趙 瑞,許 模

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

1 前言

水利工程是用于控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水,達(dá)到除害興利的工程,它的運(yùn)行安全關(guān)系國(guó)計(jì)民生,其效益是通過(guò)水庫(kù)蓄水以解決發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖和改善航運(yùn)等來(lái)體現(xiàn)的,因此其基本點(diǎn)是水是否能有效的蓄積在大壩以上的庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)。但是在一定的地質(zhì)條件下,水庫(kù)蓄水抬高的水頭有可能驅(qū)使庫(kù)水通過(guò)一些地下通道向鄰區(qū)或下游滲漏,從而影響水庫(kù)正常效益的發(fā)揮[1]。

隨著水利水電建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展,國(guó)內(nèi)在巖溶地區(qū)修建的水庫(kù)越來(lái)越多,地質(zhì)條件良好的壩址也越來(lái)越少。我國(guó)是巖溶分布最廣的國(guó)家,特別是在西部山區(qū)水利水電工程建設(shè)中,常常會(huì)遇到巖溶地區(qū)水庫(kù)工程建設(shè)[2]。目前,許多大壩都修建在巖溶發(fā)育的地區(qū),在巖溶發(fā)育的巖基上筑壩、蓄水,由于巖溶這種不良地質(zhì)現(xiàn)象的存在,給施工期主體工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、基礎(chǔ)的處理措施及運(yùn)行期工程的蓄水成功與否產(chǎn)生重大影響,甚至影響到整個(gè)工程的成敗[3]。

在巖溶地區(qū)建庫(kù)建壩,盡管地質(zhì)復(fù)雜,但只要能認(rèn)真對(duì)待,做好地質(zhì)勘探工作,搞清庫(kù)壩區(qū)的巖溶發(fā)育規(guī)律,選好壩址、庫(kù)區(qū),是可建好水利工程的。

對(duì)于庫(kù)壩選擇,經(jīng)過(guò)許多專家學(xué)者的具體研究和工程實(shí)踐總結(jié)出:一般傾向河谷優(yōu)于走向河谷,向斜構(gòu)造優(yōu)于背斜、單斜構(gòu)造,陡傾巖層優(yōu)于緩傾巖層,并且充分利用隔水層、巖溶發(fā)育微弱的巖層或有利的水文地質(zhì)條件;另外,庫(kù)區(qū)、壩址選擇要盡量避開(kāi)可能向下游或鄰谷滲漏的通道,壩址選擇應(yīng)盡量避開(kāi)壩基、壩肩或壩址下游有泉水出露點(diǎn),以防壩基發(fā)生管涌而危害壩身[4]。

2 國(guó)內(nèi)外巖溶水庫(kù)發(fā)展概述

從 1845年法國(guó)在巖溶地區(qū)修建第一座壩以來(lái)的 100多年間,南斯拉夫、美國(guó)、前蘇聯(lián)、意大利、土耳其等國(guó),在巖溶地區(qū)修建了大型水利水電工程 130多座[5]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),其中壩高大于 100 m的有 18座,最高的是前蘇聯(lián)的英古里拱壩,最大壩高 271.5m;最大的水庫(kù)為土耳其的凱班水庫(kù),總庫(kù)容 340億 m3;最先修建的高壩是西班牙的卡馬拉薩,最大壩高 103m(1920年)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和防滲處理經(jīng)驗(yàn)的不斷積累,20世紀(jì) 50至 60年代,西班牙、瑞士等國(guó)修建了 100～150m的高壩多座;70年代以后,前蘇聯(lián)、南斯拉夫、土耳其、墨西哥等國(guó)修建了 200m以上的高壩 5座[6]。

1954年官?gòu)d水庫(kù)的建成和 1955年云南六郎洞水電站的興建,拉開(kāi)了我國(guó)在巖溶地區(qū)興建水利水電工程的序幕。20世紀(jì) 50年代末期,我國(guó)在巖溶地區(qū)已修建了一大批中小型工程。20世紀(jì) 60至 70年代,貓?zhí)犹菁?jí)水電站及一批壩高在 50m以上或庫(kù)容 1億 m3以上大中型水庫(kù)的建成,為我國(guó)在巖溶地區(qū)建壩建庫(kù)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì) 80年代初,烏江渡電站的建成,標(biāo)志著我國(guó)在巖溶地區(qū)興建高壩大庫(kù)登上了一個(gè)新的臺(tái)階[7]。

隨后,成功建成了紅水河大化水電站、黃泥河魯布革水電站、紅水河巖灘水電站、南盤江天生橋二級(jí)水電站、清江隔河巖水電站、三岔河普定水電站、烏江東風(fēng)水電站、黃河萬(wàn)家寨水電站、南盤江天生橋一級(jí)水電站及西電東送項(xiàng)目烏江洪家渡、引子渡、索風(fēng)營(yíng)等大中型水電站[8]。

建國(guó)以來(lái),在巖溶地區(qū)成功的修建了 50余座大中型水利水電工程,總裝機(jī)容量 585萬(wàn) kw,總蓄水量 358億 m3。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)在巖溶地區(qū)修建的壩高 70m以上或庫(kù)容1億m3以上的大型水電工程有 20座,基本上都是成功的。

3 水庫(kù)巖溶滲漏研究

眾所周知,大壩蓄水以后,在庫(kù)水的作用下壩體、壩基和壩肩以及向鄰谷都容易出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,對(duì)大壩安全和水庫(kù)效益均不利。根據(jù)國(guó)外資料統(tǒng)計(jì),因滲漏問(wèn)題引起失事的大壩占失事工程總數(shù)的 40.5%。中國(guó)水利部曾對(duì)建國(guó) 20多年來(lái)全國(guó) 241座大型水庫(kù)發(fā)生的1 000宗工程事故進(jìn)行整理分類,其中滲漏事故(包括管涌)有 317宗,占事故總數(shù)的31.7%[9]。所以,滲漏是否正常是評(píng)定工程安全運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。

水庫(kù)滲漏的發(fā)生必須具備相應(yīng)的地質(zhì)—水文地質(zhì)條件,具體來(lái)說(shuō)就是水動(dòng)力條件和通道條件。從水庫(kù)滲漏條件的角度出發(fā),按照滲漏通道分析,常見(jiàn)的水庫(kù)滲漏以巖溶為通道的巖溶滲漏問(wèn)題最為復(fù)雜和普遍,而其它滲漏通道所造成的滲漏通常較為簡(jiǎn)單,或者滲漏規(guī)模有限[10][11],甚至滲漏量可忽略。

巖溶滲漏是目前最主要的水庫(kù)滲漏類型。其主要是通過(guò)綜合分析庫(kù)區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造分布和可溶巖出露地段的巖溶發(fā)育程度及巖溶水文地質(zhì)特征等基本情況,判斷在水庫(kù)蓄水后,分水嶺地帶地下水補(bǔ)給排泄關(guān)系是否會(huì)發(fā)生本質(zhì)變化,從而產(chǎn)生永久性巖溶滲漏[12][13]。

國(guó)內(nèi)外早在很久以前就對(duì)水庫(kù)庫(kù)區(qū)的巖溶滲漏問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研究分析,并在巖溶地區(qū)成功修建了水庫(kù)。然而,由于在某些地區(qū)巖溶工程地質(zhì)勘查工作做的不夠,或防滲處理不徹底而發(fā)生嚴(yán)重滲漏的水庫(kù)也是存在的。

例如,美國(guó)在 1920年修建的赫爾斯?巴爾壩,壩高僅25m,水庫(kù)滲漏量卻達(dá) 50m3/s,防滲處理達(dá) 26年之久,最后因處理無(wú)效而被迫放棄;而最大的土耳其凱班水庫(kù)建成于1974年,由于巖溶問(wèn)題未能查清,水庫(kù)蓄水后,滲漏量達(dá)26m3/s,經(jīng)過(guò)復(fù)雜的防滲處理后,其滲漏量仍達(dá) 8.7m3/s。還有一些滲漏的水庫(kù),滲漏量在 1～10 m3/s之間,經(jīng)過(guò)防滲處理,大多數(shù)水庫(kù)能正常蓄水和安全運(yùn)行[5]。

而在國(guó)內(nèi),云南省的金殿水庫(kù),因巖溶滲漏而成為干庫(kù);廣西省拔貢水電站壩基產(chǎn)生嚴(yán)重滲漏,最大漏水量 23m3/s,電站不能正常運(yùn)行,枯水期基本處于無(wú)水停發(fā)狀態(tài);長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)順塘水庫(kù)的滲漏導(dǎo)致山下居民住所房屋被淹,造成了人身和財(cái)產(chǎn)的威脅;廈門市萬(wàn)石植物園里的萬(wàn)石湖水庫(kù)由于長(zhǎng)期的庫(kù)水滲漏,使得水位逐漸降低,埋于湖底的大石浮現(xiàn)于湖面之上,自然景觀遭到破壞;以往波光粼粼的臥虎山水庫(kù)為當(dāng)?shù)匕傩罩饕乃吹?而目前絕大部分已干涸,大部分河床出露導(dǎo)致庫(kù)區(qū)生態(tài)受到影響,并且使當(dāng)?shù)鼐用耧嬎霈F(xiàn)困難。

修建水庫(kù)主要是為了造富國(guó)家和當(dāng)?shù)匕傩?但是水庫(kù)一旦發(fā)生滲漏,對(duì)于國(guó)家和人民財(cái)產(chǎn)將會(huì)造成不可估量的損失[14]。為此,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者專家做了大量的研究,通過(guò)使用地下水三維滲流數(shù)值模擬軟件(V isual Modflow)對(duì)水庫(kù)滲漏做了許多量化的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià),并且都取得了不錯(cuò)的成果。

按滲漏途徑通常將滲漏分為庫(kù)區(qū)壩段滲漏和庫(kù)區(qū)滲漏兩部分。前者包括壩基滲漏和繞壩滲漏,庫(kù)區(qū)滲漏包括向鄰谷或向遠(yuǎn)排泄區(qū)滲漏,或通過(guò)河灣或支谷向下游滲漏。

3.1 庫(kù)區(qū)壩段壩基滲漏

壩基上的巖溶滲漏不僅造成了庫(kù)水的流失,減低了水庫(kù)的效益,而且增大了對(duì)壩底的揚(yáng)壓力或?qū)r土中的微細(xì)顆粒產(chǎn)生沖刷,或?qū)r土中的可溶部分產(chǎn)生化學(xué)溶解等不良作用,還可能引起壩基巖土體潛蝕,導(dǎo)致壩基失穩(wěn)。如畢節(jié)市崔家溝水庫(kù)、大花水水庫(kù)[15]、高巖水庫(kù)[16]等均屬壩基滲漏,該滲漏問(wèn)題已經(jīng)困擾了這幾個(gè)水庫(kù)多年,經(jīng)過(guò)防治措施后滲漏量有大幅度的減少,但仍有少部分庫(kù)水通過(guò)壩基的巖溶透水層向外流失,一直沒(méi)有得到完全徹底的解決。

3.2 庫(kù)區(qū)壩段繞壩滲漏

繞壩滲漏是水庫(kù)工程地質(zhì)的主要地質(zhì)問(wèn)題之一,不僅可引起壩肩巖體的不穩(wěn)定,危及大壩安全,而且滲漏嚴(yán)重又降低了水庫(kù)效益,因此,對(duì)繞壩滲漏的分析及滲漏量的計(jì)算尤為重要。

遼寧省鬧德海水庫(kù)[17]大壩運(yùn)行近 70年來(lái),繞壩滲漏一直是困擾其工程主要問(wèn)題之一。1994年曾進(jìn)行過(guò)帷幕灌漿處理,雖取得一定效果,但目前兩岸繞滲現(xiàn)象仍很嚴(yán)重,兩岸繞壩滲流出露點(diǎn)較多,庫(kù)水量損失較大。此外呂梁市橫泉水庫(kù)[18]、石膏山水庫(kù)[19]等也出現(xiàn)繞壩滲漏現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)處理后滲漏量已經(jīng)很小,并且通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)單一的防滲帷幕有時(shí)候并不能完全解決好繞滲問(wèn)題,應(yīng)根據(jù)其工程、水文地質(zhì)條件等具體情況采取多種防滲措施相結(jié)合的方法。

3.3 庫(kù)區(qū)向鄰谷滲漏

向鄰谷滲漏問(wèn)題一直是困擾巖溶水庫(kù)的重要問(wèn)題之一。由于單薄山脊分水嶺和水庫(kù)蓄水位產(chǎn)生水頭差,庫(kù)水極易沿透水巖層及其滲漏通道向鄰谷滲漏。只有當(dāng)巖層的傾斜較陡,庫(kù)水位以下的透水巖層插入鄰谷谷底以下時(shí),此種滲漏才可避免。鄰谷切割深時(shí)并且水位低于庫(kù)水位時(shí),庫(kù)周單薄山脊、埡口和單薄的分水嶺條件,是庫(kù)水的滲漏途徑變短,會(huì)形成較大的滲漏量。

庫(kù)區(qū)滲漏可能會(huì)在鄰谷區(qū)引起新的滑坡,或使古滑坡復(fù)活,造成農(nóng)田浸沒(méi)、鹽漬化、沼澤化,危及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及村舍安全。譬如毛家河水庫(kù)[20]、紫坪鋪水庫(kù)[21]、成都市關(guān)口水庫(kù)[6]等均為庫(kù)區(qū)向鄰谷滲漏,并對(duì)鄰谷地區(qū)造成了一定的危害。

其它的庫(kù)水滲漏方式也離不開(kāi)上述所必須的滲漏條件,只要存在水頭差,有基本的水動(dòng)力條件,伴有透水巖土體及其通道為水的流動(dòng)提供徑流途徑,就會(huì)發(fā)生水庫(kù)滲漏。如貴州省金沙縣木蓑衣水庫(kù)為庫(kù)區(qū)向遠(yuǎn)排泄區(qū)滲漏,織金縣紅陽(yáng)水庫(kù)為通過(guò)河灣或支谷向下游滲漏等不同方式的滲漏都對(duì)水庫(kù)的蓄水有一定的影響[4]。

4 水庫(kù)防滲研究綜述

由于建庫(kù)庫(kù)區(qū)面積大,地質(zhì)條件復(fù)雜,滴水不漏的水庫(kù)尤其在巖溶地區(qū)極為少見(jiàn)。為了保證水庫(kù)不漏水或少漏水,必須在查明庫(kù)區(qū)和周圍地區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上,針對(duì)水庫(kù)滲漏的發(fā)生機(jī)制,因地制宜地采取相應(yīng)的針對(duì)性措施[22][23]。

帷幕灌漿是巖溶地區(qū)主要的方法之一。水力資源豐富的地區(qū),大多處于石灰?guī)r溶發(fā)育地區(qū),要想保證成功地利用開(kāi)發(fā)水力資源,首要的條件是必須解決好防滲帷幕灌漿工作[24]。

美國(guó)最早報(bào)道采用灌漿技術(shù)是 1893年為紐約壩壩下的裂隙巖石進(jìn)行的固結(jié)灌漿。法國(guó)人六十年代在埃及的阿斯旺水壩下深達(dá) 200m的中粗砂、細(xì)砂和壤土中所進(jìn)行的帷幕灌漿是十分成功的,它標(biāo)志著當(dāng)今世界在履蓋層中進(jìn)行帷幕灌漿的最高水平[24][25]。

七十年代,結(jié)合貴州烏江渡高壩基礎(chǔ)處理工程,重點(diǎn)研究并解決了在巖溶發(fā)育地區(qū)進(jìn)行帷幕灌漿技術(shù),1985年以后,在巖溶發(fā)育地區(qū)又相繼修建了湖北隔河巖大壩,貴州東風(fēng)大壩、云南五里沖無(wú)壩水庫(kù)、湖北高壩洲大壩,這幾個(gè)在巖溶區(qū)修建的大壩壩基帷幕灌漿工程量均在 190 000 m以上,并均取得了良好的防滲效果[3]。巖溶發(fā)育地區(qū)的灌漿施工技術(shù)代表了國(guó)內(nèi)外灌漿施工先進(jìn)技術(shù)水平。

除此之外,水庫(kù)綜合防滲方法概括起來(lái)就是避、堵、隔、圍、鋪、截、導(dǎo)(排)、觀 8個(gè)字[26]。即首先盡量避開(kāi)巖溶發(fā)育的庫(kù)、壩址,堵住溶洞,采取防滲截流墻,防滲鋪蓋,灌漿,用豎井或圍堤將溶洞圍在庫(kù)外,將壩基地下水或滲水導(dǎo)出壩外,進(jìn)行較長(zhǎng)期的運(yùn)行觀測(cè),再對(duì)癥下藥地進(jìn)行處理。一般在壩址區(qū)多采用堵、鋪、截、導(dǎo)(排)的方法,在水庫(kù)庫(kù)區(qū)多采用堵、隔、圍的方法。

因此,水庫(kù)防滲形式應(yīng)以各建筑物部位的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ),分析其滲漏特征和滲透穩(wěn)定性,并從防滲效果、施工工藝、投資費(fèi)用、可靠性、易修復(fù)性等方面,對(duì)各種可能的防滲措施進(jìn)行綜合比較,選擇經(jīng)濟(jì)合理的最佳手段。

5 結(jié)語(yǔ)

一直以來(lái),如何在巖溶地區(qū)建庫(kù)建壩都是水利工程的重點(diǎn)和難點(diǎn),即充分發(fā)揮水庫(kù)的效益和庫(kù)水的價(jià)值功能,且安全而有效。所以充分了解掌握巖溶地區(qū)的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件并實(shí)施相應(yīng)的措施或徹底的防滲處理,都可以保證巖溶水庫(kù)的正常運(yùn)營(yíng),從而提高在巖溶地區(qū)修建水庫(kù)的可靠性和可能性。

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