1、3.4 水库与坝区渗漏的工程地质条件分析,1水库蓄水会使库内一些城区和居民点、古迹、文物、工矿企业、铁路、公路和其他一些重要建筑物以及大片农田、森林等受到“淹没”。2水库蓄水会使两岸地下水位抬高，使一些地区发生“浸没”，甚至地上建筑物也受到危害，有些地区甚至发生沼泽化、盐渍化，导致农作物无法种植、土地荒芜、工矿企业排水困难。在低洼地区会引起土地充水、沼泽化、盐渍化或地下水淹没。3水库若存在严重“渗漏”，会影响水利枢纽正常运行。,一、水库的主要工程地质问题概述,4当水库受到冲刷和侵蚀时会引起“库岸再造”，有些地段形成滑坡、崩塌和冲蚀。有古滑坡存在的条件下会发生滑坡“复活”。5 水库淤积，库容体积
2、减小使农业、航运、渔业条件恶化，自然环境条件受到影响。6泥炭层、垃圾场以及工厂污水废料排放到水库使水库水质变坏，卫生条件变差，导致生活用水、灌溉用水受到污染，引发一些疾病。7有的水库会诱发（触发）地震。,1.库岸稳定问题 （）水库建成蓄水后，库岸自然条件发生急剧变化，使之处于新的环境和动力地质作用下表现为：原来处于干燥状态下的岩主体，在库水位变化范围内的部分因浸湿而经常处于饱和状态，其工程地质性质明显恶化f、c值下降。岸边遭受人工湖泊波浪的冲蚀淘刷作用，较原来河流的侵蚀冲刷作用更为强烈。,库水位经常变化，当水位快速下降时，原来被顶托而壅高的地下水来不及泄出，因而增加了岸坡岩土体的动水压力和自重
3、压力。因之，使得原来处于平衡状态下的斜坡，有一部分发生变形破坏，直至达到新的平衡状态为止。（）危害：库岸的变形破坏，危及滨库地带居民点和建筑物的安全，使滨库地带的农田遭到破坏，库岸的破坏物质又成为水库的淤积物、减小库容。近坝库岸大塌滑体的安然滑落激起的涌浪，还能危及大坝安全，并给坝下游带来灾难性后果。,(3)库岸失稳破坏的类型塌岸 在水库中库岸土石体在库水波浪及其他外动力作用下，失去平衡而产生逐步坍塌，库岸线不断后移而进行边岸再造，以达到新的平衡的现象和结果，称水库塌岸(或称水库边岸再造)。可见，水库塌岸是不同于岩土体崩塌和滑坡的一种特殊的破坏形式。这种现象主要发生于土质岸坡地段。 水库蓄水最
4、初几年内塌岸表现最为强烈，随后渐渐减弱，可以延续几年甚至十几年以上。因而，塌岸是一个长期缓慢的演变过程。最终塌岸破坏带的宽度可达几百米，如我国黄河三门峡库最大塌岸带宽度284m。,水库塌岸过程示意图,滑坡 库岸滑坡在大部分水库蓄水后都会发生，只是规模不同而已，它往往是岸坡蠕变的发展结果。按库岸滑坡发生的位置，可分为水上滑坡和水下滑坡，以及近坝滑坡和远坝滑坡。近坝的水上高速滑坡危害尤大。如意大利瓦依昂水库左岸1963年10月9日发生的超大型高速滑坡，举世震惊。我国湖南柘溪水库，在1959年的蓄水初期，大坝上游1.5km的塘岩光发生大滑坡，165万m3土石以25ms的速度滑入库中，激起高达21米的
5、涌浪，致使库水漫过尚未完工的坝顶泄向下游，损失巨大。,滑坡是库岸破坏的主要形式之一，由于危害较大，对山区水库来说，需重视研究近坝的库岸滑坡。我国的几座大型水坝，如龙羊峡和小浪底水库均存在此问题。岩崩 岩崩是峡谷型水库岩质库岸常见的破坏形式，它常发生在由坚硬岩体组成的高陡库岸地段。水库蓄水后，由于坡脚岩层软化或下部库岸的变形破坏，而引起上部库岸的岩体崩塌。,（）定义：水库蓄水后水位抬高，引起水库周围地下水壅高。当库岸比较低平，地面高程与水库正常高水位相差不大时，地下水位可能接近甚至高出地面，产生种种不良后果，称为水库浸没。 （）危害：浸没对滨库地区的工农业生产和居民生活危害甚大，它使农田沼泽化或
6、盐碱化；建筑物的地基强度降低甚至破坏，影响其稳定和正常使用；附近城镇居民无法居住，不得不采取排水措施或迁移他处。浸没区还能造成附近矿坑渗水，使采矿条件恶化。因此，浸没问题常常影响到水库正常高水位的选择，甚至影响到坝址的选择。,2.水库浸没问题,（）产生浸没的条件 浸没现象的产生，是各种因素综合作用的结果，包括地形、地质、水文气象、水库运行和人类活动等。依地形地质的因素而言，可能产生浸没的条件是： 受库水渗漏影响的邻谷和洼地，平原水库的坝下游和围堤外侧，特别是地形标高接近或低于原来河床的库岸地段，容易产生浸没。 岩土应具有一定的透水性能。基岩分布地区不易发生浸没。第四纪松散堆积物中的粘性土和粉砂
7、质土，由于毛细性较强，易发生没没；特别是胀缩性土和黄土类土，浸没的影响更为严重。,水库回水及浸没,不易发生浸没的地段是： 库岸为相对不透水岩土层组成或研究地段与库岸之间有相对不透水层阻隔。 研究地段与库岸间有经常水流的溪沟，其水位等于或高于正常蓄水位时。,水库岸边不会发生浸没的地质条件,.水库淤积问题,()淤积问题 水库为人工形成的静水域，河水流入水库后流速顿减，水流搬运能力下降，所挟带的泥砂就沉积下来，堆于库底，形成水库淤积。淤积的粗粒部分堆于上游，细粒部分堆于下游，随着时间的推延，淤积物逐渐向坝前推移。修建水库的河流若含有大量泥砂，则淤积问题将成为该水库的主要工程地质问题之一。有人对我国2
8、0座水库淤积状况作过统计，根据统计资料，在不到14年内，20座水库平均库容损失率为313，年平均损失率为226。,水库淤积虽然可起到天然铺盖以防止库水渗漏的良好作用，但是大量淤积物堆于库底，将减小有效库容，降低水库效益；水深变浅，妨碍航运和渔业，影响水电站运转。严重的淤积，将使水库在不长的时间内失去有效库容，缩短使用寿命。例如，美国科罗拉多河上一座大型水库，建成13年后便有95的库容被泥砂充填。日本有256座水库平均使用寿命仅53年；其中56座已淤库容的50，26座已淤库容的80。我国黄河干流上的三门峡水库，若不采取措施，几十年后将全部淤满。山陕高原上有一些小水库，建成一年后库容竟全部被泥砂淤
9、满。,淤积不仅缩短水库使用寿命，而且会给上下游防洪、灌溉、航运、排涝治碱、工程安全和生态平衡带来影响。 水库的兴建，极大地改变了原河流的水动力条件和河流地质作用，使其侵蚀、搬运和沉积作用发生了大幅度的变化，并在自我调整中取得新的动态平衡。其间，库内沉积作用加剧，将影响水库的寿命、航运(包括航道和港口)的通畅、库尾的洪水位等； 在坝下游，由于清水下泄，冲刷作用增强，底蚀显著，河道下切，河流变直，可导致部分河段岸坡稳定性下降，出现裂缝、坍塌等现象，河道还可能出现负比降，影响汛期行洪等。,（）水库淤积对环境的影响,水库的形成，实际上是改变了水库上游河流的侵蚀基准面,库坝区渗漏是指库水沿岩石孔隙、裂隙
10、、断层、溶洞等向库盆以外或通过坝基(肩)向下游渗漏水量的现象。水库的作用是蓄水兴利，在一定的地质条件下，水库蓄水期间及蓄水后会产生渗漏。对任何一座水库来说，在未采取有效的工程处理措施的情况下，如果存在严重的渗漏现象，将会直接影响到该水库的效益。而坝区的渗漏，在不少情况下往往导致坝基产生渗透变形，威胁到大坝的安全。 在工程设计中，一般都要求使水库的渗漏量小于该河流段平水期流量的1-3。,库坝区渗漏简介,1.库区渗漏的类型 （）暂时性渗漏 水库蓄水初期，由于库水位逐渐抬高，因湿润、饱和库水位以下岩土层的孔隙、裂隙和空洞，导致库水量损失。但库水不漏出库外，因此，水量损失是暂时的。 （）永久性渗漏 指
11、水库蓄水后，库水通过库岸或库盆底部的岩土体中的孔隙、裂隙、断层及溶隙、溶洞等渗漏通道，向库外邻谷、低地或远处低洼排水区不断渗水。,二、库区渗漏的地质条件分析,永久性渗漏，大多沿下列部位发生： （）通过库岸分水岭向邻谷或低地渗漏； （）坝下游河道是弯道，库水通过库岸向下游河道渗漏；库水通过库底向远处低洼排泄区渗漏。,库区永久渗漏方式,按渗漏通道的性质，一般可划分为以下几种类型： (1)孔隙渗漏型。库水主要通过第四纪松散土层发生渗漏，例如黄土、各种粒径的砂层及砾石等。这一类型的渗漏量主要取决于土层的孔隙率及空隙直径的大小和土层分布的范围。 (2)裂隙渗漏型。库水主要通过岩、土体内的裂隙进行渗漏，包
12、括可透水的各种原生裂隙、次生裂隙以及断层破碎带的裂隙。裂隙型渗漏量的大小取决于断层性质、规模、充填物及填胶程度及裂隙的张开度和密集程度等。 (3)溶洞渗漏型。喀斯特地区的水库，库水通过各种规模的溶洞发生渗漏。 除了以上三种基本类型外，尚有孔隙裂隙渗漏型和裂隙溶洞渗漏型等混合型渗漏。,.据渗漏通道划分的水库渗漏的类型,水库发生渗漏的条件主要有三个： 一是构成库盆的岩体是透水的，如果水库坐落在粘土岩地区，或库盆被厚层粘土所覆盖，这种水库基本上是不漏水的； 二是库外存在有比库水位低的排泄区； 三是库水位高于库岸的地下水位，库水才能向库外渗漏。由此可见，水库渗漏的发生主要与岩性和地质构造、地形及水文地
13、质条件有关。具备上述三个条件的水库，就可能发生渗漏。,3.水库渗漏条件分析,水库渗漏与不同的地貌单元密切相关。 如果库岸山体单薄，又有邻谷存在且下切较深，库水外渗的可能性就大。 若水库修建在基岩山区河谷急剧拐弯处，河湾之间的山脊有的地方可能会很狭窄，这样的地形条件，就有可能产生水库渗漏。 平原地区河谷一般切割较浅，库区与邻谷常相距很远，库水若要穿过河间地块向邻谷渗漏，一般是不容易的。但在河曲发育地段，河间地块比较单薄，则属可能产生渗漏的地形。,（）地形地貌条件,强透水层可以导致水库渗漏，隔水层的存在则可以起到防渗作用。能够起防渗作用的是微弱透水或基本不透水的岩层，如粘土类岩中的粘土岩、页岩和粘
14、土质沉积层，以及完整致密的各种坚硬岩层。如果库盆或水库周围有隔水层存在，就能够起挡水作用，使库水不致向库外渗漏。,（）岩性条件,基岩一般比较坚硬致密，孔隙率小。库水如果要通过基岩发生渗漏，主要取决于各种裂隙和溶洞的存在情况，以及沉积岩的层面充填情况。 在第四纪的松散沉积层中，对水库渗漏有重大意义的是未经胶结的砂砾(卵)石层，这些砂砾石、砾石、卵石层空隙大、透水性强，如果库区存在这些强透水层并沟通库区内外，就可以成为水库渗漏的通道。,某水库库区渗漏示意图,与水库渗漏有密切关系的地质构造，主要有断层破碎带或断层交汇带、裂隙密集带、背斜及向斜构造、岩层产状等。 断层的存在，特别是未胶结或胶结不完全的
15、断层破碎带，都是水库渗漏的主要通道。 背斜构造和向斜构造与水库渗漏的关系，主要应从两个方面来分析。一是背斜和向斜核部伴生的节理密集带或层间剪切带可能成为渗漏的通道；另一方面主要由透水层与隔水层相互配合和产状情况来决定。,（）地质构造,断层与水库渗漏的关系,库区的水文地质条件是水库能否发生渗漏的重要条件之一，尤其是库岸有无地下水分水岭，以及地下水分水岭的高程，对水库的渗漏具有决定性的意义。而地下水的某些特征，则可以用来直接判断库区渗漏问题。 根据地下水分水岭脊线的高程与水库正常高水位的关系，可判断水库是否有向邻谷渗漏的可能。此时有四种情况： A.建库前的地下水分水岭高于水库正常高水位，建库后一般
16、不会产生向邻谷渗漏，如图(a)所示。,B.建库前的地下水分水岭低于水库水位，则蓄水后将会向邻谷渗漏，如图(b)所示。 C.建库前地下水就从库区河谷流向邻谷，蓄水后水头更大，渗漏更严重，如图(c)所示。 D.建库前邻谷河水经地下流向库区河谷,邻谷水位低于建库后的库水位，建库后库水将向邻谷渗漏如图(d)所示。 有时，地下水分水岭虽略低于水库正常高水位，但由于蓄水后库水的顶托作用，地下水分水岭最后可能略高于库水位，库水不致外漏。在分水岭很宽厚、岩土体的透水性较小时，库水更不会外漏。,地下水分水岭与渗漏的关系,对于承压水(或建库后可能出现的承压水)。只要透水层穿过了分水岭，而其两端分别在库区和邻谷(或
17、低洼地)出露，且其出露高程均低于水库正常高水位，则库水就能沿透水层以承压水形式流向邻谷。 当建坝前库区有承压水露头时，只要泉水口高程超过水库正常高水位且其内部通道没有与低处泉水串通，则库水就不会沿该承压含水层漏走。若泉水口高程低于库水位，库水能否沿承压含水层漏走，则应根据承压水含水层的补给区和排泄区的具体情况确定。,（）岩溶库区渗漏分析 岩溶地区水库漏水问题的分析，关键是： A.查清该区地形、地层、岩性、构造和水文地质等情况； B.在以上基础上进一步查清岩溶发育程度和岩溶形态的延伸分布规律。 这里仅结合水库渗漏问题，进一步研究和补充。,岩溶渗漏通道按其规模可分： 大型的，如溶洞、暗河和落水洞等
18、； 中型的，如被溶蚀而加大了空隙的断层和大型溶隙； 小型的，如溶孔和小型溶隙等。 其中以第类渗漏规模最大，第类渗漏规模最小。三者往往互相串通。因此，从实际意义而言，查清岩溶渗漏通道主要是指查清、类通道而言。,水库岩溶渗漏基本条件判别,水库岩溶渗漏分级表,建坝河谷是地下水排泄区 在这种情况下应注意： A.水平循环带和谷底循环带是最易出现岩溶渗漏的位置。河床两岸地下水接近垂直方向流人河床的叫横向径流地段，平行河水流向的方向流人河床的叫纵向径流地段。纵向径流地段容易发育纵向的岩溶形态，成为库水外渗的通道。易出现的地段：a河流纵坡由平缓突变为较陡的地段，在这个转折点处易发育谷底的纵向岩溶形态；b河流的
19、凸岸，特别是河湾间或河曲间地段河岸，易发育岸边纵向岩溶形态。,B.河水面附近有明显的溶洞层时，回水后库水将沿溶洞倒灌。若该溶洞底板的高程比库水位高，则不会成为库水直接外漏的通道。此时，若溶洞在库水位高程以内，但最近邻谷(或邻谷的溶洞系统)间岩体很厚，岩溶不发育，透水性不大，则虽发生库水倒灌，但可能不会形成渗漏；若溶洞与邻谷(或邻谷的溶洞系统)间的岩体很薄，透水性很强，则可能形成大量渗漏。当然，若溶洞与邻谷的溶洞系统已经在库水位高程以下串通，则必将产生大量渗漏。,C.岩溶形态是地下水从补给区流向排泄区，沿岩体内各种结构面溶蚀而成的通道。 因此对穿越分水岭的断层破碎带、节理密集带、不整合面、褶皱轴
20、面等，应特别注意查清是否已形成岩溶渗漏通道。 D.多层岩溶地层与非岩溶地层交互地带的渗漏问题。在查清岩溶地层的透水性以后，可按一般沉积岩地区隔水层和透水层互层的分析原则，判断其漏水的可能性。,建库河谷是地下水补给区。此最为不利，易产生大量渗漏。当河谷是该区地下水补给区时，往往具有下述地形和水文地质特征，应特别注意库水外漏的问题。 A.盲谷：河谷突然中断处往往是地表水转入地下的人口位置，系水库蓄水后库水外漏的通道入口。 B.谷底落水洞：若谷底落水洞发育，修建水库，落水洞是库水外漏的通道入口。 C.谷底溶洞：谷底若有溶洞口是入水口，亦属大型渗漏通道。 当河谷是地下水补给区时，必须查清外漏通道，采取
21、有效措施，否则水库漏水是很难避免的。,大坝建成后，坝上游水位抬高，在上、下游水位差的作用下，库水可能通过坝基或坝肩岩层中的孔隙、裂隙、破碎带向下游渗漏。前者称为坝基渗漏，后者称为绕坝渗漏。 坝区渗漏形式分为均匀渗漏和集中渗漏两种。前者，如通过砂砾石层和基岩中较为均布的风化裂隙的渗漏；后者，如通过较大的断裂破碎带和各种岩溶通道的渗漏。,三、坝区渗漏条件分析,绕坝渗漏示意图,1.松散岩层的坝区渗漏条件 在松散岩层地区建坝，渗漏主要是通过透水性强的砂砾石层发生的。砂砾石层有的是现代河床沉积，有的是位于阶地之上，也有的是古河道沉积。古河道砂砾石沉积可以是埋藏在河岸一侧，也可以分布于阶地之上。有时砂砾石
22、层与不透水层成互层结构，对此，应给予充分注意。一般在河谷狭窄、谷坡高陡的坝区，砂砾石层仅分布于谷底，因此，坝区渗漏主要发生在坝基。而在宽谷区当谷坡上分布有多级阶地时，库水除沿坝基渗漏外，还可能发生绕坝渗漏。,2.裂隙岩层坝区的渗漏条件 在裂隙岩层分布区，由于岩层中各种结构面的透水能力的不同，以及河谷地貌和地质构造的差异，使建坝所导致的渗漏在不同地区或地段内有显著的不同。河谷地貌与地质结构条件对坝区渗漏有显著影响。,河谷平面形态与坝区渗漏的关系,四、岩层渗透性指标,表征岩层渗透性的指标有三个，即渗透系数(k)、单位吸水量(w)和透水率(q)。这三个指标是评价坝、库是否渗漏或估算渗漏量时的重要参数
23、，也是地基防渗处理设计的水文地质依据。1渗透系数(k) 法国水力学家达西曾通过大量的试验，发现地下水层流的渗透速度(v)与水力坡度(I)成正比，写成公式为:v=kI 式中：v为渗透速度（m/d）；I为水力坡度；k为渗透系数。,在生产实践中，多采用抽水试验确定岩体的渗透系数k值:,单位吸水量是在单位压力下每米试验段、每分钟压入岩层中的水量，以L/(minm104Pa)表示。它是在岩层中进行压水试验所测得的岩层渗透性指标。新的压水试验的成果为岩层透水率（，Lu）， Lu（吕荣）单位为：在l MPa的压力下，每米试验段的平均压人流量，以L min计，即：1 Lu等于在1 MPa的压力下，每米试段压人
24、的流量为1Lmin。试验要求试段长为5m左右，每个试段的试验时间为10min。1Lu一般相当于单位吸水量w值为001L(minm104Pa)时的渗透量。,2.单位吸水量（w）和透水率（）,压水试验示意图,渗透系数k值是代表整个降水漏斗较大范围内岩层的平均透水性。而透水率q值或单位吸水量w值，则是代表钻孔中某个试验段岩层的透水性。它代表的范围较小，但可说明岩层不同部位的渗透性和岩层渗透性的不均一程度。长期以来， w值被当作坝区防渗处理 帷幕灌浆设计的主要依据和质量鉴定标准，即 认为w值小于001或005时，就被视为不透 水层，不需进行防渗处理。据k值和q值对岩土渗透性的分级见表。,(一)灌浆帷幕
25、 通过钻孔向地下灌注水泥浆或其他浆液，填塞岩溶岩体中的渗漏通道，形成阻水帷幕，可以达到防渗的目的。 灌浆帷幕用于裂隙性岩溶渗漏具有显著的防渗效果。对规模不大的管道性岩溶渗漏采用填充性灌浆也有一定效果。 一般在坝基和坝肩部位都设置有灌浆帷幕，以防止绕坝渗漏。帷幕深度及向两岸的延伸范围则根据防渗处理范围确定。 坝基灌浆帷幕最好能深入基础的相对不透水层岩层中构成接地式帷幕，这是截断渗流比较彻底的办法。 帷幕灌浆压力、孔距、排距、排数等，根据壅水高度、建筑物特点、岩溶发育特点和灌浆试验结果确定。,五、防渗措施,当地基下面透水层深度不大时，常用截水墙防渗，这是一种比较可靠的防渗措施。防渗墙有粘土墙、混凝
26、土墙和大口径钻孔造孔回填混凝土等形式。 粘土截水墙多用于土坝基础，将透水层截断与心墙或斜墙相连接，要求截水墙应有足够的厚度和严格的反滤措施，以保护截水墙不致产生管涌和冲刷。 混凝土截水墙多用于截断岩石基础的表部透水带，如溶蚀带、岸坡风化带等。,（二）截水墙,(三)铺盖 在坝上游或水库的某一部分，以粘土层或钢筋混凝土板做成铺盖，覆盖漏水区，以防止渗漏。铺盖防渗主要适用于大面积的孔隙性或裂隙性渗漏。库底大面积渗漏，常用粘土铺盖，对于库岸斜坡地段的局部渗漏，用混凝土铺盖。为防止坝基、坝肩渗漏而设置的铺盖，最好使坝体与上游的隔水岩层相衔接，或将铺盖的范围扩大，把绕过铺盖的水流比降和流量控制在允许限度以
27、内。 一般情况下，铺盖工程应在蓄水前或水库放空以后施工，以保证质量。但有些情况下，用水中抛土方法形成铺盖，也可起到一定的防渗作用。,隔离就是在库岸基岩上修筑隔水围坝。范围不大的集中渗漏区，库水隔离可以减少水量损失。 导排则是将建筑物基础下及其周围承压水或泉水通过反滤设备的减压井、导管及排水沟(廊道)等将承压水引导至建筑物范围以外，以降低渗透压力。 减压井或其他排水设施一般在防渗帷幕后面和两岸山坡。,(四)隔离与导排,选择集中漏水的洞口用适当的建材堵塞，是防止岩溶通道渗漏的有效方法。对裸露基岩中的漏水洞，只要清除其充填物和洞壁的风化松软物质，然后用混凝土封堵，即可获得良好效果。在覆盖型岩溶河段，由于基岩中岩溶管道埋藏于覆盖层之下，要消除覆盖层，应找到基岩中岩溶管道的人口，加以封堵。如因覆盖层太厚，彻底清除确有困难，也应尽可能深挖扩大，清除其中的松软物质，然后加以堵塞。一般的堵洞结构是下部做反滤层，上部以混凝土封堵，再以粘土回填。,（五）堵洞（适用于岩溶地去渗漏处理）,岩溶水库坝址主要防渗措施表（1）,岩溶水库坝址主要防渗措施表（2）,
