袁勝超，張小強(qiáng)

(華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊050021)

修建在石灰?guī)r地區(qū)的水庫，普遍存在滲漏和有滲漏引起的壩體內(nèi)洞穴、局部沉陷、裂縫等隱患，由于石灰?guī)r地質(zhì)背景尤其表層風(fēng)化和巖溶發(fā)育的成因復(fù)雜，滲漏通道類型多樣，庫區(qū)滲漏一直是灰?guī)r區(qū)建設(shè)水庫最棘手的問題，如何有效的評(píng)價(jià)灰?guī)r區(qū)庫區(qū)滲漏問題，提出合理的滲漏預(yù)防措施，避免庫區(qū)滲漏帶來的環(huán)境污染問題成為開放商最關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。

本文就以西藏某大型礦區(qū)在石灰?guī)r地區(qū)修建尾礦庫為例，通過采用工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察等手段對該地區(qū)進(jìn)行作業(yè)，在了解地質(zhì)條件的情況下，運(yùn)用不同計(jì)算方法對庫區(qū)建設(shè)后運(yùn)營期間，庫區(qū)尾礦水的滲漏問題進(jìn)行分析并提出處理措施。以供大家探討。

1 工程概況

礦區(qū)區(qū)域上屬于“青南藏東川西高原區(qū)”，地貌類型構(gòu)造侵蝕－－溶蝕地貌［2］，呈“V”字型。早期溶蝕作用強(qiáng)烈，巖溶比較發(fā)育，溶溝、溶槽、溶蝕裂隙主要分布于山頂及位置高地段;近期由于高原干旱、寒冷氣候，年平均溫度低，地下水活動(dòng)較弱，不利于溶蝕作用，巖溶發(fā)育較弱 。庫區(qū)內(nèi)海拔高程在4 200.00～4 400.00 m間，兩側(cè)山坡地形陡竣，其中北東側(cè)地形相對平緩，自然坡度角在26～40°間 ，南西側(cè)相對較陡，自然坡度角在32～50°間，堆積壩淹沒標(biāo)高4 400.00 m。最大壩高143 m，總庫容1.3億m3，尾礦庫采用中線法堆壩，利用分級(jí)粗尾砂在初期壩下游壓坡、溢流尾砂庫內(nèi)排放［3］。

2 庫區(qū)巖土工程特征

勘察區(qū)分布的地層主要有第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)，三疊系上統(tǒng)阿堵拉組(T3a)，三疊系上統(tǒng)波里拉組(T3b)基巖地層。

庫區(qū)溝床上部為第四系沖洪積層，以粉質(zhì)黏土，碎石土為主，分布厚度0.80～18.30 m，稍密～中密狀;下伏基巖在溝谷上游多為泥質(zhì)粉砂巖，質(zhì)軟，易碎，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，碎塊或短柱狀，強(qiáng)風(fēng)化分布厚度 2.6～17.0 m，中風(fēng)化1.1～47.95 m，微風(fēng)化3.6～6.4 m?；?guī)r分布中下游溝谷，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化分布厚度2.90～10.0 m，呈碎塊～短柱狀，中風(fēng)化1.7～18.9 m，巖芯呈短柱 ～ 長柱狀，微風(fēng)化0.8～13.7 m。

庫區(qū)左岸坡自然坡度角在10°～30°之間，上覆殘坡積厚度0.50～13.80 m，由粉質(zhì)黏土、碎石構(gòu)成。下伏基巖為灰?guī)r，局部基巖裸露，巖溶發(fā)育，存在較大溶洞和大量小溶洞 ，強(qiáng)風(fēng)化分布厚度7.20 ～16.2 m，呈碎塊 ～ 短柱狀，中風(fēng)化1.9 ～29.5 m，巖芯呈短柱～長柱狀。

庫區(qū)右岸坡自然坡度角在5°～20°之間，位于庫區(qū)溝谷向斜核部位置，砂頁巖覆蓋結(jié)晶灰?guī)r之上。上覆殘破積分布厚度1.50～23.20 m，由粉質(zhì)黏土、碎石組成;下伏基巖為砂頁巖，中薄層狀構(gòu)造，構(gòu)造破碎嚴(yán)重，強(qiáng)風(fēng)化分布厚度3.70～26.60 m，中風(fēng)化0.80 ～26.4 m，微風(fēng)化1.20 ～2.80 m。

3 礦區(qū)滲漏預(yù)測

庫區(qū)內(nèi)針對不同巖性在鉆孔和井探中分別作壓水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)及滲水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)成果并參照以往工程經(jīng)驗(yàn)，碎石層最大滲透系數(shù)K=24.7 m/d，泥質(zhì)粉砂巖最大滲透系數(shù) K=0.33 m/d，灰?guī)r最大滲透系數(shù) K=12.9 m/d。

灰?guī)r巖溶裂隙水位埋深為25.8～30.4 m，標(biāo)高4 243.5～4 274.34 m，最高水位與庫區(qū)淹沒最高標(biāo)高相差近125 m。右岸坡脊主要分布為阿堵拉組(T3a)砂、頁巖，由于其質(zhì)軟，構(gòu)造破碎，風(fēng)化帶較厚，多呈碎裂狀、碎屑狀、碎塊狀，由泥質(zhì)充填，其透水性、含水性弱，對庫區(qū)運(yùn)營后影響較小。而左岸山脊及右岸北側(cè)山溝地帶主要以波里拉組(T3b)灰?guī)r為主，受風(fēng)化、構(gòu)造作用的影響，地表構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙非常發(fā)育，巖體內(nèi)的溶蝕裂隙也很發(fā)育，具有地下水運(yùn)移和賦存的通道，區(qū)域上具有透水性、富水性強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)地質(zhì)鉆探及物探資料分析，庫區(qū)一帶巖溶裂隙一般發(fā)育于7～30 m之間，左岸山坡多發(fā)育背斜構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，有利于水沿裂隙發(fā)育方向流動(dòng)，庫區(qū)溝谷一帶灰?guī)r透水性垂向上差異較大。由于灰?guī)r具有極大的不均一性特點(diǎn)，加之受高原隆起影響，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，不排除溝谷內(nèi)尚存在管道式地下水滲流。因此，當(dāng)庫區(qū)內(nèi)尾礦砂堆積運(yùn)營時(shí)，少量庫區(qū)尾礦水可能沿著灰?guī)r巖溶或裂隙向溝谷兩側(cè)外滲(主要向左側(cè)灰?guī)r區(qū)外滲)。下滲地下水一部分在庫區(qū)沿溝谷向下游滲流，一部分通過地下通道沿鄰谷滲流。

4 庫區(qū)滲漏評(píng)價(jià)

庫區(qū)滲漏通道主要分布于左岸灰?guī)r區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場滲漏情況，本次通過裘布依公式計(jì)算及數(shù)值模擬法計(jì)算灰?guī)r區(qū)滲漏情況，通過比較分析，得出較為準(zhǔn)確的滲漏數(shù)據(jù)及可能滲漏的渠道及方向，為庫區(qū)滲漏預(yù)防提供可靠的數(shù)據(jù)。

4.1 按裘布依公式計(jì)算

根據(jù)裘布依公式［4］，假設(shè)相對隔水層水平，當(dāng)相對隔水層以上的尾礦庫水頭為H1，相對隔水層以上的鄰谷水頭為H2，滲漏距離為L，通過單薄分水嶺的單寬滲漏流量按下式近似計(jì)算:

式中，K為巖體的滲透系數(shù)(m/s)。

鄰谷K值，根據(jù)庫區(qū)灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化滲透系數(shù)計(jì)算求綜合滲透系數(shù)，取值0.365 m/d。垂直溝谷K值，根據(jù)壩體灰?guī)r層抽水試驗(yàn)結(jié)果，取值0.650 5 m/d。

由此，通過寬度為B的單薄分水嶺，尾礦庫滲漏流量按下式計(jì)算。

圖1 尾礦庫滲漏估算模型

4.2 數(shù)值模擬計(jì)算

為更好地體現(xiàn)庫區(qū)在鄰谷滲漏及垂直壩體滲漏量，同樣選用了庫區(qū)三條橫斷面及一條垂直壩軸線斷面進(jìn)行分析，本文僅以一條橫斷面和垂直斷面為例進(jìn)行分析說明。計(jì)算尾礦庫大壩建成運(yùn)營期間，水位達(dá)到4 400 m高程時(shí)的鄰谷滲漏量。

庫區(qū)橫斷面，根據(jù)斷面建立計(jì)算模型、滲漏路徑及計(jì)算該截面的滲流量見下圖2、圖3、圖4。

圖2 橫斷面計(jì)算模型

圖3 橫斷面滲流路徑

圖4 橫斷面截面流量圖

4.3 庫區(qū)縱斷面

根據(jù)縱斷面建立的計(jì)算模型、滲漏路徑及計(jì)算該截面的滲流量見下圖5、圖6、圖7。

圖5 縱斷面計(jì)算模型圖

圖6 縱斷面滲流路徑

圖7 縱斷面截面流量圖

通過模型計(jì)算該縱截面的滲流量為6.24×10－4m3/s。

通過裘布依計(jì)算公式及建立模型計(jì)算庫區(qū)灰?guī)r區(qū)滲漏量，對兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，比較結(jié)果見表1，表2。

表1 庫區(qū)鄰谷滲漏總量

表2 庫區(qū)順溝谷滲漏總量

由于本次計(jì)算僅考慮尾礦水沿基巖裂隙的滲漏量，尾礦庫運(yùn)營后，還有部分尾礦水沿壩體滲漏，由此可見，庫區(qū)運(yùn)營后，庫區(qū)內(nèi)尾礦水主要通過壩體向下游方向滲流，僅有部分尾礦水會(huì)通過地下水通道向鄰谷滲漏。

5 結(jié)論及建議

(1)尾礦庫位于灰?guī)r發(fā)育地帶，地下水主要以巖溶裂隙管道徑流，下游為村鎮(zhèn)及礦區(qū)水源地，一旦尾礦水經(jīng)過灰?guī)r發(fā)育通道發(fā)生滲漏后對下游影響巨大，因此，應(yīng)做好防滲工作及一旦發(fā)生滲漏的應(yīng)急預(yù)案。

(2)為防止尾礦因滲漏造成環(huán)境的污染，建議在溝谷河床用透水性差的黏土換填碾壓處理，在上部形成人造隔水層。對左岸坡上較大溶洞采用回填漿砌片(塊)石或灌注水泥砂漿、混凝土等封閉，最大限度地消除庫區(qū)淹沒后因滲漏造成對環(huán)境的污染，未充填狀小溶洞采用回填漿砌片(塊)石或灌注水泥砂漿、混凝土等封閉，對溶蝕破碎帶進(jìn)行帷幕注漿處理［5］。

(3)尾礦庫庫區(qū)在運(yùn)營過程中做好庫區(qū)排水措施，增加庫區(qū)水向下游的排泄量，從而減少鄰谷滲漏量。并在下游地段或泉眼處做好地下水位監(jiān)測及水質(zhì)監(jiān)測工作，以防庫區(qū)含金屬離子水下滲到下游造成地下水的污染。

［1］范恩讓.影響尾礦庫排洪涵洞安全的因素與對策［J］.甘肅冶金，2009，30(2).

［2］工程地質(zhì)手冊(第四版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范［M］.北京:中國計(jì)劃出版社出版.

［4］陳崇希.地下水動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2003.

［5］建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.