何 鵬 陳健康 王 東 朱曉凡

(四川大學(xué) a.水利水電工程學(xué)院,b.分析測(cè)試中心,成都 610065)

1 概述

寶珠寺水電站自1996年10月下閘蓄水至今的運(yùn)行過程中,發(fā)現(xiàn)在許多壩基排水孔和排水溝內(nèi)出現(xiàn)異常析出物質(zhì),這些析出物尤其集中出現(xiàn)在16#壩段基礎(chǔ)廊道和右岸7#、9#、11#排水隧洞中,而且在這些洞段的部分排水管滲水中帶有的析出物隨運(yùn)行時(shí)間無(wú)明顯減弱趨勢(shì)。根據(jù)四川大學(xué)水電學(xué)院所做的析出物采樣研究結(jié)果,寶珠寺水電站基礎(chǔ)廊道析出物總體上可分為有機(jī)質(zhì)析出物、鈣質(zhì)析出物和鐵錳質(zhì)析出物3大類(圖1)。

析出物中的鈣質(zhì),一種可能是直接來(lái)自于上游庫(kù)水,第二種則可能是壩基滲透庫(kù)水對(duì)主要滲透通道——壩基巖體中的裂隙或斷層帶中的可溶鈣質(zhì)或壩基灌漿帷幕中的鈣質(zhì)產(chǎn)生了化學(xué)潛(溶)蝕作用的結(jié)果。若是后一種原因,則預(yù)示著壩基巖體中的結(jié)構(gòu)面以及灌漿帷幕處于不斷發(fā)生滲透變形的狀態(tài),這對(duì)壩基巖體的穩(wěn)定將極為不利。

圖1 主要析出物Fig.1 M ain types of sludges

為此,本課題組于2002～2007年對(duì)寶珠寺水電站大壩基礎(chǔ)廊道析出物進(jìn)行了分析與連續(xù)觀察工作,研究范圍及內(nèi)容為對(duì)大壩 7#、9#、11#排水洞及16#壩段基礎(chǔ)廊道析出物、庫(kù)水及典型排水管滲水現(xiàn)場(chǎng)取樣,通過室內(nèi)物理化學(xué)試驗(yàn),分析析出物的礦化成分及其成因,對(duì)壩基揚(yáng)壓力、滲流水量監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行歷時(shí)分析,研究其可能對(duì)大壩及壩基產(chǎn)生的影響。

2 壩基滲水通道及其對(duì)庫(kù)水滲漏的控制

2.1 壩基滲水通道

根據(jù)水樣同位素分析結(jié)果,壩基排水廊道中排水孔的排出水主要來(lái)自于庫(kù)水。

壩區(qū)的鈣質(zhì)、鈣硅質(zhì)、泥質(zhì)粉砂巖以及頁(yè)巖在結(jié)構(gòu)特征上均具有致密隔水的特點(diǎn),尤其是頁(yè)巖,更是天然的地下隔水層。由圖2可見,巖層走向與壩軸線方向小角度(約 30°)相交,因此,壩址區(qū)基本為橫向河谷,不利于庫(kù)水沿巖層接觸面或?qū)娱g軟弱夾層發(fā)生繞壩及壩基滲漏。加之含水層、隔水層相間分布,若不考慮斷裂構(gòu)造因素,本工程壩區(qū)巖基應(yīng)具有良好的天然隔水性能。

圖2所示壩區(qū)內(nèi)主要發(fā)育5組斷層:分別為NEE 向(F10、F2、 F12、F7)、NE 向(F4)、NNE 向(F21、F6' 、F4')、NW 向(F60、F11)、NWW 向(F5、F42),其共同特征是帶內(nèi)含有塊狀巖、碎塊巖、角礫巖、斷層泥;除NWW 向組規(guī)模較小外,其余各組規(guī)模較大;除NE向組為壓扭性外,其余均具有張性特征。

圖2 壩區(qū)構(gòu)造示意圖Fig.2 The sketch map of geological structures at the dam site

F60屬 NW 向組,結(jié)構(gòu)面寬 120～130 cm,貫穿大壩上、下游巖基,走向 NW315°,傾向NE,傾角42°,破碎帶由擠壓緊密的塊狀巖、碎裂巖、片狀構(gòu)造巖、糜棱巖組成,鈣質(zhì)膠結(jié)較差;F11逆斷層為與F60同方向的斜列斷層,向上游延伸過壩線,向下游至19#壩段丙塊與F60交匯,走向NW302°～ 315°,傾向 NE,傾角 40°～48°,局部?jī)A角 25°,破碎帶寬10～30 cm。NE、NEE、NWW 向組斷層走向與壩軸線平行或小角度相交,單獨(dú)存在時(shí)均不利于繞壩或壩基滲漏。但由于與NW向組F60等斷層相互交切,連通后庫(kù)水仍可由F60進(jìn)入F4、F7、F12等斷層內(nèi)。

據(jù)施工前勘察,壩區(qū)基巖地下水屬裂隙性潛水,地下水主要賦存在斷層破碎帶、斷層影響帶、層間錯(cuò)動(dòng)裂隙帶及其交匯帶內(nèi)。壩基多數(shù)部位灌漿前壓水試驗(yàn)測(cè)得的單位吸水量 ω值多小于0.01;而在斷層部位與局部夾層地段ω值則明顯增大。

根據(jù)以上對(duì)壩區(qū)巖層、構(gòu)造的水文地質(zhì)條件的分析,以及排水孔排水量和斷裂構(gòu)造間具有顯著相關(guān)性的特點(diǎn),表明在建壩蓄水后,盡管各方面條件均有不同程度的變化,但壩基巖體中地下水以裂隙性地下水為主的水文地質(zhì)特征并未改變。庫(kù)水的滲漏仍以斷層帶為主通道,庫(kù)水的滲漏仍在斷層、裂隙、軟弱夾層相互切割所構(gòu)成的水力網(wǎng)中進(jìn)行。

首先,較大規(guī)模的NW向順河方向斷層F60、F11構(gòu)成了庫(kù)水橫穿壩軸線由壩上游滲漏至下游的縱向主干通道;而NE、NEE、NWW 向組斷層(如 F4、F7、F2等)以及 NE 向的軟弱夾層,在與F60、F11等縱向滲漏通道交切后,滲漏庫(kù)水則可由縱向主干通道連通至這些與壩軸線平行或小角度相交的結(jié)構(gòu)面中作橫向滲漏運(yùn)移。因此,NE、NEE、NWW向組斷層和NE向軟弱夾層構(gòu)成了庫(kù)水在壩基下的橫向滲漏通道?？v、橫兩向滲漏通道共同控制了本工程壩基巖體中庫(kù)水的滲流。

2.2 壩基巖體滲流量控制因素

根據(jù)排水孔2000～2006年的觀察記錄繪制的排水孔排水量與庫(kù)水位的歷時(shí)曲線圖分析,排水孔排水量與庫(kù)水位均呈正相關(guān)性,即隨著庫(kù)水位的增高,排水量也隨之增大。聯(lián)系到滲流水水源分析結(jié)果,這種相關(guān)性顯然是符合其來(lái)源特征的。

但同時(shí)也注意到,各孔排水量與庫(kù)水位的關(guān)聯(lián)程度是不一樣的,這種關(guān)聯(lián)性大小的變化具有如下特征:

a.穿過較大斷裂構(gòu)造的排水孔,其關(guān)聯(lián)程度明顯高于其他孔(如編號(hào)為11DP29的排水孔)。

b.同一排水廊道中,與主干斷層鄰近的孔的排水量與庫(kù)水位間的相關(guān)性強(qiáng)于遠(yuǎn)離主干斷層的排水孔(如編號(hào)為11DP29、11DP30的排水孔)。

c.同一排水廊道中,主干斷層上盤的排水孔排水量與庫(kù)水位的相關(guān)性強(qiáng)于下盤的排水孔(如編號(hào)為11DP29、11DP30的排水孔相關(guān)性強(qiáng)于11DP31排水孔)。

由此可見,排水孔排水量除與庫(kù)水位相關(guān)外,在很大程度上還受到壩基巖體中斷裂構(gòu)造的影響,壩基滲流地下水顯示出較強(qiáng)的裂隙型地下水特征。

3 鈣質(zhì)析出物及其成因

3.1 鈣質(zhì)析出物的分布特征

寶珠寺水電站廊道鈣質(zhì)析出物主要出現(xiàn)在右岸排水廊道的排水孔口及洞壁,特別是在9#洞的9DP35孔～9DP62孔洞段,洞室頂拱、側(cè)壁混凝土噴護(hù)層上有大量的CaCO3白色晶體生長(zhǎng)。

排水廊道中鈣質(zhì)析出物沉淀量的多少與所在位置的滲流水流量、流速有關(guān),而流量、流速在本研究環(huán)境中又受控于滲流主通道——巖體中的有利于滲流的斷層、軟弱結(jié)構(gòu)面、裂隙(縫)的發(fā)育情況。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察,排水孔出現(xiàn)了與壩區(qū)巖基中主要結(jié)構(gòu)面的廊道及其相應(yīng)洞段,一般有大量的H2S氣體釋出。如11#洞的排水孔鉆遇了壩址區(qū)主斷層F4、F13,該洞段內(nèi)即有濃烈的H2S氣味。反之,鈣質(zhì)析出物一般大量出現(xiàn)于遠(yuǎn)離庫(kù)水滲流主通道,或巖層中本身裂隙(縫)較不發(fā)育的洞段,如9#洞9DP35孔～9DP62孔段,則形成了有大量的洞頂、側(cè)壁鈣質(zhì)析出物產(chǎn)出的現(xiàn)象。

3.2 鈣質(zhì)析出物的成因分析

3.2.1 現(xiàn)階段壩基巖體及防滲帷幕發(fā)生分解類腐蝕可能性分析

地下水中含有CO2和HCO-3,與被溶物中的CaCO3形成以下的可逆反應(yīng):

在上述可逆反應(yīng)中,當(dāng)?shù)叵滤蠧O2的含量超過平衡時(shí)所需數(shù)量時(shí),混凝土或巖體結(jié)構(gòu)面上的CaCO3就被溶解而受腐蝕。不發(fā)生此型腐蝕的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為水中侵蝕性CO2的含量在直接臨水或與強(qiáng)透水巖土層接觸情況下為＜15 mg/L,在與弱透水土層接觸時(shí)為＜30 mg/L。

通常,地下水中CO2的來(lái)源有2個(gè),其一是一部分空氣中的CO2溶解于其中,其二是生物化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。但在所討論的環(huán)境下,根據(jù)水樣所作的水質(zhì)分析結(jié)果表明,各環(huán)境狀態(tài)下(壩前不同水位、壩后、排水孔出口、集水溝等)的水樣中均未檢出侵蝕性CO2(表1)。由此可見,就本工程來(lái)講,庫(kù)水、滲流水對(duì)滲流途徑上的鈣質(zhì)(包括主滲流通道結(jié)構(gòu)面、灌漿帷幕等)基本不存在產(chǎn)生溶蝕作用的條件。因此,鈣質(zhì)析出物的溶蝕成因在此很難成立。

3.2.2 排水廊道鈣質(zhì)析出物的脫硫酸成因

a.水庫(kù)底層水的脫硫酸反應(yīng)

在所采集的排水孔水樣中,經(jīng)測(cè)試,11#排水洞中的 11-A3、11DP25以及 11DP29樣中的SO2-4含量顯示較其他庫(kù)水、排水孔水樣偏低(表1);同時(shí),在這3個(gè)取樣點(diǎn)所在洞段有濃烈的H2S氣味。據(jù)錢會(huì)等的研究[3],地下水中出現(xiàn)硫化氫,說(shuō)明其處于缺氧的還原環(huán)境。在與大氣較為隔絕的環(huán)境中,當(dāng)有有機(jī)質(zhì)存在時(shí),由于微生物的作用,SO2-4將還原生成H2S:

上述反應(yīng)稱為脫硫酸作用,其結(jié)果是使地下水中SO2-4減少甚至消失,而HCO-3增加,pH值變大。

11#排水洞中析出水樣的檢測(cè)結(jié)果表明(表1),上述指標(biāo)確實(shí)發(fā)生了類似的變化,說(shuō)明正是由于脫硫酸作用促使?jié)B流水釋放出了H2S氣體。

根據(jù)已建成的其他水電站有機(jī)質(zhì)析出物的來(lái)源分析成果,普遍認(rèn)為壩基有機(jī)質(zhì)析出物主要是由庫(kù)周邊有機(jī)質(zhì)隨水流進(jìn)入庫(kù)內(nèi),或庫(kù)水養(yǎng)殖業(yè)的餌料及養(yǎng)殖物的排泄物,或施工中遺留的木質(zhì)物及混凝土中的粉煤灰所提供。庫(kù)水水體交換很緩慢,使有機(jī)質(zhì)得以在庫(kù)底富集,由滲流水?dāng)y帶至

排水孔及地表,由于氧化還原環(huán)境和水動(dòng)力環(huán)境的改變,形成了有機(jī)質(zhì)的沉積物。在所取43個(gè)析出物樣中,其中的8個(gè)析出物樣具有較高的有機(jī)質(zhì)含量(表2)。因此,促成反應(yīng)(2)發(fā)生的條件在此具備。

表1 水樣檢測(cè)結(jié)果Table 1 Detected results of water samples

b.脫硫酸產(chǎn)物H2S的釋放特征

當(dāng)庫(kù)水通過壩基巖體中的各種滲透通道到達(dá)排水孔后,由于壓力的降低,反應(yīng)(2)所形成的H2S便會(huì)釋出。若排水孔穿過了主要的滲水通道,如較大的斷層、裂隙發(fā)育帶等,則由于有較大量的滲流水而相應(yīng)地釋放出更多的H2S氣體,11#洞中有濃烈H2S氣味的原因就在于此。反之,遠(yuǎn)離滲流水主要滲流通道,或巖層中本身裂隙(縫)較不發(fā)育的洞段,如9#洞9DP35孔～9DP62孔段,地下水的滲流緩慢,滲水量小,則 H2S氣體釋出量低,在這些洞段就基本嗅不出H2S氣體異味。

c.鈣質(zhì)析出物的形成與脫硫酸作用的關(guān)系

在反應(yīng)(2)中,脫硫酸作用產(chǎn)物HCO-3的生成,使得滲流庫(kù)水中HCO-3的濃度顯著增加。

當(dāng)這部分滲流水以較慢速度滲出巖壁、孔口后,由于壓力降低,其中的部分CO2釋出,同時(shí)還可能導(dǎo)致滲流水中的HCO-3濃度達(dá)到甚至超過較低壓力狀態(tài)時(shí)的飽和度,于是促成反應(yīng)(1)向CaCO3固體的形成方向進(jìn)行,在相應(yīng)洞段即形成了有大量的洞頂、側(cè)壁鈣質(zhì)析出物產(chǎn)出的現(xiàn)象(9#洞的9DP35孔～9DP62孔洞段)。而在滲流水高流量、高流速洞段,無(wú)充分的時(shí)間使CaCO3固體析出,因此,大量而集中的鈣質(zhì)析出物不易見到(如11#洞段)。

4 結(jié)論

通過對(duì)所取43組析出物樣、46組水樣以及9組巖樣室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)分析與研究表明,在本工程的環(huán)境條件下,鈣質(zhì)析出物中的鈣質(zhì)不是庫(kù)水對(duì)壩基巖體結(jié)構(gòu)面或灌漿帷幕溶蝕作用的結(jié)果,或壩基防滲帷幕溶蝕作用的結(jié)果,而是在庫(kù)底及壩基巖體相對(duì)封閉的特殊環(huán)境中由于脫硫酸作用促使HCO-3濃度升高而引發(fā)的滲流水中所含鈣質(zhì)的析出,因此,這類析出物的形成對(duì)壩基的穩(wěn)定沒有影響。相應(yīng)洞段水樣測(cè)試結(jié)果中SO2-4、Ca2+的顯著降低(表1),HCO-3的顯著增高,即說(shuō)明了鈣質(zhì)析出物的脫硫酸成因機(jī)制是成立的。

同時(shí),電站投入運(yùn)行后若干年來(lái)的壩基揚(yáng)壓力檢測(cè)結(jié)果表明,大壩河床諸壩段滲壓系數(shù)α值均小于設(shè)計(jì)值0.2;就其歷時(shí)變化而言,均無(wú)明顯的周期特征,帷幕運(yùn)行正常,排水減壓效果明顯。這進(jìn)一步地表明了壩基以及灌漿帷幕中沒有或基本沒有發(fā)生滲透變形,鈣質(zhì)析出物的排出未損壞防滲帷幕體。

表2 析出物化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果Table 2 Detected results of the chemical compositions of the sludges

經(jīng)過多年的觀察,析出物的質(zhì)、單位時(shí)間段的形成量均無(wú)變化。據(jù)觀測(cè)資料,壩基揚(yáng)壓力的變化也在正常范圍之內(nèi),表明壩基帷幕的工作狀態(tài)正常,也從一個(gè)側(cè)面證實(shí)了鈣質(zhì)析出物的非溶蝕的成因結(jié)論。

[1]水質(zhì)分析實(shí)務(wù)手冊(cè)(第一冊(cè),第四冊(cè))[S].北京:科學(xué)出版社,2000.

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