山西某水库渗漏处理效果分析及思考

2020-01-08孟大勇王俊杰仇道健

水科学与工程技术 2020年5期

孟大勇，王俊杰，仇道健

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州450003）

山西某水库位于太行山南端，始建于20世纪90年代，规划功能为发电，后因上网困难改为旅游水库。该坝坝型为浆砌石重力拱坝，坝顶长31m，坝高41.8m，坝顶溢流，上游回水约800m，属小型水库。该工程建成后，已运行多年，存在的主要问题是渗漏问题。防渗处理前库水位高程约983.4m，洪水季节库水能漫顶，枯水期几乎成干库，不能形成持续不断的瀑布景观，严重影响水库风景区的发展规划。

1 区域地质

该水库地处晋东南山字型构造前缘东翼中段，出露震旦至古生界地层，呈向东南突出的新月型展布，断续发育一系列的冲断裂和褶皱，构成近东西向～北东向弧形构造带，具有强烈的挤压和压扭性特征。

2 库坝区工程地质条件

2.1 地形地貌

水库库坝区属中低山区，河谷呈“V”字型，坝底河床宽约17m，高程947.97m左右，坝顶河道宽约31m，高程为989.77m，沟深约41.8m，“V”字型谷底以上，谷宽100～300m，为宽谷。坝顶两岸山顶高程约1600m，相对最大高差650m。

2.2 地层岩性

水库库坝区自老到新出露地层主要为太古界赞皇群（A2）、元古界震旦系串岭沟组（Zch2）、古生界寒武系馒头组（∈1m）和新生界第四系松散堆积物（Q4）。岩性主要特征为：

（1）太古界赞皇群（A2）：岩性为暗绿色薄层状黑云母斜长片麻岩。矿物成分主要为长石、石英及黑云母等。变晶结构，片麻状构造。

（2）震旦系串岭沟组（Zch2）：岩性为紫红色中细粒石英砂岩夹薄层泥质粉砂岩。中厚～厚层状，水平层理发育，硅质胶结，岩石致密坚硬。为坝基（肩）及库盆岩石。出露顶板高程995～1010m，厚度约160m。

（3）寒武系馒头组（∈1m）：岩性为黄绿色薄层泥质灰岩，夹浅灰色中厚层白云质灰岩，岩性较软弱，底部为灰黄中厚层状中砂岩，局部渐变为砾岩。主要在“V”字型谷顶两侧山体底部分布，地形上呈缓坡。厚度约40m。

（4）第四系全新统（Q4）：主要为坡洪积物，物质成分以碎石、块石为主，含较多黏性土。一般粒径30～120mm，最大粒径300mm左右，均匀性差，呈松散状态，厚度2～15m。主要分布于山前斜坡地带。

2.3 地质构造

（1）岩层产状：为单斜缓倾岩层，呈波状起伏，岩层产状走向NE40°～NW330°，倾向SW或NW，倾角2°～5°。

（2）裂隙：库坝区地质构造简单，岩体中主要发育近东西向和近南北向两组高倾角张裂隙，发育程度0.5～3.0条/m，其中东西向发育程度强于南北向。

（3）裂隙密集带：库坝区未发现断层，但在坝上游发育3条近东西向和2条南北向裂隙密集带，出露长度超过50～160m，带宽2～15m，主要充填碎石及少量粘性土。压水试验透水率平均值86.4Lu。

2.4 水文地质

根据含水介质特征及地下水的赋存、运移空间，库坝区地下水可分为砂岩裂隙水和第四系松散孔隙水两类［1］。

第四系松散孔隙水主要附存在两岸山前碎块石石中，该层富水较好，但厚度较薄，该类地下水为孔隙水，主要受大气降水、地表水补给，受季节和气候影响较大。排泄主要以蒸发形式和地下水径流形式向河谷排泄，少量补给下部基岩裂隙水。

砂岩裂隙水：主要分布于震旦系（Zch2）石英砂岩表层的风化卸荷裂隙及构造裂隙中，裂隙带富水一般，水量较小，受季节影响较大，由于砂岩地形多形成近直立状陡崖、绝壁的深峡谷，接受大气降水有限，主要以上部裂隙（岩溶）水补给为主，在沟谷陡壁和底部以渗水或潜流形式渗流。

3 渗漏通道及条件

3.1 库区渗漏

库区两岸泉水出露点高程均为1170～1200m，故中间地块的地下水分水岭应大于1170m，高于坝顶高程990m，因此水库不存在向邻谷渗漏的可能性。水库渗漏主要为绕坝及坝基渗漏。

3.2 渗漏通道及条件

通过地质测绘、压水试验、物探、地下水位动态观测、示踪试验等手段和分析方法。查明坝址区渗漏通道主要分为两种类型。第一类为南北向裂隙（带）与东西向裂隙（带）和层面裂隙所组合成网状和带状导水系统，出水点高程主要集中在955～980m，多沿层面裂隙流出，其中裂隙密集带为主要渗漏通道。第二类为坝基、两岸坝肩与岩石接触带，为集中渗漏通道。

4 防渗处理措施

4.1 防渗方案

为减少坝基及绕坝渗漏量，采用沿坝轴线设置灌浆防渗帷幕的方案［3］。

根据坝基岩体压水试验结果，结合设计任务书确定q≤1Lu为相对隔水层的标准，帷幕深度至相对隔水层顶板以下3～5m。对于裂隙密集带带状渗漏，防渗帷幕加深10m。在水平方向上，帷幕延伸到相对隔水层或正常蓄水位与地下水位相交处，并与河床的帷幕保持连续性。设计坝基帷幕线长度约30m，坝右岸超过低阻带，帷幕线长度约100m，左岸帷幕线长度约300m。根据渗漏量与渗径成反比关系的原理（渗径越长，渗漏量越小），考虑渗漏通道及条件，绕坝渗漏量主要发生在两岸坝肩附近，因此左岸帷幕分为两期施工，第一期帷幕线长度超过低阻带即可，帷幕线长度约190m，一期施工完后再根据各孔地下水位观测情况及库水渗漏情况确定是否需要进行第二期帷幕灌浆的设计。

帷幕灌浆采用分序施工，浆液为普通水泥浆液由稀到浓分级灌注，灌浆方法为自上而下孔口封闭法［4］。

4.2 防渗效果

一期帷幕灌浆历时13个月，施工后，坝后原先的出水点逐渐消失，尤其是集中渗漏通道得到很好封堵，同时库水位在当年枯水季节，已能漫过坝顶，形成瀑布，证明帷幕灌浆防渗效果是显著的。但第二年冬季，由于降水量明显偏少，库水位开始下降至985.95m，后经二期帷幕施工，库水位依旧在平水期不能达到坝顶，形成不了瀑布景观，经水量平衡估算，每天渗漏量约7.9L/s（682m3/d）。后采取帷幕结合岸坡喷浆处理的措施，水库渗漏得到根治。

5 关于防渗处理的几点思考

（1）防渗方案选择。首先应考虑水库水量是否平衡，即水库来水量多少，渗漏量多少。该水库位于太行山半干旱区，属于缺水地区，勘察时（6月）通过各冲沟及泉水等来水量现场量测，为12～13L/s（1036.8～1123.2m3/d）。采用帷幕灌浆方案，即使施工质量良好，达到1.0Lu的防渗标准，但帷幕也有渗水现象，按岩体平均透水率1.0Lu估算，坝基渗漏和坝肩绕坝渗漏依然达300m3/d，水库蒸发量约112m3/d，两者合计约占来水总量37%，从这点分析，帷幕灌浆方案可行性值得商榷。

（2）渗漏通道。虽按当时规范中勘察手段和技术措施进行查找和处理，但忽视了石英砂岩所组成的高角度裂隙对渗漏的影响。勘察发现了钻孔水位差异较大，这与岩体裂隙发育的不均一、各向异性相关，但对高角度裂隙垂直方向的渗透性没有进行充分研究。石英砂岩强度高，具有“坚、硬、脆”的力学性质，当受到构造应力影响时，往往会形成延展性较好的高角度裂隙。根据该套石英砂岩地层在临近工程宝泉景区勘察实践，一个180m的勘探孔钻穿石英砂岩进入下伏片麻岩地层，钻进结束时，孔内水位（钻进用水）埋深-32.0m，经过一个晚上就成了干孔，说明垂直裂隙渗透性还是很好的，也证明了库水沿高角度裂隙垂直渗漏的可能性。

（3）关于帷幕灌浆孔，应结合裂隙产状的发育特点进行布置。库坝区裂隙均为高角度裂隙，倾角80°～90°，如灌浆孔采用垂直钻孔进行施工，可灌注裂隙有限，影响半径也不大。如垂直高角度裂隙的倾斜方向布置斜孔［2］，那将穿过更多裂隙，获得最佳灌浆效果，起到事半功倍作用。

（4）帷幕灌浆采用普通水泥浆液，该浆液优点是可灌性较好，但缺点是析水率较大，时间久了水泥结石易出现空隙，会形成新的渗水通道，这也是帷幕灌浆结束初期，库水位上升至坝顶，但后期又不能漫顶的原因。如采用析水率相对较低、稳定性相对较好的具有宾汉流体的水泥稳定浆液［2］（该浆液充填完全，胶结良好，可获得密实、耐久的帷幕体），效果会更好。