大柳樹壩址巖體滲漏量物理模擬

胡 瑾 聶德新 劉漢超

（地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

20世紀90年代以來，庫壩建設中復雜壩基地質條件下滲漏與滲透變形問題成為地質工作者重點研究的課題之一。本文所述的黃河大柳樹擬建的壩址位于一規模巨大的活動逆沖推覆構造帶內，經歷過多次構造運動，地質構造十分復雜。壩址區散體結構、碎裂結構和層狀碎裂結構巖體之和達80%［7］，一般巖塊大小僅為30～50cm，壩基滲漏是其主要的工程地質問題。國內外許多地質工作者雖對水利水電工程不良巖類壩基地層的滲漏特性進行了大量的研究，包括滲流理論、控制滲流的措施以及松散巖類庫壩滲漏與滲透問題的評價辦法，但是本處破碎巖體作為一種特殊的地層巖性，因其具有成因復雜、規律性差等特點，使得所有研究必須建立在對該巖層了解的基礎上，可是目前對此類巖體上建壩的研究較少。因此，無論是在國外還是在國內，在對此類巖層上庫壩滲漏與滲透變形問題研究方面存在著嚴重不足，特別是以前在評價大壩的滲漏問題時，往往是按照地質分析的方法進行，對物理模擬的研究較為忽視。從已有工程的經驗教訓及本工程實際情況出發，本文擬就以上問題進行研究。

1 工程地質條件

1.1 地形地貌

該壩址位于黃河黑山峽出口以上2km處，黃河由NNE轉向NEE向流經壩址區［10］。河谷呈寬緩“U”字形，左岸為夜明山，右岸為馬長梁。河床覆蓋層厚度5～13m，下伏基巖面無大的起伏。壩址區沖溝發育，多以直角或鈍角交向黃河。其中與右岸滲漏有關的主要沖溝為大柳樹溝與冰溝。

1.2 地層巖性

壩址區出露地層為中寒武統香山群第四亞群（磨盤井組）、上泥盆統（老君山群）、石炭系及第四系松散堆積物。

1.3 地質構造

壩址位于中衛－同心斷裂帶組成部分的F3與F7斷層之間。中寒武統香山群第四亞群在壩址區的產狀為：右岸 NE60°～80°SE∠30°～75°，向下游逐漸變緩；左岸 NE65°～85°SE∠55°～85°或 NW270°～300°SW∠65°～85°。在壩線附近巖層總體走向與河流夾角30°～40°。巖體中次級斷裂及層間擠壓帶極為發育，大致可歸納為5組，分別為 EWS∠70°～90°，NE50°～80°SE∠65°～90°，NW280°～315°NE∠45°～60°，近 SN 傾 E∠80°～90°，NE55°～70°NW∠10°～34°。

1.4 水文地質特征

壩址區屬甘寧山區，氣候干燥，植被稀少，蒸發量遠大于降水量，加之斜坡效應，降水入滲量很小。壩址區地下水主要為基巖裂隙潛水。該含水層主要受大氣降水補給和區域地下水的側向補給，補給源匱乏，地下水埋藏較深，并隨季節變化而波動；水力坡度平緩，徑流緩慢，水質較差。兩岸地下水位略高于河水位或與黃河水位持平，地下水補給河水（圖1）。取312硐現場實測涌水量計算出的滲透系數為0.7×10－4m／s。壩址區的平面圖、河間地塊的剖面圖分別見圖2及圖3。

圖1 地下水與黃河補給關系示意圖Fig.1 Diagram showing the relationship between groundwater and the Yellow River recharge

圖2 大柳樹壩壩址滲漏平面示意圖Fig.2 A certain dam seepage plan view

2 巖體滲漏情況分析

圖3 滲透剖面示意圖Fig.3 Penetration profile schematic plan view

該壩址所處的部位溝壑發育［10］，主要的沖溝常流水溝、冰溝、陳水溝三溝延伸均在4km以上，主干段平均坡降分別為2‰，4‰，6‰。其中右岸壩下游冰溝大體呈NW350°方向發育，與黃河河道大銳角相交；右岸壩前陳水溝大體呈NW280°方向發育，與黃河河道鈍角相交。壩址區黃河河道拐彎，由Ⅱ至Ⅲ壩線間的NE15°變為Ⅳ至Ⅶ壩線間的NE80°方向。三者共同切割出一個三角形山地（圖2），在1.38km水位時，成為河間地塊。壩后1.1km長的黃河河谷及3km長的冰溝構成右岸出滲邊界。區域性斷層如F1，F2，F3，F7－8，F201，在此可滲漏區域內均呈近東西走向，在埋深較大處，由于滲透性較小，可對南北向滲透起一定限制作用；在埋深較小處，由于受松動及卸荷等影響，隔水性很小，不能起到有效的阻水作用。

在壩區所處部位具有破碎的地形地貌，松動巖體滲透性較大，又具有可能的鄰谷滲漏途徑及近140m的水頭差，因此在此壩區右岸具有兩處滿足此種條件的途徑，一是壩區大柳樹溝與冰溝之間有溝谷連接，通過大柳樹溝到冰溝一定有滲漏通道存在；二是馬長梁內部大柳樹溝與壩下黃河之間難形成地下分水嶺，即使水庫蓄水前河間地塊存在地下分水嶺，但其高程大大低于蓄水后正常高水位，則水庫充水之后地下分水嶺消失，也勢必會引起滲漏。因此，就需要計算出具體的滲漏量，以確定帷幕灌漿的可行性。

根據理論計算該壩區右岸總的滲漏量為18.63m3／s［10］。

3 巖體滲漏物理模擬

3.1 模型的建立

3.1.1 模擬范圍的確定

本次模擬右岸滲漏情況，因此取圖2中右岸部分、兩溝之間的河間地塊作為本次模擬的范圍。

3.1.2 邊界條件

本次模擬的模型室內四周邊界其中較長兩側模擬壩址巖體與其相鄰巖體的接觸面。由于本次模擬的僅為滲漏的河間地塊的一段，因此將其看作獨立的水文地質單元體。該水文地質單元體的邊界條件為水頭高的一側有傾向另一側的阻水斷層（圖3），向下到一定深度巖體的整體性變好，與上部的松動巖體相比可以看作阻水的；因此，將模擬材料放入降雨模擬試驗系統。降雨模擬試驗系統底部為不透水的，可以模擬該單元體的底界。四周也為不透水的，剛好滿足該水文地質單元體的所有邊界條件。較短邊的有水槽的一側模擬黃河；較短邊的另一側模擬大柳樹溝，與黃河水位差為140m。

3.1.3 初始條件

本試驗的初始條件主要考慮水位的問題，將水位穩定在設計水位。

3.2 相似關系的建立

3.2.1 幾何條件

如果設幾何長度為l，面積為A，體積為V，則原型與模型相對應的幾何量有以下比例關系［11］

3.2.2 物理條件

本次研究的重點為巖體的滲漏問題，因此物理條件主要考慮滲透系數要滿足相似比，其次考慮相似材料的密度與抗壓強度滿足相似比。

在松動巖體裂隙張開度較高時，可以認為水流是紊流，可近似按明渠水流的模式來推導。對處于阻力平方區的明渠水流都要求滿足重力相似準則（即佛汝德相似準則）和紊動阻力相似，其條件為［11］

式中：nP和nM分別是原型和模型的糙率，λL是模型的長度比尺。

根據（4）式和（5）式，可以導出滿足重力相似和紊動阻力相似的其他物理量的比尺關系［11］：

采用同種液體進行模型試驗時λv＝1，λρ＝1；而在庫水滲漏一定時間后，其滲漏的過程就只與水量有關，因此模型的設置就不考慮時間了；而且其滲漏的庫水在裂隙中流動時可以認為沒有外加的壓力，因此作用力與壓力也可以不考慮；最主要考慮的就是流量的影響，因此模型的建立除幾何條件與邊界條件相似外，考慮的就是流量的影響。

3.3 相似材料的選取

根據經濟等各方面的條件要求，我們實際采用普通燒結磚來作為相似材料。其原因在于：磚的滲透系數（15℃）約為1.0×10－4～1.0×10－5m／s，與該處松動巖體中總的滲透系數較為接近；而該壩址巖體中的結構面張開與節理錯動和巖體架空造成在較完整巖塊之間的裂隙處巖體滲透性比總體滲透系數大很多，這正好可以由磚與磚之間的空隙模擬。同時，在擺放時將磚的方向按巖層的產狀及裂隙方向設置，使其與原型類似。

3.4 模型的制作及量測

用降雨模擬試驗系統對滲透的A－A剖面進行模擬，根據幾何相似的要求，壩址處按滲漏可能進行的剖面形狀按1∶250的比例尺將滲透情況進行模擬（圖4）。實際巖層產狀為N60°～70°E∠35°～60°，模型根據該產狀進行設置。

模型室內四周邊界其中較長兩側模擬壩址巖體與其相鄰巖體的接觸面；較短邊的一側模擬黃河；較短邊的另一側模擬大柳樹溝，與黃河水位差為140m。

在模擬之前先將模擬黃河的水槽注入水，然后將模擬大柳樹溝的一側注水直至水位穩定在設計水位。

圖4 試驗現場Fig.4 Test site

通過量測得到滲流的平均總滲流量為20.1 m3／s。

3.5 試驗及結果分析

根據相似定理及規律，選取制作材料和滲漏的物理模型，并透過模型試驗的數據計算得出其滲透量。滲透量計算值與實際值是吻合的，說明使用普通燒結磚來替代普通物理模擬材料模擬本工程的實際情況是可行的。因為該地區可能產生滲漏的巖體非常破碎，滲透途徑是隨機的，和磚的滲透模式相近。

4 結語

本文通過對實驗材料的選取試驗，選擇了一種既經濟又適合在此種巖體結構中使用的模擬材料 普通燒結磚，以便將來遇到類似巖體時可做定性的模擬；同時，通過對相似比的研究建立了物理模型實驗。通過物理模擬，數值模擬結合現場實際情況，分析出該處巖體的滲漏情況，計算其滲漏量大小，與根據傳統方式分析計算出的結果進行對比，得出其值較接近的結論，因此本次模型的材料選擇與試驗方法是可行的。

［1］刑林生.我國水電站大壩事故分析與安全對策［J］.水利水電進展，2001，21（2）：26－33.

［2］LOMIZE G.M.Flow in fractured Rocks［M］.Moscow：Gesenergoizdat，1951.

［3］DERSHOWITZ W S，GORDON B M，KAFRITSAS J C.A new three dimensional model for flow of fractured rock［J］.Men Int Assoc Hydrogeol，1985，17：441－448.

［4］速寶玉，詹美禮.交叉裂隙水流的模型實驗研究［J］.水利學報，1997（5）：1－6.

［5］NIELSEN D R，VAN GENUCHTEN M T，BIGGAR J W.Flow and solute transport processes in the Unsaturated Zone［J］.Water Recourse Research，1986，22：895－1085.

［6］崔銀祥.碎裂巖體用作高混凝土重力壩壩基的可能性評價［D］.成都：成都理工大學檔案館，2005.

［7］韓文峰.黃河黑山峽大柳樹松動巖體工程地質研究［M］.蘭州：甘肅科學技術出版社，1993.

［8］胡海濤.黃河黑山峽河段大柳樹壩址工程地質專題研究［M］.北京：地震出版社，1993.

［9］張鈞超.黃河大柳樹水利工程論證工作四十年［M］.北京：科學出版，1997.

［10］韓文峰.黃河黑山峽河段開發重大工程地質問題研究［M］.北京：科學出版社，2004.

［11］江守一郎.模型實驗的理論和應用［M］.北京：科學出版社，1984.