黄河上游某水电站工程坝基岩体渗透性特征研究

杨伟强，巨广宏

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

许多水库存在病险问题，其中水库渗漏是最普遍的一种现象[1]。水库渗漏是指水库内水体由库盆岩土体向库外渗漏而漏失水量的现象[2]，一直是水利水电工程界重点研究的问题之一，水库出现渗漏，不仅会导致水库的容量下降，引发的渗透变形、坝坡失稳等问题还会威胁到大坝的安全，严重影响水电站工程的社会经济效益[3- 4]。岩体渗透性确定是渗漏量计算、防渗方案设计的关键。本文通过对该水电站坝址区地下水的埋藏运移特征、渗流场特征、岩体渗透特性及岩体渗透性的空间特征进行研究，对水库渗漏研究具有一定指导意义[5]。

1 地下水埋藏运移特征

坝址区河谷弯曲，深切200～250m，河道狭窄，水流湍急，多有跌坎，平水期河水位在3088.3～3272.0m，平均坡降2.6‰，河水面宽50～100m，水深10～15m。工程区地貌类型为高原山地，岸坡陡峭，部分直立，基岩裸露较好，河床覆盖浅，冲沟支流发育，多常年有水。

坝址区地下水主要以孔隙水和基岩裂隙水的形式赋存于各种岩性的地层内，坝址区地下水主要为基岩裂隙水，孔隙水总体水量较小。

基岩裂隙水主要赋存中生代二长岩、三叠系变质砂岩以及第三系的砾岩中，主要受大气降水及远山地下水侧向补给，黄河为区域排泄基准面；受地形切割、地层岩性及构造控制，两岸地下水埋深及水位差异明显：左岸地下水埋深浅，坡降大；右岸地下水埋深大，坡降小；左右两岸地下水位均低于正常蓄水位，尤以右岸更加低缓。本区的地下水由大气降水补给，黄河为区内最低侵蚀基准面，地下水和地表水最终均排于黄河[6]。

以坝轴线部位为例，右岸在正常蓄水位高程(3275m)岸坡的地下水位埋藏最深达160m，地下水位高程3114m左右，且水力坡降较缓，为15°～25°；左岸地下水位埋藏较浅，在正常蓄水位高程岸坡的最大埋深83m，水位高程3190m左右，且水力坡降较陡，平均为35°～38°。两岸正常蓄水位高程的地下水位相差约76m，水力坡降总体右缓左陡。

2 地下水渗流场特征

本次研究根据钻孔所获得的地下水位来自于不同时期测得的结果，对坝址区的各个钻孔水位进行统计后，分别做出雨季和枯季地下水径流场如图1—2所示。

图1 枯季地下水径流场

图2 雨季地下水径流场

由图1可知，坝段左岸地下水径流场起伏较小，地下水等水位线由岸坡远处逐渐向河岸降低。右岸地下水位则有明显的起伏，这与其地面形态有密切联系，反映出地下水水位随着地表接受降雨补给面积的减少而降低的特征。

将雨季地下水径流场同枯季地下水径流场进行比较，可以看出地下水在两岸附近仍然抬升较快，而两岸往坡内方向上地下水位逐渐变得平缓。

同枯季时的地下水流场一样，雨季地下水位向上、下游、河岸、坡内均降低，但是地下水径流场起伏情况显得更加的平缓。这一点也反映出坝段旱季和雨季地下水径流特征的区别，从旱季到雨季地下水由于补给量增加，地下水位普遍抬升，且原来水位较低的区域地下水首先抬升，抬升幅度较大，原来水位较高的区域后期抬升，抬升幅度较小，造成雨季的地下水径流场较旱季更为平缓的特点[7]。

3 岩体的渗透特性

压水试验是在钻孔内进行的岩体原位渗透试验，现场操作和数据整理简单，成果较为客观可信，确定岩体的渗透性较准确，是确定裂隙岩体渗透性的主要方法，被广泛应用于水利水电工程领域[8- 10]。坝址区在勘察阶段进行了大量的钻孔压水试验，为更好的了解坝址区岩体渗透特征提供了许多重要的数据信息[11]。岩土渗透性按渗透系数或透水率的大小进行分级，以表征岩体渗透性强弱的程度，从而为评价水利水电工程地基的渗漏量、地基岩体渗透稳定性及选择地基防渗方案提供依据[12- 13]。

3.1 试验成果的分区统计

据坝址区岩体钻孔压水试验资料统计，其吕荣值：<5Lu的试段占总试段的88.72﹪，其中<1Lu的试段占41%，1～3Lu的占43%，3～5Lu的占16%；5～10Lu占为7.91﹪，10～15Lu的占1.25﹪，15～20Lu仅占0.23﹪；>20Lu的仅1.88﹪，即坝址区岩体总体以微-弱透水为主，仅少量岩体属中等透水。

左、右岸及河床的分区岩体透水率(q)见表1。即从宏观分区的统计资料看，坝址区岩体的渗透性差异不大。

表1 左、右岸及河床的分区岩体透水率 单位：%

3.2 不同岩性的渗透特性分析

图3为坝址区不同岩性的吕荣值，可见坝址区第三系泥质粉砂岩、砾岩、二长岩、变质砂岩四种岩性的透水率平均值均小于5。第三系粉砂岩的最大、最小值相差较大，达5倍之多，砾岩次之。

二长岩与变质砂岩的最大、最小及平均值基本相同，说明两种岩性的透水性相当，初步判断在影响两岸地下水径流特征的因素中，岩性的差异不是起决定性作用。

图3 坝址区不同岩性吕荣值

3.3 不同风化岩带的渗透特性

据钻孔压水试验成果统计，各岩性不同风化带压水试验平均值见表2。

坝址区强风化砾岩中等透水，弱风化弱透水；全风化的二长岩中等透水，强风化、弱风化、微新二长岩均表现为弱透水；强风化变质砂岩中等透水，微风化的弱透水，新鲜变质砂岩微透水。弱风化与微风化的二长岩与变质砂岩接触带透水性为微透水-弱透水。

表2 不同岩性各风化带压水试验加权平均值 单位：Lu

3.4 不同岩性接触带的渗透特性

二长岩与变质砂岩接触带是侵入接触带，变质砂岩与第三系接触带是沉积间断带，这二者都可能表现出较强的透水性。综合各钻孔接触带压水试验资料，对不同岩性接触带岩体透水性进行评价。

3.4.1二长岩与变质砂岩接触带

不同岩性接触带中，压水试验资料最多的是二长岩与变质砂岩接触带，共有19个钻孔在接触带进行了压水试验。二长岩与变质砂岩接触带在钻孔内一般处于弱风化带以下，其透水率与上下母岩的透水性相当，均为弱-微透水，接触带挤压紧密，强度高，无蚀变软化迹象,如图4—5所示。

图4 二长岩与变质砂岩接触带吕荣值所占比例(弱风化)

图5 二长岩与变质砂岩接触带吕荣值所占比例(微风化)

3.4.2砾岩与变质砂岩接触带

有3个钻孔遇到强风化砾岩与变质砂岩接触带，其中强风化接触带透水率最大值为26.04Lu，其余二者分别为4.82Lu和3.5Lu。

3.4.3砾岩与二长岩接触带

有2个钻孔遇到砾岩与二长岩接触带，其中强风化接触带透水率为3.83Lu，弱风化为3.09Lu。

3.4.4粉砂岩与砾岩接触带

有7个钻孔遇到粉砂岩与砾岩接触带，其中强风化接触带透水率最大值为131.85Lu，其余强风化接触带平均值为3.89Lu，弱风化接触带平均值为3.4Lu。

4 岩体渗透性的空间特征

对坝址区顺直峡谷段内的钻孔压水试验成果进行空间汇总建模，可更直观地揭示坝基岩体渗透性在空间上的变化规律[14- 15]。对工程区岩体透水率按q≤3Lu和q≤1Lu的分界点高程汇总并做出相应三维等吕荣线，如图6—7所示。可以看出：

(1)总体上，坝基q≤3Lu和q≤1Lu的曲面与河谷的形态相一致。

(2)左岸q≤3Lu的高程范围均为3050～3300m，但左岸多数钻孔q≤3的高程界线在3150～3250m之间，右岸为3140～3240m。

(3)q≤1Lu的高程范围，左岸为3020～3300m，右岸为3000～3200m，左岸多数钻孔q≤1Lu的高程界线在3120～3250m，右岸在3100～3140m。

图6 坝址区透水率q≤3Lu的岩体顶板

图7 坝址区透水率q≤1Lu的岩体顶板

(4)河床孔q≤3Lu的范围是3050～3080m，多数钻孔界线在3060～3070m；q≤1Lu的高程范围3030～3050m，大多数钻孔界线在3030～3050m之间。

(5)q=1Lu和q=3Lu两高程面之间的岩体吕荣值在1～3Lu之间，3300m以上，吕荣值多大于3。

5 结论

本文通过现场地质调查等研究工作，对某水电站工程坝基岩体渗透性进行了研究，主要取得了如下结论和认识。

(1)工程区地下水类型以基岩裂隙水为主，孔隙潜水总体赋存量小，地下水主要受大气降水及远山地下水侧向补给，向区域排泄基准面-黄河排泄。

(2)受地形切割、地层岩性及构造控制，两岸地下水埋深及水位差异明显，水力坡降总体右岸缓、左岸陡。

(3)从旱季到雨季地下水由于补给量增加，地下水位普遍抬升，地下水在两岸附近抬升较快，两岸往坡内方向上地下水位逐渐变得平缓。

(4)坝址区岩体的渗透性差异不大，总体以微-弱透水为主，仅少量岩体属中等透水。二长岩与变质砂岩的透水性相当，其接触带透水率与上、下母岩的透水性相当。

(5)将钻孔压水试验成果按透水率q≤3Lu和透水率q≤1Lu的分界点高程汇总并做出相应三维等吕荣线图，可直观展示岩体渗透性的空间分布特征。