗效果不明显，因此，可根据工程防渗要求，对坝上游库区出露的T1yn1-1灰岩进行防渗处理。

图9 稳定系数及单宽渗漏量与帷幕深度关系曲线

(3) 溶蚀率敏感性分析。岩土体物理力学参数采用表2建议值，坝基以下防渗帷幕深度取0.3倍坝高，溶蚀区按连续条带模拟，由于溶蚀裂隙的存在，其渗透系数较正常岩体稍大，溶蚀率分别取5%、10%、15%、20%、25%、30%，计算结果见图10。据图可知，当其他参数不变，逐渐增大坝基T1yn1-1灰岩接触带溶蚀率时，坝下单宽渗漏量将逐渐增加，坝基抗滑稳定系数逐渐降低。坝基以下T1yn1-1灰岩溶蚀带埋藏较深，大面积处理难度较大，因此，可根据工程防渗要求，在物探解译成果基础上，对坝基下溶蚀带发育强烈且埋深相对较浅区域进行针对性处理。