陳漢寶,李瑞清,劉賢才

(湖北省水利水電勘測設計院,湖北武漢 430064)

鄂西南巖溶地區(qū)幾個水庫滲漏的教訓與反思

陳漢寶,李瑞清,劉賢才

(湖北省水利水電勘測設計院,湖北武漢 430064)

總結湖北幾座位于巖溶區(qū)的水庫滲漏的經(jīng)驗教訓,提出要十分重視前期勘察和分析工作,不要放過疑點。對于強巖溶化地層,不能單純采用鉆孔壓水試驗成果(透水率)來評價巖體的滲透性。要設計切實可行的防滲處理措施,并且把握處理的時機,盡可能在蓄水前完成。原則上在水庫蓄水前應封堵庫內(nèi)可能引起滲漏的溶洞、平洞、導流洞、導涵等,隔斷庫水與巖溶管道的水力聯(lián)系。

巖溶;水庫滲漏;經(jīng)驗教訓

0 引言

1984年本院開始對宣恩龍洞水庫的地質(zhì)勘察工作,該水庫位于強巖溶地區(qū),存在庫區(qū)向鄰谷滲漏問題,通過艱苦、細致的巖溶調(diào)查和大量聯(lián)通試驗及分析計算,最后以分水嶺地下水位確定水庫正常蓄水位為550 m,并于1990年成功建成蓄水,打破了過去認為鄂西南強巖溶地區(qū)不能建庫的“禁區(qū)”。以后相繼建成利川長順電站、建始小溪口水庫、宣恩洞坪水庫、獅子關水庫、咸豐朝陽寺水庫、小河水庫、恩施老渡口水庫、長陽招徠河水庫等一大批水庫電站,取得了很大的成功,積累了豐富的經(jīng)驗。但也有一些深刻的教訓,主要是在前期勘察中忽視了最基本的地質(zhì)條件的調(diào)查和分析,尤其是對于可能產(chǎn)生滲漏的疑點重視不夠,或者防滲措施及時機處理不當。近年來幾個位于巖溶區(qū)的水庫首次蓄水就發(fā)生嚴重滲漏,如建始縣野三河水電站、長陽縣招徠河水電站、宜昌市西北口水庫、五峰縣麒麟觀水庫電站、恩施市老渡口水庫電站等,引起筆者的重視和反思。

1 建始縣野三河水電站

野三河水電站位于恩施州建始縣、清江左岸支流野三河,樞紐主要由碾壓混凝土雙曲薄拱壩(最大壩高74 m)、右岸長發(fā)電引水系統(tǒng)、氣墊式調(diào)壓室、地面廠房、右岸導流洞等建筑物組成(圖1);電站裝機容量為2×25 MW,年發(fā)電量為16 424萬kW·h;水庫正常蓄水位為664.00 m(黃海高程),總庫容為1 923.3萬m3。

壩址為“V”型峽谷,兩岸山坡陡峻,河流自北西流向南東。壩址出露三疊系大冶組薄層、極薄層灰?guī)r夾極薄層頁巖。巖石較完整,兩岸基巖裸露。地層走向北東向,與河流流向近正交,為橫向河谷,巖層傾向上游略偏左岸,巖層產(chǎn)狀為320°～332°∠42°～48°。

圖1 野三河電站壩址示意圖Fig.1 Schematic diagram of Yesanhe dam site

該水庫大壩剛剛建成,于2010年4月8日下閘蓄水。2010年5月14日下午5點左右,在距離大壩右岸下游河床50 m處出現(xiàn)大量滲漏,流量大約3～4 m3/s,開始為夾石塊的黃泥水,2～3 h后變?yōu)榍逅?。初步判斷是沿右岸巖溶管道發(fā)生的集中滲漏。滲漏時水庫水位為646.4 m,上下游水頭差約46 m。發(fā)生如此大的滲漏,使水庫無法正常發(fā)揮效益。

該處原為引水式電站,施工期間將原引水渠改為導涵洞繼續(xù)發(fā)電。據(jù)導涵洞開挖揭示的情況,在進口洞身215 m處發(fā)現(xiàn)有一溶洞(RD35),該洞垂直導涵方向發(fā)育,洞寬1.5～2.0 m,呈囊狀,可見高度達15 m,洞內(nèi)有間斷性水流,流量0.2～0.7 L/s,此水流從河床W26以裂隙泉水形式排入野三河。

據(jù)壩區(qū)導流洞開挖揭示,在距出口約195.8～205.3 m處見有一斜穿隧洞的溶槽(RD102),順層發(fā)育,產(chǎn)狀為330°∠44°,溶洞走向約60°,可見寬度約0.3～0.5 m,導流洞開挖期間無水但可見水流痕跡。

據(jù)引水發(fā)電隧洞開挖揭示,在樁號0+167.5～0+172.0 m處見有一斜穿隧洞的溶槽(RD101),洞口呈不規(guī)則三角形,寬約1.2 m,高約1.7 m,溶洞走向30°,可見深度約7～8 m,洞內(nèi)有水(雨天尤其是汛期有涌水現(xiàn)象),汛期流量可達1.2～1.5 L/s。施工期連通試驗證實RD101與RD35連通。

在左岸灌漿平洞(高程616.5 m)中15號灌漿孔,孔深18.04～19.24 m(高程597 m左右)發(fā)生掉鉆1.2 m,灌注約100 t水泥砂漿。

勘察期間在左岸河邊有泉點W26從砂卵石層或坡積層中出水。

從壩區(qū)工程地質(zhì)平面圖來看,溶洞RD101、RD35和RD102幾乎投影在一條線上,推測在導涵洞和導流洞施工之前為同一地下水水流系統(tǒng),水流方向為RD101→RD35→RD102→W26→野三河;導涵洞和導流洞都設了堵頭,當時考慮與帷幕連接一致,堵頭位于巖溶下游,即巖溶系統(tǒng)位于水庫一側。水庫建成后,庫水通過導涵洞進入巖溶系統(tǒng),穿過帷幕線從泉點W26即壩下游出來,水流方向為庫水→導涵洞RD35→導流洞RD102→泉W26→野三河。

目前正在進一步勘察,并制定封堵方案。

本工程的教訓在于:①導流洞和導涵的封堵部位選擇欠合理,把帷幕灌漿當做唯一防線有很大風險。②對巖溶管道的復雜性認識不足,沒有將水庫與巖溶系統(tǒng)分隔開,庫水進入復雜的巖溶系統(tǒng),而后者封堵的難度很大。

2 長陽縣招徠河水庫電站

招徠河水電站位于湖北長陽縣清江左岸支流招徠河,壩址距長陽縣城88 km。大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩,最大壩高109.5 m,壩頂高程305.50 m,壩軸弧長220.6 m,正常蓄水位為300.0 m。水庫總庫容為7 033×104m3,電站總裝機容量為36MW,年發(fā)電量為1.124億kW·h。

2005年5月8日水庫下閘蓄水,2005年7月2日上午7時30分(導流洞永久封堵形成后約半個月),在左岸壩后約150 m的導流洞施工支洞口頂部裂縫中出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,流量約0.1 m3/s,相應水庫蓄水位為275.8 m。

勘察期間,在壩軸線上游左岸平洞PD03中遇溶洞K821和K823,長約30 m,寬3～12 m,高0.5～3 m,部分充填粘土和大量卵石,分布高程222～232 m(河床高程209 m),當時曾做連通試驗,但在壩軸線下游未見出水。地表調(diào)查左岸最大的巖溶為硝洞巖溶系統(tǒng),洞口高程470 m,洞內(nèi)最低高程410 m,洞徑10 m左右,可見長度>900 m。施工期間在導流洞與平洞對應部位遇此溶洞,地質(zhì)素描后對隧洞采取混凝土襯砌(立交,未封堵溶洞)。

左岸EL264 m灌漿平洞在樁號0+130.78～0+110.78中的幾個灌漿孔都在不同深度遇到了溶洞,鉆孔掉鉆0.5～1.5 m,有的遇到三層溶洞,鉆進漏水較嚴重,溶洞中均充填有黃泥,相互貫通。

初步分析:導流洞施工支洞口的漏水點與EL264 m灌漿平洞灌漿孔中所發(fā)現(xiàn)的溶洞是連通的,且可能與導流洞中所揭露的大溶洞是相通的,應屬左岸硝洞的深部巖溶系統(tǒng),庫水從河床溶洞K321進入巖溶管道,“倒灌”至硝洞的深部巖溶系統(tǒng),在壩下游裂隙巖溶出露。

由于庫水無法降低,溶洞K821在水下無法實施封堵,后采取擴孔并向灌漿孔內(nèi)灌注砂漿、混凝土、砂石料等共計近3 000 m3,溶洞尚未堵住;又將左岸灌漿帷幕延伸50 m,效果也不明顯,目前滲漏尚未處理好。

本工程的教訓是:勘察期間對左岸硝洞深部巖溶系統(tǒng)及其對水庫滲漏的影響認識不清。水庫內(nèi)的平洞揭露的溶洞K821和K823在蓄水前未予封堵,造成滲漏通道。

3 宜昌市西北口水庫

西北口水庫位于湖北省宜昌市長江北岸一級支流黃柏河,距宜昌市65 km。樞紐工程由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、左岸泄洪兼導流隧洞、左岸發(fā)電兼放空隧洞和發(fā)電站等五大建筑物組成。大壩壩高95 m,壩頂長222 m,壩頂寬8 m。水庫總庫容2.1億m3,設計水位322 m,相應庫容1.6億m3,為大(Ⅱ)型水庫。工程以蓄水灌溉為主,兼有發(fā)電、養(yǎng)殖、防洪、攔砂等綜合效益。1987年開始填筑壩體,1989年6月混凝土面板澆筑結束,1991年9月下閘蓄水,1992年6月20日電站初步并網(wǎng)發(fā)電。1996年12月該大壩主體工程通過竣工驗收。

壩址區(qū)巖層為寒武系灰?guī)r,地質(zhì)構造簡單,屬單斜構造,巖層走向10°～20°,傾向南東,傾角9°～12°,產(chǎn)狀平緩。所見構造規(guī)模都較小,未見大的斷裂。

水庫自建成蓄水以來就出現(xiàn)滲漏,壩下游右岸分布有7個漏水點,其中一個出水點位于右壩肩山體背水坡與溢洪道左邊墻結合處,出溢點高程為280.00 m,最大滲漏量為211.91 L/min,發(fā)生時間為2006年1月9日,相應庫水位為317.79 m。最遠處滲漏點離壩腳約100多米,

為了查清滲漏通道,將水庫水位降低檢查,發(fā)現(xiàn)在右岸庫水面有漩渦,經(jīng)投放熒光素進行連通試驗,證實與下游出水點聯(lián)通,是主要進水點。于是采用平洞開挖,發(fā)現(xiàn)右岸發(fā)育溶洞,洞寬1.5 m,主要沿岸邊裂隙和卸荷裂隙發(fā)育。采取堵洞的方法,結合右岸灌漿,現(xiàn)已基本完成封堵,下游漏水點基本消失。

4 五峰縣麒麟觀水庫電站

麒麟觀水庫電站位于湖北省五峰縣,距五峰縣城約70 km,壩型為拋物線型變厚雙曲碾壓混凝土薄拱壩,最大壩高77.0 m,水庫總庫容1 270.12萬m3,電站裝機容量6 400 k W,2004年5月31日大壩主體工程正式開工,至2006年6月大壩碾壓混凝土澆筑基本完成。

麒麟觀水庫位于灰?guī)r地區(qū),溶洞、洼地、落水洞較發(fā)育,地層由三疊系嘉陵江組中下部薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r夾中厚層灰?guī)r組成,巖層走向近東西,傾向北,傾角70°～80°,為縱向河谷?？辈炱陂g據(jù)地質(zhì)分析,左壩肩至陳家屋場約500 m范圍內(nèi),ZK11、ZK16均有溶洞揭露,鉆孔地下水位較低,顯示出強巖溶區(qū)水文地質(zhì)特點,因此判斷左壩肩一定范圍內(nèi)存在巖溶管道集中滲漏的可能,并提出左岸帷幕線長近500 m,帷幕底界至少達到透水率5 Lu值以下5 m?？紤]到帷幕灌漿工程量較大,具體實施分兩期,第一期兩壩肩實施了短帷幕。大壩開始下閘蓄水,結果在左岸發(fā)生嚴重滲漏,從下游左岸河邊溶洞中漏水,流量達0.5 m3/s。最后不得不降低庫水位,在溶洞中采取堵洞的方法封堵,漏水量明顯減少。

該工程的難度在于三疊系嘉陵江組灰?guī)r屬強巖溶化地層,又是縱向河谷,巖溶極發(fā)育,鉆孔地下水位較低,發(fā)生管道型巖溶滲漏是不可避免的,這種情況下采用短帷幕不能解決問題,必須是堵洞加長帷幕才行。

5 恩施市老渡口水庫電站

老渡口水庫電站位于湖北省恩施市清江左岸支流馬水河下游,壩址距恩施市約80 km。大壩為混凝土面板堆石壩,最大壩高96.6 m,水庫總庫容2.13億m3,正常蓄水位480.00 m,電站總裝機80 MW,為Ⅱ等大(2)型工程。

壩址巖石為二疊系下統(tǒng)茅口組含燧石團塊灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r,上統(tǒng)吳家坪組和大隆組硅質(zhì)巖、炭質(zhì)頁巖中厚層白云巖、鈣質(zhì)頁巖夾灰?guī)r等,底部夾煤線。巖層產(chǎn)狀290°～320°∠30°～71°,傾右岸偏上游。

老渡口電站導流洞自封堵后堵頭段下游就出現(xiàn)漏水,漏水點分三處:第一處為封堵段注漿管(兩個)漏水,第二處為襯砌段拱頂漏水、右側壁滲漏水,第三處位于導流洞樁號0+248右側拱頂溶蝕裂隙漏水。漏水點高程均低于408 m高程,清水,三處出水點均有滲壓,庫水位464 m、468 m、474 m時對應總漏水量在0.4～0.6 m3/s之間變化。

漏水初步分析,導流洞與放空洞交界段巖溶發(fā)育,施工時已將溶洞封堵,但未改變巖體裂隙、溶蝕裂隙的導水條件。前期施工過程中由于工期緊,大壩右岸搭接帷幕和導流洞堵頭段的固結灌漿未做,所以導流洞堵頭段下游出現(xiàn)漏水,漏水量與庫水水位高低相關。初步判斷1、2處漏水與庫水相關,3處不僅與庫水相關,還與壩址區(qū)帷幕下游降雨入滲及岸坡地下水相關。目前正在研究處理方法。

6 教訓與反思

反觀上述巖溶地區(qū)水庫滲漏的教訓,筆者得到以下啟示:

(1)要非常重視前期勘察分析工作,不要放過疑點。對于強巖溶化地層,采用鉆孔壓水試驗成果(透水率)來評價滲透性是不全面的。

巖溶地區(qū)巖石的透水性是極不均勻的,完整巖石幾乎不透水,鉆孔中如果不碰到巖溶,透水率一般很小,但遇到溶洞則壓水不起壓,鉆孔地下水位幾乎與河水平。當發(fā)現(xiàn)鉆孔地下水位偏低,應該警惕,調(diào)查原因,尤其是出現(xiàn)“反坡”或凹槽,是否附近存在巖溶管道?壩下游是否存在泉水?

例如清江姚家坪電站,筆者在勘察期間發(fā)現(xiàn)左岸河邊有一股泉水,勘探剖面上鉆孔地下水位出現(xiàn)凹槽,岸坡上的鉆孔地下水位比靠近河床的鉆孔地下水位還要低,后來通過平洞揭示這中間有一個管道式巖溶,其出口就在泉點位置,埋在河底砂卵石層中。

又比如在壩區(qū)較高的地方發(fā)育有早期的溶洞或巖溶系統(tǒng),應分析它們與現(xiàn)代河床附近巖溶的關系,是否會影響水庫滲漏?例如招徠河水庫巖溶滲漏就是沿早期的左岸硝洞巖溶系統(tǒng)發(fā)生的滲漏。

(2)要敢于大膽預見“存在巖溶管道式滲漏”,以便早做決斷采取措施。

眾所周知巖溶地區(qū)水庫有兩種滲漏形式:巖溶管道式滲漏和裂隙性(溶隙型)滲漏。有時兩種滲漏形式并存,在強巖溶地區(qū)幾乎都存在巖溶管道式滲漏,管道式滲漏往往十分復雜,處理難度大,而為了讓工程上馬,往往都不敢說存在巖溶管道式滲漏。其實大可不必回避這個問題,相反應早做決斷采取措施。在選擇壩線時應把防滲線路考慮進去,充分考慮帷幕工程的難度和復雜性,盡量避開巖溶管道和巖溶發(fā)育復雜地段,選擇可靠有把握的地段筑壩。

(3)河谷天然水動力條件與建庫后的水動力條件是不一樣的,我們要預測建庫后的巖溶水動力條件是否會發(fā)生滲漏。

巖溶地區(qū)河谷水動力條件有四種基本類型[1]:補給型、補排型、排泄型和懸托型,其中后三種一般都存在水庫滲漏問題。第一種也要分析是否存在建庫后庫內(nèi)巖溶“倒灌”向下游巖溶發(fā)生管道滲漏的可能。尤其是壩下游存在泉水時。

(4)要設計切實可行的處理措施,并且把握處理的時機,盡可能在蓄水前完成。原則上在水庫蓄水前應封堵庫內(nèi)可能引起滲漏的溶洞、平洞、導流洞、導涵等,隔斷庫水與巖溶管道的水力聯(lián)系。

巖溶地區(qū)防滲處理方式有全封閉式和懸掛式,在有可靠隔水層的情況下采取全封閉式比較可靠,但防滲處理費用往往很高,幾千萬甚至上億元。因此往往會提出“分期實施”的建議,也就是預留工程量,先蓄水看看。另一種情況是,巖溶地質(zhì)條件復雜,勘察困難,暫時無法說清楚,為了保險提出“分期實施”,給自己留一條后路。但分期實施要考慮“可能性”。事實上一旦蓄水后發(fā)生滲漏,其處理難度比蓄水前大得多。尤其是巖溶管道式滲漏,動水條件下很難處理好。再加上工期緊,庫水難以放空,還影響發(fā)電效益。因此,盡可能在蓄水前完成必要的防滲處理。另外,原則上在水庫蓄水前應封堵庫內(nèi)可能引起滲漏的溶洞、勘探平洞、導流洞、導涵等,隔斷庫水與巖溶管道的水力聯(lián)系。

(5)防滲處理方案要可靠,不能把防滲帷幕當作唯一防線。當防滲線上存在貫通上下游的溶洞、大溶隙或管道系統(tǒng)時,應先對其采取專門的堵洞措施。

巖溶地區(qū)防滲處理有兩種方法:一種是堵洞,適用于貫通上下游的巖溶管道滲漏;一種是帷幕灌漿,適用于裂隙性滲漏和斷面不大的管道型滲漏;其他還有壩前鋪蓋等。當然,在帷幕灌漿中遇到溶洞也可以采取措施如間歇灌漿、擴孔投砂石料或砂漿等,但畢竟難度很大,不如堵洞來得直接。

理論上用帷幕灌漿是可以截斷滲漏通道的,但實際上施工來不及,或很難做到。一方面是巖溶系統(tǒng)十分復雜,深部巖溶很難查清,且帷幕灌漿需要可行的施工條件(如靜水);另一方面,目前灌漿質(zhì)量下降。灌漿是隱蔽工程,又叫“良心工程”,現(xiàn)在市場競爭十分激烈,低價中標,轉(zhuǎn)包分包,偷工減料,監(jiān)理不到位,很難保證灌好。因此,將帷幕灌漿當做唯一防線是有很大風險的。

(6)導流洞的封堵應綜合考慮巖溶的封堵,合理選擇封堵部位。水工設計原則上是把導流洞的堵頭放在帷幕線上,這樣形成完整的防滲系統(tǒng)。導流洞是臨時工程,灰?guī)r隧洞一般不襯砌,隧洞中遇溶洞一般采取“導”的方式或“立交”,有的根本沒有處理,要防止導流洞堵頭前的溶洞與庫水相通造成的管道滲漏。另外,導流洞堵頭段的固結灌漿和帷幕灌漿應與堵頭的封堵同時進行,一氣呵成。

總之,巖溶地區(qū)水庫滲漏是一個很復雜的課題,要十分重視前期勘察、試驗和分析工作,并且要重視施工地質(zhì)工作,施工期有條件的要進一步揭露問題;要小心細致的設計防滲處理方案,使之合理可行。對于滲漏條件要有一個合理的判斷,勘察中不放過一個疑點,這些在前期被忽略的問題,在實施中都會受到懲罰,這是有深刻教訓的!

[1] 徐福興,陳飛.水庫巖溶滲漏問題研究[M]∥西部水利水電開發(fā)與巖溶水文地質(zhì)論文選集.武漢:中國地質(zhì)大學出版社,2004.

(責任編輯:于繼紅)

Lessons and Reflection of Reservoir Leakage in Karst Area of Southwest Hubei

CHEN Hanbao,LIRuiqing,LIU Xiancai
(HubeiDesign Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Wuhan,Hubei430064)

This paper concludes the experience and lessons of reservoir leakage in karst area of Hubei-southwest and presents that it’s necessary to pay attention to previous exploration and analysis.To the strong-kast area,it is improper to use water pressure test in borehole(per meability rate)only to est imate penetrability of rock mass.It is necessary to design practical seepage controlmethod and complete the method before water storage asmuch as possible.In principle,karst cave,adit and diversion tunnel which could cause reservoir leakage should be sealed off before water storage,in order to cut the hydraulic connection be tween reservoirwater and karst conduit.

karst cave;reservoir leakage;experience and lessons

TV697.3+2;P642.25

A

1671-1211(2010)05-0450-04

2010-07-15;改回日期:2010-08-09

陳漢寶(1961-),男,教授級高級工程師,注冊巖土工程師,碩士,水文地質(zhì)專業(yè),從事水利水電勘測技術管理工作。E-mail:chhb318@sina.com