北盤江流域某巖溶水庫(kù)壩基滲漏敏感性研究

胡大儒，李鵬飛，裴熊偉，王欽權(quán)

(中國(guó)電建集團(tuán) 貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550081)

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，開展水利水電工程建設(shè)可能存在巖溶水庫(kù)滲漏、巖溶浸沒(méi)、巖溶涌水、巖溶塌陷等工程問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致壩基及邊坡失穩(wěn)，甚至誘發(fā)巖溶型水庫(kù)地震[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)外較為成熟的巖溶水文地質(zhì)調(diào)查探測(cè)法主要有地質(zhì)勘探、高密度電法、EH4、探地雷達(dá)、電磁波CT、示蹤劑法、水均衡法、場(chǎng)分析法等[4-7]；水庫(kù)巖溶滲漏評(píng)價(jià)方法主要有理論公式法、流網(wǎng)圖解法、數(shù)值模擬法、水文網(wǎng)演化分析法、巖溶水系統(tǒng)分析法、地下水基準(zhǔn)面分析法等[8-10]。程正璞等[11]通過(guò)大地電磁法及高密度電法查明地層結(jié)構(gòu)及淺部巖溶發(fā)育情況。賈龍等[12]通過(guò)鉆孔雷達(dá)單孔反射信號(hào)及其衰減特征，查明了各種巖溶形態(tài)的規(guī)模、空間密度及其分布規(guī)律。張禎武等[13]利用示蹤探測(cè)技術(shù)進(jìn)行水庫(kù)滲漏流場(chǎng)通道定位分析，合理地優(yōu)化了水庫(kù)防滲方案。趙瑞等[14]利用數(shù)值方法模擬了巖溶通道的空間形態(tài)，合理評(píng)估工程防滲措施的有效性。崔煒等[15]采用三維有限元法進(jìn)行水庫(kù)滲流狀態(tài)模擬，并定量分析了各影響因素對(duì)水庫(kù)滲漏的影響程度。上述學(xué)者們很好的給我們展示了巖溶水庫(kù)滲漏的主流研究思路與方法，即以試驗(yàn)、探測(cè)為主的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法和以數(shù)值計(jì)算為主的模擬分析法。但因巖溶空間形態(tài)的不確定性、含水系統(tǒng)的復(fù)雜性、邊界條件的差異性，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查很難通過(guò)以點(diǎn)代面的方式真實(shí)反應(yīng)三維地下空間內(nèi)的巖溶發(fā)育特征，同時(shí)，數(shù)值模擬分析常建立在各種理論假設(shè)及概化模型的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果很難在數(shù)值模型中精確還原，因此，要做到將現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與數(shù)值模擬分析有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，相輔相成，還需要業(yè)內(nèi)的科研工作者們開展更多的相關(guān)研究。

北盤江流域沿線河谷深切，兩岸高程內(nèi)人口密集區(qū)地下水埋藏較深，枯期降雨量少，缺水問(wèn)題嚴(yán)重，興建水利工程可有效緩解這一難題。研究區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水庫(kù)滲漏模式的高效識(shí)別、滲漏通道的精準(zhǔn)定位、壩基滲漏及影響因素的合理評(píng)價(jià)，對(duì)于工程方案優(yōu)化及水資源有效利用均有重要意義。本文在分層水位觀測(cè)、物探解譯及數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，對(duì)北盤江流域PCH水庫(kù)壩基溶隙型滲漏的各影響因素進(jìn)行了敏感性分析，為工程防滲設(shè)計(jì)提供一種參考思路。

1 基本地質(zhì)條件

PCH水庫(kù)位于北盤江右岸支流中段，水庫(kù)最大壩高90 m，正常蓄水位1 035 m，相應(yīng)庫(kù)容473萬(wàn)m3。研究區(qū)地形總體西高東低，兩岸自然坡度30°～45°，局部較陡，接近直立。研究區(qū)以溶蝕侵蝕之巖溶中山地貌為主，干流與滴水溝支流匯合后，以SEE向流經(jīng)壩址。壩址下游700 m處發(fā)育巖溶盲谷，谷長(zhǎng)300 m，深25 m，盲谷下游側(cè)與長(zhǎng)約1.2 km的地下暗河相連，并于巖腳村一帶轉(zhuǎn)為明流，直至匯入北盤江。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘探揭示，壩址區(qū)河床覆蓋層厚約30 m，主要為沖洪積(Qpal)砂卵礫石、靜水沉積(Ql)淤泥質(zhì)粉土；岸坡覆蓋層主要分布于上、下游側(cè)堆積體范圍內(nèi)，厚5 m～30 m不等，主要為崩坡積(Qcol+dl)塊碎石土。基巖自上而下分別為: 三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第一段第三、四層(T1yn1-3+4)泥質(zhì)灰?guī)r，厚度約60 m，為強(qiáng)巖溶巖組；永寧鎮(zhèn)組第一段第二層(T1yn1-2)泥灰?guī)r夾泥巖，厚度約90 m，為弱巖溶巖組，此外，該層沿巖面發(fā)育一組巖屑夾泥型軟弱結(jié)構(gòu)面；永寧鎮(zhèn)組第一段第一層(T1yn1-1)薄至中厚層灰?guī)r，整體厚度約125 m，為強(qiáng)巖溶巖組；飛仙關(guān)組(T1f)泥頁(yè)巖，為相對(duì)隔水巖層。壩址兩岸發(fā)育區(qū)域構(gòu)造中營(yíng)向斜及較多小斷層、卸荷裂隙，受向斜影響，局部巖層倒轉(zhuǎn)傾覆，各斷層及卸荷裂隙均為Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面。工程區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖體風(fēng)化、卸荷，局部可見(jiàn)崩塌堆積體，工程區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，可能存在巖溶滲漏問(wèn)題。工程區(qū)巖溶水文地質(zhì)圖見(jiàn)圖1。壩基工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。

圖1 工程區(qū)巖溶水文地質(zhì)圖

圖2 壩基工程地質(zhì)剖面圖

2 壩基巖溶滲漏模式分析

2.1 工程區(qū)巖溶發(fā)育特征

工程區(qū)發(fā)育巖溶類型主要有：溶洞、巖溶泉、巖溶管道、巖溶盲谷、地下暗河等，各巖溶基本特征統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。平面分布上，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈區(qū)主要集中于庫(kù)區(qū)T1yn1-1灰?guī)r露頭區(qū)及壩址下游T1yn1-1灰?guī)r露頭區(qū)，兩區(qū)之間巖溶發(fā)育相對(duì)較弱。垂直分布上，各巖溶點(diǎn)均分布于T1yn1-1灰?guī)r與其上T1yn1-2泥灰?guī)r夾泥巖地層接觸帶處。發(fā)育程度上，埋深較淺、地下水活躍的區(qū)域巖溶發(fā)育更強(qiáng)烈，埋藏較深、地下水處于滯流狀態(tài)的區(qū)域巖溶發(fā)育相對(duì)較弱。KS2巖溶管道出口形態(tài)見(jiàn)圖3。

表1 工程區(qū)巖溶基本特征統(tǒng)計(jì)表

圖3 KS2巖溶管道出口圖

2.2 壩基巖溶滲漏模式分析

壩基以下T1yn1-1灰?guī)r地層為強(qiáng)巖溶巖組，其上、下部地層界面分別與弱巖溶巖組T1yn1-2泥灰?guī)r夾泥巖、相對(duì)隔水層T1f泥頁(yè)巖接觸，接觸帶地下水活動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，因此，T1yn1-1上、下部地層界面處可能存在巖溶管道。以下分別從分層水位觀測(cè)及物探測(cè)試成果等方面進(jìn)一步分析論證。

(1) 分層地下水位分析。為研究是否存在上述可疑滲漏通道，選取壩軸線右岸河心孔BZK1、壩址下游300 m處右岸河心孔BZK3，進(jìn)行分層水位(內(nèi)管水位)及綜合水位(外管水位)長(zhǎng)期觀測(cè)。

BZK1號(hào)鉆孔深110.0 m，其中，0.0～30.0 m為覆蓋層，30.0 m～77.6 m為T1yn1-2薄夾中厚層泥灰?guī)r夾泥巖，77.6 m～110.0 m為T1yn1-1中厚層狀灰?guī)r。BZK1號(hào)鉆孔分層水位觀測(cè)曲線如圖4所示。

圖4 BZK1鉆孔分層水位觀測(cè)曲線圖

BZK3號(hào)鉆孔深207.0 m，其中，0.0～20.0 m為覆蓋層，20.0 m～57.5 m為T1yn1-2薄夾中厚層泥灰?guī)r夾泥巖，57.5 m～202.0 m為T1yn1-1中厚層狀灰?guī)r，202.0 m～207.0 m為T1f薄至中厚層泥頁(yè)巖。BZK3號(hào)鉆孔分層水位觀測(cè)曲線如圖5所示。

圖5 BZK3鉆孔分層水位觀測(cè)曲線圖

據(jù)圖4、圖5可知，兩鉆孔內(nèi)、外管水位變化趨勢(shì)基本相當(dāng)：

① 5月12日—5月23日BZK1孔深小于77.6 m，5月12日—5月16日BZK3孔深小于57.5 m，兩鉆孔均未打穿T1yn1-2隔水地層，內(nèi)、外管水位基本一致，均為覆蓋層內(nèi)水位。

② 5月24日—5月26日BZK1鉆孔鉆進(jìn)至T1yn1-1含水層，5月17日—6月9日BZK3鉆孔鉆進(jìn)至T1yn1-1含水層，因栓塞阻隔作用，兩孔所測(cè)內(nèi)管水位即為T1yn1-1灰?guī)r內(nèi)分層水位。BZK1、BZK3兩鉆孔揭示T1yn1-1灰?guī)r分層水位分別為21.0 m、51.5 m，均較T1yn1-2層內(nèi)水位稍有降低，但均高于T1yn1-1地層頂板(埋深分別為78.0 m、57.5 m)，說(shuō)明T1yn1-2地層隔水性較好，且T1yn1-1層內(nèi)未發(fā)育巖溶管道，否則該分層水位將低于T1yn1-1地層頂板高程。

③ 6月14日—7月9日為汛期，受兩岸地下水補(bǔ)給，BZK1、BZK3兩孔測(cè)得T1yn1-1灰?guī)r分層水位均存在大幅度上漲，因具有承壓水性質(zhì)，該水位甚至高于兩孔所測(cè)外管綜合水位，說(shuō)明T1yn1-1層內(nèi)未發(fā)育巖溶管道，否則汛期該內(nèi)管水位不會(huì)持續(xù)上升超過(guò)T1yn1-1地層頂板高程，更不會(huì)高于外管綜合水位。

(2) 物探測(cè)試分析。BZK1與BZK2、BZK3與BZK4兩對(duì)孔間CT測(cè)試及鉆孔錄像顯示，壩基巖體完整性總體較好，無(wú)大的溶洞、空腔、管道發(fā)育，僅T1yn1-1與T1yn1-2地層分界面附近零星發(fā)育溶蝕帶，垂直方向上，溶蝕帶多分布在地層界面及以下10 m～15 m深度范圍內(nèi)。鉆孔CT測(cè)試成果見(jiàn)圖6。

圖6 鉆孔CT測(cè)試成果圖

根據(jù)分層地下水位觀測(cè)、物探測(cè)試等成果分析認(rèn)為，水庫(kù)不存在沿T1yn1-1上、下地層分界面的河床深部管道型滲漏問(wèn)題，可能的滲漏模式為沿T1yn1-1灰?guī)r與T1yn1-2泥灰?guī)r夾泥巖地層分界面發(fā)生溶隙型滲漏。

3 壩基滲漏影響因素敏感性分析

3.1 理論基礎(chǔ)

有限元滲流與穩(wěn)定性耦合分析，即將有限元滲流分析得到的地下水滲流場(chǎng)結(jié)果代入邊坡穩(wěn)定性分析中參與求解。與常規(guī)方法相比，耦合分析中參與穩(wěn)定性計(jì)算的各單元節(jié)點(diǎn)處的孔隙水壓力值更精確，且考慮地下水滲流影響的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際。

由莫爾-庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度公式可知，滑面的抗剪強(qiáng)度為：

τf=σntanφ+c

(1)

將滑動(dòng)面上各點(diǎn)均達(dá)到極限平衡時(shí)其強(qiáng)度平均折減系數(shù)定義為坡體則抗滑穩(wěn)定系數(shù)[16]，具體可表達(dá)為：

(2)

式中：σn為滑動(dòng)面上任意一點(diǎn)的法向應(yīng)力；φ為滑動(dòng)面上任意一點(diǎn)的內(nèi)摩擦角；c為滑動(dòng)面上任意一點(diǎn)的黏聚力；l為滑面長(zhǎng)度；τ為沿滑面l方向的剪應(yīng)力。

3.2 模型建立

運(yùn)用Rocscience軟件基于莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則的有限元法進(jìn)行溶蝕率(溶蝕裂隙與溶蝕帶體積比)、滲透系數(shù)、防滲帷幕深度等因素對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定性、壩基單寬滲漏量影響的敏感性分析。壩上游按正常蓄水位1 035 m常水頭邊界，壩下游按溢出邊界考慮，T1f泥頁(yè)巖按不透水邊界考慮；模型兩側(cè)邊界按水平約束，底部邊界按固定約束考慮，采用平面應(yīng)變條件的3節(jié)點(diǎn)三角形等參元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 有限元網(wǎng)格劃分示意圖

3.3 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)剪切試驗(yàn)、鉆孔壓水試驗(yàn)、試坑注水試驗(yàn)成果，提出壩址區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值如表2所示。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值表

3.4 壩基滲漏影響因素敏感性分析

(1) 巖體滲透系數(shù)敏感性分析。溶蝕率取5%，壩基以下防滲帷幕深度取0.3倍壩高(27 m)，T1yn1-1地層滲透系數(shù)分別取0.1倍、0.2倍、0.5倍、1.0倍、2.0倍、5.0倍、10.0倍建議值(建議值K0=10-4cm/s)，其他巖土體物理力學(xué)參數(shù)采用表2建議值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。據(jù)圖可知，當(dāng)其他參數(shù)不變，逐步增大T1yn1-1地層滲透系數(shù)時(shí)，壩下單寬滲漏量將逐漸增加，壩基主要滲漏區(qū)域?yàn)門1yn1-1巖體中上部，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，潛在失穩(wěn)模式為后緣剪斷T1yn1-2巖體，前緣沿T1yn1-2層內(nèi)巖屑夾泥型軟弱結(jié)構(gòu)面剪出。

圖8 穩(wěn)定系數(shù)及單寬滲漏量與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

(2) 防滲帷幕深度敏感性分析。溶蝕率取5%，巖土體物理力學(xué)參數(shù)采用表2建議值，壩基以下防滲帷幕深度分別取0.1倍、0.3倍、0.5倍、0.7倍、0.9倍壩高(對(duì)應(yīng)深度分別為9 m、27 m、45 m、63 m、81 m)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。據(jù)圖可知，當(dāng)其他參數(shù)不變，逐步增大壩基防滲帷幕深度時(shí)，壩下單寬滲漏量稍有降低，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加，但壩基以下T1yn1-1灰?guī)r埋藏較深，帷幕深度有限，防滲效果不明顯，因此，可根據(jù)工程防滲要求，對(duì)壩上游庫(kù)區(qū)出露的T1yn1-1灰?guī)r進(jìn)行防滲處理。

圖9 穩(wěn)定系數(shù)及單寬滲漏量與帷幕深度關(guān)系曲線

(3) 溶蝕率敏感性分析。巖土體物理力學(xué)參數(shù)采用表2建議值，壩基以下防滲帷幕深度取0.3倍壩高，溶蝕區(qū)按連續(xù)條帶模擬，由于溶蝕裂隙的存在，其滲透系數(shù)較正常巖體稍大，溶蝕率分別取5%、10%、15%、20%、25%、30%，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。據(jù)圖可知，當(dāng)其他參數(shù)不變，逐漸增大壩基T1yn1-1灰?guī)r接觸帶溶蝕率時(shí)，壩下單寬滲漏量將逐漸增加，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低。壩基以下T1yn1-1灰?guī)r溶蝕帶埋藏較深，大面積處理難度較大，因此，可根據(jù)工程防滲要求，在物探解譯成果基礎(chǔ)上，對(duì)壩基下溶蝕帶發(fā)育強(qiáng)烈且埋深相對(duì)較淺區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性處理。

圖10 穩(wěn)定系數(shù)及單寬滲漏量與溶蝕率關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

(1) 從分層地下水位、物探解譯等角度論證了PCH水庫(kù)不會(huì)發(fā)生鄰谷滲漏及沿壩基深部的管道型滲漏，但T1yn1-1與T1yn1-2地層界面發(fā)生巖溶裂隙型滲漏的可能性較大。

(2)采用基于莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則的有限元法進(jìn)行壩基滲漏模擬分析，結(jié)果顯示，壩基潛在失穩(wěn)模式為后緣剪斷T1yn1-2巖體，前緣沿T1yn1-2層內(nèi)巖屑夾泥型軟弱結(jié)構(gòu)面剪出，壩基主要滲漏區(qū)域?yàn)門1yn1-1巖體中上部。

(3) 敏感性分析顯示，隨著T1yn1-1灰?guī)r滲透系數(shù)的增加，壩下單寬滲漏量將逐漸增加，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低；隨著T1yn1-1灰?guī)r接觸帶溶蝕率的增加，壩下單寬滲漏量將逐漸增加，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低；隨著壩基防滲帷幕深度逐漸增加，壩下單寬滲漏量稍有降低，壩基抗滑穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加。

(4) 壩基以下T1yn1-1灰?guī)r溶蝕帶埋藏較深，防滲處理難度大，可對(duì)壩上游庫(kù)區(qū)出露的T1yn1-1灰?guī)r進(jìn)行防滲處理，或?qū)位氯芪g帶發(fā)育強(qiáng)烈且埋深相對(duì)較淺區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性處理。