于立宏, 趙玉濱, 楊喜軍, 鄭海倫, 朱智雷

(中國電建集團 北京勘測設(shè)計研究院有限公司,北京 100024)

芝瑞抽水蓄能電站上水庫滲漏分析

于立宏, 趙玉濱, 楊喜軍, 鄭海倫, 朱智雷

(中國電建集團 北京勘測設(shè)計研究院有限公司,北京 100024)

芝瑞抽水蓄能電站上水庫庫區(qū)基巖為玄武巖,柱狀節(jié)理發(fā)育,不同期次玄武巖之間為混合土碎石層,混合土碎石層組成物復(fù)雜,以地下水發(fā)育特征為切入點,通過分析地下水位埋深、壓水試驗成果、柱狀節(jié)理與各層混合土碎石聯(lián)系方式,得出上水庫區(qū)柱狀節(jié)理與混合土碎石層組成的龐大網(wǎng)絡(luò)是地下水存儲、運移的主要區(qū)域,水庫蓄水后,存在庫水滲漏的工程地質(zhì)問題。

抽水蓄能電站;柱狀節(jié)理;混合土碎石;地下水;滲漏;網(wǎng)絡(luò)

上水庫庫水是否滲漏是抽水蓄能電站工程勘察期間必需要回答的工程地質(zhì)問題之一[1],研究分析清楚上水庫區(qū)巖體的滲漏方式和滲漏通道,對于上水庫設(shè)計意義重大。

芝瑞抽水蓄能電站位于內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗芝瑞鎮(zhèn)境內(nèi),下水庫位于西拉木倫河一級支流百岔河主河道上,上水庫位于百岔河左岸山體頂部玄武巖臺地上,為半挖半填成庫,庫容800萬m3,全庫庫盆面積24萬m2,輸水系統(tǒng)與地下廠房系統(tǒng)布置于百岔河左岸山體內(nèi)。額定水頭440 m,裝機4臺可逆式機組,總裝機容量1 200 MW,上水庫正常蓄水位1 590 m,下水庫正常蓄水位1 132 m,為大(Ⅰ)型工程。

1 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)所在區(qū)域位于內(nèi)蒙古高原東部邊緣,區(qū)域內(nèi)溝谷縱橫,地形起伏差較大。上水庫位于一個呈NE向展布、兩側(cè)為深溝的玄武巖臺地上,海拔高程1 500～1 600 m,這個玄武巖臺地地形平緩,寬度為0.7～2 km,延伸長度20～30 km,與壩上聯(lián)接,兩側(cè)地形坡度30°～50°,溝底高程一般1 100～1 200 m。

地層巖性主要為新近系玄武巖和第四系粉土,其中粉土為風積,黃色,松散狀態(tài),厚度一般為3～5 m;玄武巖厚度200 m左右,與下伏侏羅系流紋巖呈不整合接觸。玄武巖具多個韻律旋回[2],顯示多期次的火山噴發(fā)活動,每期次火山噴發(fā)活動之間具有一定間斷[3],表現(xiàn)為每期次玄武巖之間具一定厚度的混合土碎石。高程1 570～1 600 m每期次玄武巖厚度5～10 m,多為氣孔狀玄武巖,黃—灰紅色,氣孔發(fā)育,氣孔間聯(lián)通性差;高程1 570 m以下每期次玄武巖厚度40～80 m,多為致密塊狀構(gòu)造玄武巖,灰色。各期次玄武巖間發(fā)育的混合土碎石層均類似,黃色,碎石約占60%,其余為粘性土,碎石巖性成分主要為玄武巖,少量為流紋巖。混合土碎石層厚度變化大,鉆孔揭露該區(qū)玄武巖間混合土碎石層最大厚度達31 m,最小厚度<0.10 m,厚度一般0.5～2.0 m。

該區(qū)不發(fā)育斷層,玄武巖柱狀節(jié)理垂直發(fā)育,延伸長,節(jié)理面平直、粗糙,多附有鈣質(zhì)物薄膜及鐵銹。受柱狀節(jié)理切割,玄武巖多呈5或6邊形柱狀,巖石柱直徑一般0.8～1.3 m。

地下水主要接受大氣降水補給,通過玄武巖臺地兩側(cè)深溝向百岔河排泄。

2 上水庫滲漏分析

2.1 地下水位埋藏深度分析

一個水文年的地下水位長期觀測資料表明:上水庫區(qū)地下水位穩(wěn)定,埋深80～100 m。

上水庫區(qū)地下水易于向兩側(cè)深溝排泄[4]。近20年來,芝瑞鎮(zhèn)在上水庫附近興建了100多家加工玄武巖的石板廠,加工石板時大量抽取地下水,相當于加大了地下水排泄量。近段時間內(nèi),上水庫周邊區(qū)玄武巖臺地上又開工建設(shè)了10多處露天開采致密塊狀構(gòu)造玄武巖的大型石料場,大面積的山體覆蓋層和巖體被剝離運走,破壞了局部的水循環(huán)系統(tǒng),致使一部分大氣降水在地面滯留時間加長,其蒸發(fā)量和通過地表排入百岔河水量增加,某些部位還出現(xiàn)了地下水未進入更深的地下而提前滲出的現(xiàn)象,增加了地下水的排泄途徑[5],加大了山體內(nèi)地下水排出的可能性。

從本世紀80年代以來,壩上地區(qū)用水量持續(xù)增加[6],整體地下水位埋深持續(xù)下降[7],導(dǎo)致從壩上補排給上水庫區(qū)的地下水量持續(xù)減少。

總之,近20年來,上水庫區(qū)地下水排泄量增大了,本區(qū)域大氣降水滲入地下而補充給地下水的水量相對減小了,從遠處補充過來的地下水量也在減少,這些因素直接導(dǎo)致該區(qū)泉水發(fā)育高程逐漸降低,高程低處的泉水涌水量均逐年減少,并均向季節(jié)泉發(fā)展。說明了上水庫區(qū)地下水運移網(wǎng)絡(luò)整體是聯(lián)通的,地下水相互間聯(lián)系性較好[8]。

2.2 壓水試驗成果分析

據(jù)規(guī)劃階段、預(yù)可行性研究階段上水庫區(qū)22個鉆孔的193段壓水試驗、5段注水試驗成果可知,混合土碎石層透水性相對較強,巖土體滲透性等級為弱透水—中等透水,其它部位巖體透水率值一般<1 Lu,巖土體滲透性等級為微透水—極微透水,說明各混合土碎石層是該區(qū)地下水運移的主要通道,是上水庫區(qū)地下水主要儲藏部位[9],混合土碎石層控制了上水庫區(qū)地下水位發(fā)育高程[10]。

圖1 鉆孔位置示意圖Fig.1 The schematic of the drilling hole position

巖體主要由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體構(gòu)成,結(jié)構(gòu)面是指切割巖體的各種地質(zhì)界面[11]。對鉆探鉆出的巖芯觀察,該區(qū)鉆孔均避開了柱狀節(jié)理,見圖1所示。如果孔位布置在柱狀節(jié)理存在的A位置或類似A位置的話,該取芯鉆孔巖芯將破碎,或者,取芯鉆孔將常出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象而導(dǎo)致鉆孔很難完成,這種情況下鉆孔基本都是在結(jié)構(gòu)體內(nèi)穿行,鉆孔巖芯多呈柱狀、長柱狀,鉆孔孔壁上表現(xiàn)出來的基本上都是完整的結(jié)構(gòu)體內(nèi)部完整巖體,柱狀節(jié)理發(fā)育情況下的巖體真實情況沒有表現(xiàn)出來,工程試驗測出的壓水試驗成果值不具有代表該區(qū)巖土體滲透性的性質(zhì),也就是說,單純從壓水試驗、注水試驗成果不能說明上水庫巖土體滲透性情況,上水庫壓水試驗、注水試驗成果得出的巖土體滲透性的結(jié)論是不能代表野外現(xiàn)場實際情況的。

2.3 綜合分析

玄武巖柱狀節(jié)理是發(fā)育于玄武巖中的一種原生張性破裂構(gòu)造[12],上水庫區(qū)地下水可在柱狀節(jié)理內(nèi)存儲和運動[13],玄武巖臺地兩側(cè)均為地形較陡的深溝,玄武巖邊坡在復(fù)雜的地質(zhì)營力和各種因素影響下,玄武巖山體有向臨溝卸荷的作用[14]?，F(xiàn)在,溝底隨時可見到崩塌下來的玄武巖結(jié)構(gòu)體,這種卸荷作用當然也會導(dǎo)致近溝側(cè)的玄武巖柱狀節(jié)理張開,增加地下水運移的通道,加大玄武巖巖體透水性?；旌贤了槭瘜痈采w于較早形成的玄武巖基巖或流紋巖基巖的古地形上,受古地形形態(tài)、古氣候作用,及古崩坡積物等覆蓋層堆積情況和成分復(fù)雜等因素影響,再加上地表水沖刷、地下水等復(fù)雜因素作用,混合土碎石層成分及厚度均變化較大、均一性差,尤其混合土碎石層初期形成時,松散密實程度變化大,因此,上覆的玄武巖巖層將對混合土碎石層進行壓實加密,在這一長期變化過程中,由于玄武巖巖體內(nèi)柱狀節(jié)理發(fā)育的原因,玄武巖巖層將會以某些柱狀節(jié)理為邊界條件發(fā)生不均勻沉降、變形,這些過程又伴隨著地應(yīng)力作用等各種復(fù)雜因素,在各種綜合作用影響及作用下,一些柱狀節(jié)理張開程度變大?？傊?柱狀節(jié)理成為了垂直方向聯(lián)系各層混合土碎石的地下水運移通道,柱狀節(jié)理與各混合土碎石層共同組成了一個能使地下水在其內(nèi)自由運移和存儲的巨大網(wǎng)絡(luò),這導(dǎo)致上水庫區(qū)地下水存儲、運移空間與外部地下水存儲、運移空間以及泉水等地下水出水點、排泄點全方位立體地聯(lián)系了起來,并與百岔河一起構(gòu)成了該區(qū)獨特的地下水補排系統(tǒng)。

綜上分析,上水庫區(qū)柱狀節(jié)理與混合土碎石層組成的龐大地下水存儲、運移網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜,上水庫蓄水后,庫水會通過這個網(wǎng)絡(luò)源源不斷地向庫外滲漏。

3 結(jié)語

上水庫區(qū)發(fā)育的柱狀節(jié)理與混合土碎石層構(gòu)成了地下水存儲、運移的龐大網(wǎng)絡(luò),令上水庫區(qū)地下水與周邊地區(qū)地下水、地表水聯(lián)系起來,水庫蓄水后,庫水存在向庫外滲漏的工程地質(zhì)條件,上水庫應(yīng)采取全庫盆防滲設(shè)計。

[1] 吳火才.抽水蓄能電站的主要工程地質(zhì)問題[C]//2004年全國抽水蓄能學術(shù)年會論文集.南京:中國水力發(fā)電工程學會,2004.

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(責任編輯：于繼紅)

Seepage Analysis on the Upper Reservoir in Zhirui Pumped-storage Power Station

YU Lihong, ZHAO Yubin, YAN Xijun, ZHENG Hailun, ZHU Zhilei

(HydroChinaBeijingEngineeringCorporationLimited,BeijingChina100024)

In Zhirui Pumped-storage Power Station,the bedrock on the upper reservoir area is detected as basalts with the development of columnar joint. The basalts of varying ages are comprised of mixed layers with soil and crushed stone,which exhibit complex components. Derived from the characteristics of groundwater development,the relationship between each mixed layer and some key factors is investigated,including groundwater depth,water pressure tests,and columnar joint structure. Experimental results show that the columnar joints united with mixedlayers on the upper reservoir region develop into a gigantic network,which is the dominant region for the storage and migration of the underground water. Reserving water in the reservoir triggers a series of engineering geological problems including the water leakage.

pumped storage power station; columnar joint; mixed layer; underground water; leakage; network

2017-06-09;改回日期:2017-06-16

于立宏(1973-),男,教授級高級工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:540043052@qq.com

TV743; TV697.3+2

A

1671-1211(2017)04-0398-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.010

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1330.020.html 數(shù)字出版日期:2017-06-20 13:30