水电水利工程典型水文地质问题研究
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1.3 水电开发遇到的主要水文地质问题

从已经建成的一批大型水库来看,蓄水后水文地质问题仍然较为突出,重大地质灾害时有发生,如锦屏一级、溪洛渡、毛尔盖、狮子坪、瀑布沟等水库蓄水后大多数都存在着变形、塌岸、滑坡、渗漏、浸没等地质问题。需要我们在区域构造稳定性评价技术、水库工程地质评价技术、超高坝坝基和超高陡边坡与超大型洞室群的勘测设计,水-岩作用机理、复杂赋存环境下岩体力学特性与试验方法、岩石工程不确定性与风险评估、岩体工程监测与反馈、地质灾害评价方法与治理技术等方面取得理论突破,需要我们去进行科技攻关,更好地为工程建设服务。

就水电建设现状而言,面临更加复杂的地质环境,复杂的水文地质问题。归纳起来主要包括水库区典型水文地质问题和枢纽区典型水文地质问题两大类。

1.3.1 水库区典型水文地质问题

水库区典型水文地质问题主要包括水库渗漏问题、水库浸没问题、浸没型岩溶内涝问题、浸没性矿床充水问题、库岸斜坡地下水致灾作用、水库诱发地震问题、特殊水文地质景观问题等。

(1)水库渗漏问题。已经建成的水库表明,因渗漏问题引起失事的大坝占失事工程总数的40.5%。水利部对中华人民共和国成立20多年来全国241座大型水库发生的1000宗工程事故进行整理分类,其中渗漏事故(包括管涌)有317宗,占事故总数的37.1%。从含水介质角度,岩溶渗漏是当前最主要的水库渗漏,水库岩溶渗漏主要勘察方法有岩溶水文地质测绘、溶洞调查、物探、钻探、洞探、水文地质试验、岩溶地下水观测等。需要研究基于主控要素的渗漏类型、特征及识别、渗漏量估算,评价对工程的影响,提出综合对策措施。

(2)水库浸没问题。水库蓄水引起水库周边地带地下水壅高,地下水壅高可使毛管水抬升,当其上升高度达到建筑物地基或农作物和树木的根系,且持续时间较长时,将产生浸没问题。当多年平均降雨量大于蒸发量时,水库浸没一般表现为沼泽化问题;当多年平均蒸发量大于降雨量时,水库浸没一般表现为盐渍化问题。浸没对滨库地区的工农业生产和居民危害甚大。它可使农田沼泽化或盐渍化,农田作物减产;可使建筑物地基条件恶化甚至破坏,影响其稳定和正常使用;可造成附近矿坑充水,采矿条件恶化;可使铁路、公路发生翻浆、冻胀次生灾害。因此,浸没问题可能影响到水库正常高水位的选择,甚至影响到坝址的选择。对浸没问题,需要研究水文地质结构、地下水流动系统、影响水库浸没的关键控制因素、地下水致灾作用,预测评价农作物区土地沼泽化、盐碱化,建筑物区地基软化及沉降,提出对策措施建议。对浸没型岩溶内涝问题需要研究岩溶区水文地质结构及浸没型内涝分类、地下水作用机制分析,进行岩溶内涝灾害风险评价等;对浸没性矿床充水问题需要研究充水通道水文地质结构分析、充水矿床地下水致灾作用,进行矿床充水灾害风险评价等。

(3)浸没型岩溶内涝问题。我国南方的岩溶峰丛洼地或峰林谷地地区,发育众多的地下河系。每年汛期,地下河因当地暴雨而增大流量,由于岩溶管道断面所限使排泄受阻,通过岩溶谷地的天窗或消水洞涌出,淹没谷地中的农田,称为“内涝”。如果此时地表河流水位因上游来水而上涨,淹没了地下河出口,就会循地下河倒灌,顶托了地下河的排泄,发生所谓“两峰遭遇”(即雨量峰与水位峰同时出现),则内涝更加严重。如果在河流上建造水库抬高水位,使地下水排泄基准面相应升高。位于库岸边缘的一些高于水库正常蓄水位的岩溶谷地或洼地,虽不受水库直接淹没,但因库水通过岩溶管道产生回水顶托,使地下河水力坡降减小,地下水流速减缓,导致排泄能力降低,从而壅高地下水位,当达到洼地或谷地地面时就发生浸没、农田受涝现象,称为“浸没型岩溶内涝”。在一些溶蚀洼地、谷地和峰林平原,因水库蓄水或连续降雨条件下,地下岩溶管道排泄受阻,经常发生内涝。这使原本就少有的农田受淹,成为农村经济发展的障碍。因此有必要查明岩溶内涝灾害发生机理和分布特点,并据此提出灾害的防治措施。岩溶内涝灾害是岩溶地区特有的,并且是一种与岩溶生态环境和人类活动密切相关的灾害类型。

(4)浸没性矿床充水问题。矿床充水是指矿体尤其是围岩中赋存地下水的现象,这些地下水与其他水源在开采状态下导致矿坑的不间断涌水,将水源矿坑的途径称为充水通道,水源和通道一起构成了矿床充水的基本条件。在水库工程建设中,水库蓄水后,使得周围的地下水位抬升,含水层规模扩大,加之水库与矿区之间的地形地貌、水文地质条件,有可能因水库的兴建使得原本安全的矿区发生充水问题。矿床突水引起的突发性事故,不仅仅是经济上的损失。有相当一部分矿山的水害,是由勘探时水文地质条件不清楚、充水条件复杂性认识不足或矿井涌水量预测不准确而造成的。因此查明矿场水文地质条件及矿床充水机理对于矿山安全生产、降低开采成本、减少地质灾害等具有重要的理论和实际意义。

(5)库岸斜坡地下水致灾作用。水对岸坡岩土体的作用主要表现为物理作用和化学作用。物理作用主要表现为润滑、软化、泥化作用以及对岸坡的冲磨、淘刷机械作用。润滑、软化和泥化作用反映在力学特性上,使岩土体的强度降低;冲磨、淘刷机械作用使岸坡岩土体遭到了细观或宏观变形破坏。化学作用主要是通过水与岩土体之间的离子交换、溶解作用(湿陷)、水化作用(膨胀)、水解作用、溶蚀作用等使岩土体的微观或细观结构发生变化,一般的化学作用越强烈,其岩土体的强度越容易降低。库水位的反复升降变化对岸坡岩土体产生的动水压力降低了岸坡土体的稳定性,如降低土体的抗滑力、动水压力沿边坡临空面产生的推力使下滑力增加等都可降低岸坡岩土体的稳定性。库岸斜坡地下水致灾作用需要研究库岸斜坡水文地质结构及破坏类型、地下水作用机制分析,进行库岸边坡稳定性评价并提出对策措施。

(6)水库诱发地震问题。因水库蓄水而诱使坝区、水库库盆或近岸范围内发生的地震,叫作水库诱发地震。水库诱发地震早在20世纪40年代就已提出,到了60年代世界上发生4例6级以上破坏性地震后才被人们所重视。我国发震水库有21例,最大震级是新丰江水库地震6.1级,参窝、丹江口和大化的水库地震分别是4.8级、4.7级和4.5级,其他水库地震震级均小于4.0级。我国已建坝高100m以上的水库有10座发震;库容大于20亿m3的水库有9座发震。对于水库地震问题,需要研究水库诱发地震的孕灾条件及控制要素、水库诱发地震机理、基于主控要素的水库诱发地震类型划分及特征识别,进行水库诱发地震灾害预测与防治对策。

(7)特殊水文地质景观问题。水库淹没区库水位的抬升,改变了库区地下水的水动力条件。对于水电工程而言,主要涉及温泉的改变和利用等问题,受深大导水断裂和区域型汇水褶皱控制,深部地下水具有远源补给,循环深、径流时间长的特点,因此具备矿化度、温度高的特点,显示其特殊的水资源价值。水库蓄水后淹没改变了其天然排泄方式,对依赖深部地下水带来的经济价值的周围居民,以及不能替代的人文景观都产生影响。已有学者对江娅水库、泸水电站、大岗山电站、建古水电站等温泉的形成机理,温泉的水化学特征进行了分析,并提出库水淹没对其影响,以及恢复处理措施。对于特殊水文地质景观问题需要进行模式划分,研究区域性汇水结构方式、混合特征演化特征研究、水流特征模型,进行水文地质景观问题评价。

1.3.2 枢纽区典型水文地质问题

枢纽区典型水文地质问题主要包括枢纽区异常承压水问题、坝基及绕坝渗漏问题、深厚覆盖层区坝基基坑降水问题、基坑开挖底板涌突水问题、下游雾化边坡稳定问题、水工隧洞涌水问题、地下建筑物渗水及大坝析出物问题等。

(1)枢纽区异常承压水问题。在水电工程勘察中,不少工程发现有承压水分布,有的在覆盖层中,有的分布在基岩中,有的工程还发现有多层承压水,这些承压水水质类型各异,成因类型也不相同,有的补给源较远,是否会对大坝或其他建筑物的长期稳定安全带来较大影响,需要进行仔细研究。需要研究承压水类型、特征,异常承压水表现、问题识别,承压水的控制结构、成因机制,评价对工程的影响等。

(2)坝基及绕坝渗漏问题。现有工程研究中多以地下水系统理论为指导,充分利用现有勘察资料和研究成果,并结合分析区域地质的研究成果,采用多种试验和测试技术,运用系统分析方法,将野外实地调查测试和室内综合分析相结合,定性分析与定量模拟相结合,在保证信度基础上求精度;进行基础地质、水文地质(补径排)研究,地下水系统划分,含水介质结构刻画,地下水流动系统的模拟等;力求对坝址区(裂隙水)地下水进行全方位、多视角的系统分析,力求完整、准确把握工程的水文地质全貌,为工程设计和施工提供可靠的水文地质依据。主要研究手段包括:①对现有勘察资料和研究成果,区域地质的研究成果的收集与系统分析;②重点地段的野外水文地质调查,岩石与水样采集和分析,包括岩石的化学成分,不同水源和不同部位地下水的常规化学成分和特殊的微量组分,以及氢氧稳定同位素与锶同位素组分等;③平洞的水文地质调查及分析;④系统开展平洞裂隙测量,统计分析和量化计算;⑤在水文地质研究基础上,建立研究区水文地质模型,进行数值模拟计算。

(3)深厚覆盖层区坝基基坑降水。金沙江、雅砻江、大渡河、岷江、白龙江等皆属高山峡谷型河流,河谷多呈V形或U形。河床之下一般为深切槽谷,基岩深埋,河谷覆盖层深厚,一般几十米至百米不等,有的甚至超过百米到数百米不等。这些深厚覆盖层不仅厚度大,而且物质组成结构复杂,有粗粒土,也有细粒土分布,成因类型多样,建坝时常常开挖数十米高的深基坑,降水问题突出,同时也造成突出的边坡稳定问题。因此查明深厚覆盖层的工程地质特性,并根据深厚覆盖层的特点进行相应的基坑开挖及基坑涌水预测就可以避免出现工程事故,显然,对深厚覆盖层区坝基基坑降水机理和措施研究成为又一水文地质问题。

(4)基坑开挖底板涌突水问题。水电工程基坑底板突水是一种十分复杂的工程地质现象。主要表现为地层结构条件在不同水电工程区差别很大,突水的相关因素包括水源、水压、隔水层、结构、构造和基坑底板卸荷等;高坝洲水电站、大潭水电站、洪家渡水电站、莲花台水电站、引子渡水电站、万家寨水利枢纽工程、乌江沙沱水电站、浯溪水电站、小岩头水电站、株溪口水电站、乌江渡水电站、黄河青铜峡枢纽、广西西江佳平航运枢纽、三江口枢纽、沙湾水电站等15个项目均有涌突水现象存在,给工程建设带来一定的困难,需要研究底板涌突水类型、机理、进行底板涌突水预测分析,提出处理对策等。

(5)下游雾化边坡稳定问题。目前已建成小湾、拉西瓦、锦屏、二滩、糯扎渡等高坝泄洪最大单宽流量均超过200m3/(s·m)、单宽消能功率达 300MW/m,使得泄洪消能问题十分突出。所采用的消能方式,主要有挑流、底流、面流及戽流。下游出现不同程度的雾化现象,在一定范围内形成降雨或浓雾。这种现象对枢纽建筑物正常运行、交通安全、周围环境以及两岸边坡稳定性等产生一定的危害。威胁着边坡和建筑物的安全,有的工程还造成了一定程度的损失,这个问题已经引起了工程界的重视,很多工程主要是在前期阶段进行模型试验,根据模型试验成果结合数值计算进行边坡的处理。从实际运行情况看,雾化对边坡和建筑物的影响较复杂,模型试验与实际情况有较大差别,仍需结合地形、地质、水文、机理、雾化雨在岩体边坡中的渗流规律、泄洪时坡体和防护结构的稳定及边坡失稳的预测影响范围等方面不断深入研究。

(6)水工隧洞涌水问题。随着人类对生存环境要求的日益提高,环境污染问题及其治理已成为大众所关注的问题。水工隧洞按照用途可分为泄洪洞、引水洞、排沙洞、放空洞、导流洞等。按照洞内水流状态分为有压洞和无压洞,一般说来,隧洞可以设计成有压的,也可设计成无压的。由于隧洞洞线长,常常遇到复杂的地质结构,在施工期可能会出现高压涌水,给施工安全造成较大威胁,在运行期给洞室安全造成隐患甚至破坏,水工隧洞涌水问题已经得到了重视,针对这一问题需要研究基于主控要素的涌水类型、基于水文地质结构各类型特征及识别,进行涌水类型综合评价与对策措施建议。

(7)地下建筑物渗水及大坝析出物问题。根据已有的文献和报道,建成的水电站中有部分电站廊道、坝后发现一定的白色、黄色、黑色等析出物,无论是沉积岩、岩浆岩还是变质岩,均可见到地下建筑渗水或大坝析出物的存在。地下建筑的渗水和大坝析出物的不断排出,是否会影响枢纽区建筑和坝基的安全稳定,是蓄水后水库运行的一个问题。针对这一问题,需要研究基于主控要素的析出类型、地下建筑物渗水分类、各类型特征及识别,进行问题综合评价与对策措施建议等。