卡洛特水電站河灣地塊防滲可靠性地質(zhì)研究

尹春明　侯欽禮　張必勇　曹道寧

摘要：卡洛特（Karot）水電站位于巴基斯坦吉拉姆（Jhelum）河上，樞紐工程區(qū)位于“幾”字形河灣地塊，分布地層為新近系弱膠結(jié)碎屑沉積巖，河灣地塊防滲可靠性對(duì)滲控工程布置有著重要的影響。開(kāi)展了河灣地塊防滲可靠性專題研究，重點(diǎn)針對(duì)河灣地塊水文地質(zhì)條件、巖體滲透特性及防滲可靠性開(kāi)展了大量的鉆孔、聲波測(cè)井、彩色電視錄像及壓水試驗(yàn)勘察研究，并進(jìn)行了地下水滲流場(chǎng)三維數(shù)值模擬研究，以查明河灣地塊水文地質(zhì)條件及巖體滲透特性。通過(guò)充分論證認(rèn)為：河灣地塊具有良好的防滲可靠性，防滲體系完善，滿足規(guī)范和蓄水安全要求。相關(guān)勘察研究方法和內(nèi)容可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：防滲可靠性; 河灣地塊; 三維空間分析; 弱膠結(jié)碎屑沉積巖; 卡洛特水電站; 吉拉姆河

中圖法分類號(hào)： TV143

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.011

0引 言

在河灣上建壩是水電工程中經(jīng)常遇到的，河灣對(duì)于樞紐建筑物布置有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以獲得額外的水頭差。但由于河灣地塊的存在，如在河灣部位筑壩建庫(kù)，勢(shì)必存在庫(kù)水穿越天然河灣地塊向下游產(chǎn)生滲漏的可能性。河灣地塊防滲是在水電工程中經(jīng)常遇到的重要地質(zhì)問(wèn)題，特別是巖溶發(fā)育地區(qū)，如官地水電站[1]、沙沱水電站[2]、酉酬水電站[3]、銀盤水電站[4]等工程，都存在沿河灣地塊產(chǎn)生滲漏的問(wèn)題。因此，河灣地塊的滲漏及防滲研究具有重要的工程意義。

卡洛特水電站工樞紐程所處河灣地塊為新近紀(jì)紅層地區(qū)，從一般概念來(lái)講，防滲不是特別突出的地質(zhì)問(wèn)題，常規(guī)的勘察研究可以滿足工程需要。通常，對(duì)于單薄的河灣地塊，一般都采取了全線防滲布置，而該工程基于前期勘察成果和節(jié)省投資考慮，未采取全防。因此，需要對(duì)其防滲可靠性問(wèn)題進(jìn)行充分的分析論證，確保方案安全可靠。

本次研究從基本地質(zhì)勘察研究著手，開(kāi)展了大量的鉆孔、聲波測(cè)井、彩色電視錄像及壓水試驗(yàn)，全面了解河灣地塊水文地質(zhì)條件及巖體滲透特性。本次研究除采用常規(guī)的系統(tǒng)的地質(zhì)分析方法外，重點(diǎn)引入了三維空間分析的方法，加深了對(duì)地質(zhì)體滲透性的整體認(rèn)識(shí)，并結(jié)合三維數(shù)值模擬分析，對(duì)河灣地塊整體防滲可靠性得出了明確的結(jié)論，對(duì)設(shè)計(jì)方案的確定起到有力的支撐作用。

1工程概況

巴基斯坦卡洛特（Karot）水電站地處巴基斯坦東北部（見(jiàn)圖1），是吉拉姆河（Jhelum）規(guī)劃的5個(gè)梯級(jí)電站的第四級(jí)。壩址下距曼格拉大壩74 km，西距首都伊斯蘭堡直線距離約55 km。

工程為單一發(fā)電任務(wù)的水電樞紐。水庫(kù)正常蓄水位461.00 m，相應(yīng)庫(kù)容1.52億m3，電站裝機(jī)容量720 MW（4臺(tái)180 MW）。

樞紐布置格局采取了河床布置瀝青混凝土心墻堆石壩，斜穿右岸河灣地塊山脊布置溢洪道，在溢洪道引水渠左側(cè)布置電站進(jìn)水口的引水式地面廠房。大壩上、下游布置全年擋水土石圍堰，導(dǎo)流洞布置在電站與大壩之間，采用導(dǎo)流洞導(dǎo)流。

2河灣地塊地質(zhì)概況

卡洛特水電站壩址位于吉拉姆（Jhelum）河中上游河段，壩址區(qū)屬中低山地貌。壩址區(qū)吉拉姆河呈“幾”字形，在右岸形成寬約700 m的脊?fàn)詈訛车貕K（見(jiàn)圖2），中部呈鞍狀地形，地表高程約500 m左右，近河灣前部相對(duì)較高，地面高程約520 m。河灣地塊上、下游側(cè)臨河岸坡受巖性控制，形成臺(tái)階狀陡坎地形。壩址河段吉拉姆河枯水期水面寬30～60 m，水面高程388～391 m，相應(yīng)水深一般為6～8 m。

河灣地塊出露基巖地層主要為新近系中新統(tǒng)納格利（Nagri）組（N1na）以及多克帕坦（Dhok Pathan）組（N1dh）地層，巖性主要為中砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖等，總體呈不等厚互層狀，不同巖性所占大致比例分別為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖23.7%，泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖32.2%，中粗砂巖38.0%，細(xì)砂巖6.1%。巖石膠結(jié)成巖較差，較軟弱，屬較軟-軟巖。河灣地塊沉積巖巖性復(fù)雜，總體上巖性及巖相空間變化大。

壩址區(qū)在構(gòu)造上處于左岸Karatot向斜與右岸Narwan背斜之間的寬緩單斜巖層部位，巖層產(chǎn)狀平緩且較穩(wěn)定，巖層傾角7°～10°。壩址區(qū)斷層、層間剪切帶不發(fā)育，地表露頭主要發(fā)育NE～NEE、NW～NNW兩組裂隙，平硐揭露主要為NE、NEE、NNE走向3組及少量零散裂隙，一般較短小，中、陡傾角為主，寬度一般小于1 mm，泥質(zhì)或巖屑充填為主。

區(qū)內(nèi)地下水主要為基巖孔隙裂隙水和第四系松散層孔隙潛水。基巖孔隙裂隙水主要賦存于砂巖中，一般為中等-貧含水，具多層狀水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)裂隙通道運(yùn)移、排泄。各類巖石總體透水性較弱，中砂巖、細(xì)砂巖相對(duì)于其他巖類透水性稍大。

區(qū)內(nèi)巖體強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般為0～10.7 m，弱風(fēng)帶厚度為0～28.3 m，風(fēng)化帶厚度不大。壩址區(qū)陡立岸坡強(qiáng)、弱卸荷帶水平深度一般為8～16 m，6～25 m，隨著高程的降低，強(qiáng)、弱卸荷帶寬度相應(yīng)減小。

3河灣地塊水文地質(zhì)條件分析

3.1河灣地塊水文地質(zhì)條件勘察

由于河灣地塊的存在，在河灣部位筑壩建庫(kù)，勢(shì)必存在庫(kù)水穿越天然河灣地塊向下游產(chǎn)生滲漏的可能性。因此，在可行性研究階段，河灣地塊的水文地質(zhì)條件及巖體滲透特性以及河灣地塊的防滲可靠性被作為重點(diǎn)進(jìn)行了深入的勘察研究，目的是為河灣地塊防滲方案的選擇提供切實(shí)可靠的地質(zhì)依據(jù)[5-6]。在河灣地塊，結(jié)合建筑物布置了61個(gè)地質(zhì)鉆孔，開(kāi)展了大量鉆孔壓水試驗(yàn)，加上可研之前勘察成果，共獲得了河灣地塊74孔1 335段巖體滲透性試驗(yàn)成果，并輔助以鉆孔彩色電視錄像及鉆孔聲波測(cè)井對(duì)巖體完整性進(jìn)行研究，與鉆孔壓水試驗(yàn)資料進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)河灣地塊地下水位開(kāi)展了長(zhǎng)期觀測(cè)，分析其年際、季節(jié)性變化特征。

總體上，河灣地塊鉆孔覆蓋率大且分布較為均勻，鉆孔深度基本滿足防滲要求，很好地揭示了河灣地塊巖體透水性特征。通過(guò)對(duì)勘察成果的統(tǒng)計(jì)分析，基本查明右岸河灣地塊水文地質(zhì)條件，為河灣地塊防滲設(shè)計(jì)提供了地質(zhì)依據(jù)。

施工期（Level 2階段），為進(jìn)一步復(fù)核河灣地塊水文地質(zhì)條件及河灣地塊的整體防滲可靠性，根據(jù)大壩右岸帷幕灌漿壓水試驗(yàn)揭露巖體透水性特征，右岸建筑物開(kāi)挖對(duì)邊界條件的改變等情況，開(kāi)展了相關(guān)的專題研究：補(bǔ)充實(shí)施了10個(gè)鉆孔，開(kāi)展了88段壓水試驗(yàn)，并通過(guò)鉆孔對(duì)施工期各部位地下水埋深及變化情況開(kāi)展長(zhǎng)期觀測(cè)，采取三維作圖的方法，清楚直觀地展現(xiàn)三維空間各部位巖體透水性（Lu值）（見(jiàn)圖3）。專題研究成果表明：補(bǔ)充鉆孔壓水試驗(yàn)成果與前期成果高度吻合，進(jìn)一步證實(shí)了施工期河灣地塊雖受開(kāi)挖影響改變了地下水補(bǔ)給條件，地下水埋深存在一定變化，但河灣地塊依然存在高于正常蓄水位461.00 m高程的地下水分水嶺。

基于前期勘察成果，在分析大壩右岸及溢洪道防滲帷幕灌漿施工所揭示的巖體透水性特征的基礎(chǔ)上，對(duì)河灣地塊水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地質(zhì)概化，擬定了滲透性參數(shù)，開(kāi)展了河灣地塊滲流場(chǎng)及滲漏量數(shù)值模擬分析，為工程決策提供依據(jù)。

3.2河灣地塊巖體滲透性

河灣地塊地下水主要為基巖裂隙水，主要賦存于砂巖中，一般為中等-貧含水，由于存在泥質(zhì)巖，相對(duì)不透水巖層呈夾層或互層分布，形成多層狀水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

河灣地塊屬單斜巖層分布區(qū)，含水層、隔水層分界面構(gòu)成層間裂隙水的主要水文地質(zhì)單元邊界，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件主要受巖性邊界控制。

通過(guò)鉆孔提示的地下水位分析，河灣地塊存在地下水分水嶺，其最低點(diǎn)高于水庫(kù)正常蓄水位，見(jiàn)圖4。

根據(jù)右岸河灣地塊分布的74個(gè)鉆孔1 405段有效壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表1）分析，區(qū)內(nèi)各類巖石總體透水性較弱，不同巖類微新巖體呂榮值q<10 Lu的試段均占試驗(yàn)總段數(shù)的90%（均值）以上，q<5 Lu的試段所占比例為84%（均值）以上，微新巖體一般透水性微弱。

此外，根據(jù)鉆孔揭露，河灣地塊斷裂、裂隙不發(fā)育，河灣地塊巖體完整性一般較好，沒(méi)有貫通上下游的斷層和長(zhǎng)大裂隙分布，因此在河灣地塊不存在庫(kù)水向下游滲漏的天然通道，地下水滲流形式為孔隙-裂隙滲流。

4河灣地塊防滲可靠性分析

4.1河灣地塊防滲可靠性地質(zhì)分析

該工程位于新近系弱膠結(jié)陸源碎屑巖分布地區(qū)，砂巖、泥質(zhì)類巖石呈不等厚互層狀，巖層平緩，傾左岸及下游，由于河灣地塊單薄，其防滲可靠性對(duì)滲控工程布置及投資帶來(lái)較大的影響。

根據(jù)該工程的特點(diǎn)，從河灣地塊水文地質(zhì)條件入手，對(duì)可能影響其防滲的各因素進(jìn)行系統(tǒng)梳理，得到對(duì)防滲十分有利的5條結(jié)論：

（1） 河灣地塊不存在天然滲漏通道。

壩址處于寬緩向斜翼部巖層產(chǎn)狀近水平構(gòu)造部位，在褶皺過(guò)程中巖層遭受的構(gòu)造擠壓錯(cuò)動(dòng)輕微，前期勘察在河灣地塊良好的巖石露頭中均未揭露到規(guī)模較大（延伸長(zhǎng)度大于100 m）的斷層，層間剪切帶不發(fā)育，且延續(xù)性差，長(zhǎng)大裂隙也僅只分布在近岸坡卸荷帶內(nèi)（主要是受卸荷改造的一組構(gòu)造裂隙）。施工期，河灣地塊四周均分布有開(kāi)挖面，在對(duì)開(kāi)挖進(jìn)行地質(zhì)編錄時(shí)均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有橫切河灣地塊貫通上下游的斷層分布;4條廠房引水洞及3條導(dǎo)流洞對(duì)地下深部巖體進(jìn)行了充分的揭示，隧洞圍巖中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷層和連續(xù)破碎帶的分布。因此，河灣地塊不存在庫(kù)水向下游滲漏的天然滲漏通道。

（2） 河灣地塊存在良好的防滲依托層。

整個(gè)河灣地塊分布的地層為一套砂巖（中至細(xì)粒為主）與泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等泥質(zhì)類巖石呈不等厚互層狀的復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中泥質(zhì)類巖占比達(dá)56%，最大單一巖性層厚度可達(dá)30 m。由于相對(duì)透水的砂巖與相對(duì)不透水的泥質(zhì)類巖石的互層狀分布，造就了河灣地塊總體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)為獨(dú)特的多層狀水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。加之無(wú)大的結(jié)構(gòu)面切割，不同的孔隙裂隙含水層之間水力聯(lián)系較弱，基本不存在越流補(bǔ)給的情況，部分含水層具備局部承壓性就是很好的證明，其間相對(duì)不透水的泥質(zhì)類巖層形成了良好的隔水層，并可以作為良好的防滲依托層利用。

（3） 河灣地塊存在地下水分水嶺。

前期勘察揭示河灣地塊存在地下水分水嶺（見(jiàn)圖5），其最低點(diǎn)高于水庫(kù)正常蓄水位。從地下水位線形態(tài)也可以看出，靠河灣上、下游近岸岸坡地帶地下水水位線一般較陡，表明地下水水力梯度較大，從側(cè)面也反映出在遠(yuǎn)離卸荷帶一定深度的巖體透水性一般較微弱;在河灣中部由于地表緩傾下游，地下水埋深不大且較平緩，與地形總體一致。由于溢洪道開(kāi)挖，切斷了河灣地塊來(lái)自山體一側(cè)的地下水補(bǔ)給，同時(shí)，溢洪道、導(dǎo)流洞進(jìn)出口、導(dǎo)流洞、廠房引水洞、地面廠房等開(kāi)挖也將會(huì)影響到地下水補(bǔ)給及排泄條件。考慮施工期受建筑物開(kāi)挖影響，河灣地塊地下水可能發(fā)生短期變化，在河灣地塊不同部位布置了10個(gè)地下水監(jiān)測(cè)孔（兼永久地下水監(jiān)測(cè)孔）。最新監(jiān)測(cè)資料分析表明，雖然溢洪道開(kāi)挖切斷了同一含水層來(lái)自山體的地下水補(bǔ)給源，河灣地塊兩側(cè)建筑物邊坡開(kāi)挖以及邊坡排水措施改變了原來(lái)地下水排泄條件，對(duì)局部地下水會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但河灣地塊地下水分嶺依然存在，且高于水庫(kù)正常蓄水位，其形態(tài)及位置可能產(chǎn)生一定的變化及遷移。

（4） 河灣地塊巖體呈弱-微透水。

統(tǒng)計(jì)表明，河灣地塊微新巖體一般透水性微弱。從不同巖類之間差異來(lái)看，中砂巖、細(xì)砂巖相對(duì)于其他巖類透水性稍大，但差異不是很明顯，總體上仍屬弱-微透水巖體。由于各類巖石總體透水性微弱，因此，巖體滲透性各向異性差異也不大。從大透水率試段的三維空間分布來(lái)看（見(jiàn)圖3），透水區(qū)域主要集中在近岸岸坡巖體卸荷帶內(nèi)和近地表淺部巖體風(fēng)化帶內(nèi)，深部微新巖體極少分布。從三維觀察可以看出，這些試段多孤立分布，在空間上并沒(méi)有聯(lián)系。

（5） 沿巖性接觸面滲漏可能性較小。

區(qū)內(nèi)各巖層之間均為整合接觸，巖層間接觸面主要為較平直型、波狀起伏型，新鮮完整的互層狀結(jié)構(gòu)的巖體接觸面多結(jié)合較緊密，前期勘探未見(jiàn)連續(xù)層間剪切錯(cuò)動(dòng)痕跡及泥化帶分布。因此，地下水直接沿層面產(chǎn)生滲透性加大的可能性較小，但在巖體卸荷及風(fēng)化帶內(nèi)，由于卸荷及風(fēng)化影響，巖層間接合力將會(huì)降低，特別是泥質(zhì)類巖石，在風(fēng)化和地下水作用下，層間的膠結(jié)物質(zhì)及結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變化從而導(dǎo)致沿層面的滲透性加大。

上述分析表明，河灣地塊巖體水文地質(zhì)條件及巖體透水性決定了河灣地塊巖體具有良好的防滲可靠性。

4.2河灣地塊三維滲流計(jì)算

三維滲流計(jì)算分析采用FEFLOW軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬。FEFLOW軟件基于有限元方法，主要針對(duì)地下水問(wèn)題而開(kāi)發(fā)，適用于非均質(zhì)地質(zhì)體與復(fù)雜邊界條件的地下水問(wèn)題的求解，可以模擬承壓水、潛水、變密度流、變飽和流、溶質(zhì)和熱運(yùn)移等問(wèn)題，在工程上得到了廣泛應(yīng)用[7]。計(jì)算模型范圍包括溢洪道中心線與大壩間的河灣地塊。根據(jù)河灣地塊水文地質(zhì)條件建立了概化模型，形成疏密有致具有132 588個(gè)節(jié)點(diǎn)、166 923個(gè)單元的三維滲流場(chǎng)有限元計(jì)算網(wǎng)格。根據(jù)地塊巖體滲透特性，考慮到巖體透水性總體微弱，不同巖性間透水性無(wú)本質(zhì)差異，未按不同巖性組合進(jìn)行建模，考慮了可能的施工開(kāi)挖影響，按巖體透水性進(jìn)行區(qū)分并擬定相應(yīng)的參數(shù)取值。針對(duì)不同防滲措施及水位組合考慮了5種計(jì)算工況。計(jì)算表明：

（1） 正常蓄水位461.00 m且不設(shè)置防滲帷幕工況下，河灣地塊庫(kù)水入滲流量約1 395 m3/d，滲流量較大，滲流量的貢獻(xiàn)主要來(lái)自近岸地帶及靠近溢洪道開(kāi)挖面附近;大壩右壩肩及溢洪道左岸設(shè)置防滲帷幕，庫(kù)水入滲流量約942 m3/d，滲流量明顯降低，表明設(shè)計(jì)方案垂直帷幕防滲效果良好。

（2） 考慮單條導(dǎo)流洞或引水洞的混凝土襯砌洞段滲漏的不利工況，庫(kù)水入滲流量較隧洞不滲漏情況分別增加約1.8%和1.1%。

（3） 溢洪道左岸防滲帷幕延伸至與大壩右岸防滲帷幕連接，與現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案流場(chǎng)分布及滲流量差別很小，河灣地塊中部可不設(shè)置防滲帷幕。

5結(jié)論及建議

對(duì)卡洛特水電站右岸河灣地塊水文地質(zhì)條件勘察研究及防滲可靠性的分析論證表明：河灣地塊存在高于水庫(kù)正常蓄水位的天然地下分水嶺，互層狀水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)防滲有利且有良好的防滲依托層，不存在貫穿性的集中滲漏通道，河灣地塊巖體透水性微弱，河灣地塊具有良好的防滲可靠性。通過(guò)分析論證，有以下幾點(diǎn)主要體會(huì)和建議。

（1） 對(duì)于類似近水平分布的層狀地層的河灣地塊，防滲可靠性的勘察研究在勘察伊始就應(yīng)放在重要的地位，投入足夠的勘察工作量，查明河灣地塊的水文地質(zhì)條件及巖體滲透特性是關(guān)鍵。從河灣水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及滲漏條件著手，對(duì)河灣地塊防滲條件進(jìn)行充分的論證，得出科學(xué)的符合實(shí)際的結(jié)論，以最大限度利用有利地質(zhì)條件，才能降低工程風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省工程投資。

（2） 對(duì)于河灣地塊防滲可行性的地質(zhì)分析，除了采用常規(guī)的地質(zhì)分析手段外，也需要采用先進(jìn)的方法和手段，從定性分析入手，輔以定量分析，增加分析結(jié)果的可信度。

（3） 加強(qiáng)施工地質(zhì)工作，不僅是地質(zhì)勘察服務(wù)于工程建設(shè)的重要工序，也是對(duì)地質(zhì)體重新認(rèn)識(shí)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)施工揭示的新情況，重新認(rèn)識(shí)地質(zhì)體，并進(jìn)行必要的復(fù)核驗(yàn)證，以最大程度保證設(shè)計(jì)條件的符合性，并為設(shè)計(jì)方案調(diào)整提供依據(jù)。

（4） 下一步加強(qiáng)蓄水初期河灣地塊地下水滲流監(jiān)測(cè)及分析，進(jìn)一步評(píng)價(jià)防滲方案的安全可靠性。

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（編輯：劉 媛）