孫利軍， 宋文搏， 徐鐵錚

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 咸陽 712000)

1 工程概況

石溝水庫工程位于寶雞市太白縣境內(nèi)，地處秦嶺山脈腹地，屬秦嶺中山區(qū)。水庫大壩為自密式砼壩，壩高約61 m，正常蓄水位1 703.50 m，總庫容190萬m3。水庫功能以城鎮(zhèn)供水為主，工程等別為Ⅳ等工程。

工程區(qū)大地構(gòu)造地處秦嶺褶皺系北秦嶺加里東褶皺帶西端，挾持于油坊溝—皇臺深斷裂與唐藏—商南深斷裂之間。在長期區(qū)域南北向壓應(yīng)力作用下，形成了東西向褶皺和逆沖斷裂相間分布的總體構(gòu)造格局，并在此基礎(chǔ)上疊加了一系列NE向、NW向逆沖斷裂和SN向正斷層；后期在南北向引張拉力作用下，斷裂構(gòu)造復(fù)活，幾乎所有的斷裂均表現(xiàn)為張性正斷裂活動，主要斷裂構(gòu)造以近東西向和近北東為主，形成了太白地塹式斷陷盆地及巨厚的第三系和第四系沉積層，基底地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜。本工程位于太白盆地南緣，形成水庫庫壩區(qū)的巖性均為單一的中生代燕山期花崗巖，且無斷層構(gòu)造發(fā)育。壩址區(qū)為峽谷地形，基巖裸露，形成岸體花崗巖相對高差達(dá)近百米，左岸陡立，右岸略緩，巖體呈片麻狀構(gòu)造。

本工程在進(jìn)行初步設(shè)計階段地質(zhì)勘察過程中，渾厚的花崗巖壩基鉆孔深部出現(xiàn)水位突然降落、壓水試驗不起壓及孔內(nèi)大泵量注水無明顯水位上升等現(xiàn)象，而且此現(xiàn)象是否帶有普遍性即蓄水區(qū)是否同樣發(fā)育，在當(dāng)時情況下難以合理解釋，且該水文地質(zhì)現(xiàn)象直接影響庫壩方案是否成立。因此工程急需研究其空間分布范圍、發(fā)育特征、形成原因和對水庫及壩基的影響程度，分析其是否需要進(jìn)行專門防滲處理也是迫切的。

2 強(qiáng)透水巖層的分布與發(fā)育特征

針對此地質(zhì)問題，除庫壩區(qū)布置鉆孔勘探外，同時進(jìn)行全孔段彩色影像分析探查,并結(jié)合水文地質(zhì)測試[1]，其分布、形成及空間發(fā)育特征如下。

2.1 分布范圍

壩區(qū)范圍內(nèi)布置鉆孔5個(圖1)。其中壩址上游200 m處河床鉆孔(ZK4)未發(fā)現(xiàn)強(qiáng)透水含水巖層。左岸邊鉆孔(ZK5)終孔水位有小幅降落(低于河水位約8.0 m左右)，說明探及強(qiáng)透水層邊緣。右岸邊坡較高，完整基巖厚度大，鉆孔(ZK2)未探及強(qiáng)透水巖層分布高程范圍，河床及下游(ZK1、ZK3)鉆孔均探明存在強(qiáng)透水巖層。以上現(xiàn)象說明強(qiáng)透水層向右岸延伸范圍不會太大，但向下游延伸較遠(yuǎn)，不波及大范圍的蓄水庫區(qū)。

2.2 強(qiáng)透水巖層形成機(jī)理分析

上述強(qiáng)透水巖層經(jīng)過勘察，最大的特征是具有深埋特點(diǎn)，其次并非斷層性質(zhì)。透水的原因是巖體中發(fā)育張性緩傾角裂隙，當(dāng)垂向構(gòu)造(包括鉆孔)與之相通時才可能發(fā)生強(qiáng)漏水現(xiàn)象。

圖1 勘探點(diǎn)平面布置示意圖
Fig.1 Plan layout of exploration points

受此地質(zhì)現(xiàn)象啟發(fā)，結(jié)合工程區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育跡象，此種強(qiáng)透水巖層的發(fā)育是受控于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響。由于太白盆地長期受區(qū)域南北向壓應(yīng)力作用，盆地南部山脈堅硬的片麻狀黑云母花崗巖受應(yīng)力作用，沿近似片麻理方向形成一組剪性緩傾角構(gòu)造裂隙，隨著長期壓應(yīng)力作用的影響，該緩傾角裂隙部分由最初的閉合狀呈現(xiàn)出張裂性質(zhì)(如圖2-a)，甚至局部呈充填較差的空腔式，在透水特性上由差變強(qiáng)。這也是庫壩區(qū)部分緩傾角剪性裂隙易呈現(xiàn)出張裂性質(zhì)(照片1)的原因之一，該組裂隙發(fā)育規(guī)模較大，延伸較遠(yuǎn)，透水性較強(qiáng)。后期本區(qū)又受區(qū)域南北向引張拉力的作用，也就是喜馬拉雅運(yùn)動產(chǎn)生的引張分裂作用，加劇斷層活動，南部山體進(jìn)一步抬升，受抬升作用的影響，盆地南側(cè)山脈巖體形成了一系列較為常見的走向NE、NW向兩組高傾角剪、張性構(gòu)造裂隙，裂隙發(fā)育長度較大，貫穿性強(qiáng)，是庫壩區(qū)主要發(fā)育的兩組高傾角裂隙。同時，在這種垂直運(yùn)動力作用下，前述部分延伸長度較大的緩傾角裂隙被拉裂張開(圖2-b)，形成了少量產(chǎn)狀平緩、延伸較遠(yuǎn)、張開度較大裂隙，這便是庫壩區(qū)部分緩傾角剪性裂隙呈現(xiàn)出張裂性質(zhì)的另一原因。這種張開的緩傾角裂隙與前述兩組高傾角裂隙相互切割的組合形式便形成了壩基深埋強(qiáng)透水巖層。

圖2 裂隙面破壞機(jī)理示意圖
Fig.2 Schematic diagram of fracture surface failure mechanism

照片1 庫壩區(qū)高、緩傾角裂隙發(fā)育特征
Photo 1 Development characteristics of high andlow angle fissures in reservoir dam area

當(dāng)然，這種深埋強(qiáng)透水巖層的形成亦可能有其它因素的影響，但主因一定是受水平和垂直方向的構(gòu)造應(yīng)力控制的，而且這種構(gòu)造裂隙距應(yīng)力中心(斷層)越近，張開度越大，反之，影響越小[2]。

2.3 空間發(fā)育及特性分析

勘探巖芯及彩色影像顯示，庫盆以下巖體裂隙較為發(fā)育，但裂隙面多結(jié)合較好，巖體相對較為完整，局部完整性較差。其中順河方向河床ZK1、ZK3鉆孔深度10 m左右以上巖體裂隙較為發(fā)育，高傾角與緩傾角裂隙相互切割，部分段巖芯呈碎塊狀，孔壁影像顯示呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，巖體屬中等—強(qiáng)透水性。隨后深度至35～41 m段巖體發(fā)育裂隙以高傾角為主，規(guī)模相對小，且多呈閉合狀，連通性差，巖體為弱透水性。當(dāng)鉆孔深度分別達(dá)到41.5 m和46.6 m時，孔內(nèi)鉆進(jìn)回水突然消失。同時，兩鉆孔在上述深度附近段壓水試驗均出現(xiàn)不起壓、漏水量大現(xiàn)象(流量達(dá)到約21.6 L～53.7 L/min)。后采用大泵量孔內(nèi)注水，水位無明顯上升。另外，結(jié)合巖芯編錄及孔壁影像資料均發(fā)現(xiàn)ZK1鉆孔內(nèi)發(fā)育兩條張性緩傾角裂隙，規(guī)模較大，其中在42.4 m產(chǎn)狀為330°∠14°，張開寬度90 mm，無充填；在42.7 m產(chǎn)狀為13°∠23°，張開寬度50 mm，無充填(照片2)。ZK3鉆孔深度45～52 m段巖體發(fā)育多條緩傾角裂隙，同時被幾條高傾角裂隙切穿(照片3)，規(guī)模不等，寬度較大，多張開，巖體極破碎，部分充填巖硝，充填物為灰白色泥質(zhì)狀、混雜巖硝。從52 m以下段微風(fēng)化巖體節(jié)理、裂隙不發(fā)育，裂隙規(guī)模普遍小，巖體屬弱—微透水性。

為進(jìn)一步驗證該強(qiáng)透水巖層的充填性及滲透性?？辈炱陂g在ZK1及ZK3之間進(jìn)行聯(lián)通試驗，試驗結(jié)果表明，兩孔之間連通性良好，且從ZK3孔內(nèi)裂隙充填物顏色(灰白色)及巖性(泥質(zhì)狀巖硝)判斷，其并非地表水流帶入地下物質(zhì)。鉆孔注水及壓水試驗綜合分析計算，強(qiáng)透水巖層滲透系數(shù)K=80 m/d，透水性極強(qiáng)。據(jù)水位觀測資料，降雨后深部強(qiáng)透水層地下水位變幅小，并存在滯后現(xiàn)象，即當(dāng)降雨后第2 d水位有所上升，但上升幅度一般在0.2～0.5 m。說明其地下水位的升降基本不受降雨影響。

照片2 孔壁緩傾角裂隙影像
Photo 2 Fracture image of slow inclination of hole wall

照片3 孔壁裂隙組合影像
Photo 3 Composite image of hole wall fracture

綜上所述，水庫強(qiáng)透水層形成機(jī)理分析及勘探試驗成果表明，深埋強(qiáng)透水層具有如下地質(zhì)特征：壩基強(qiáng)透水巖層僅分布于壩址區(qū)及以下河谷范圍段附近。位于河床下約41～52 m深度范圍內(nèi)，上部相對隔水巖層厚度25～30 m，具深埋性，屬寬張性緩傾角裂隙，其產(chǎn)狀影響其向深部延伸。分析其形成原因是張性高、緩傾角裂隙相互切割形成的滲漏通道，而非斷層，故其發(fā)育范圍有限，屬未充滿水流的裂縫式空腔，不具承壓性質(zhì)(1)孫利軍、王普軍，陜西省太白縣石溝水庫工程地質(zhì)勘察，陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院，2015年。。強(qiáng)透水層與地表水連通性差。

3 強(qiáng)透水層對水庫工程的影響分析

3.1 對成庫條件的影響

地下水的運(yùn)動是在一定的通道內(nèi)，沿某個方向的運(yùn)移。地下水運(yùn)移通道主要受構(gòu)造及巖性條件控制，而運(yùn)移方向則主要受地下水力比降影響。通常條件下比降越大，流速越快，流量也越大，當(dāng)然這也與通道的通暢條件有很大關(guān)系。根據(jù)太白盆地及其邊沿地帶的區(qū)域水文地質(zhì)及構(gòu)造特征，工程區(qū)地下水流向與地表水流向基本一致，均向盆地中心排泄[3]。

水庫滲漏的形成必有其滲漏通道、滲漏點(diǎn)以及排泄區(qū)。滲漏點(diǎn)是產(chǎn)生滲漏的基本條件，滲漏通道決定著滲漏量大小，而排泄區(qū)通暢與否又是決定滲漏能否形成的關(guān)鍵。

(1) 滲漏水流集中排泄部位分析。庫壩區(qū)強(qiáng)透水層的可能排泄部位有兩處：一處為太白盆地上部堆積的強(qiáng)透水、粗粒漂(碎)石類地層；另一處為引紅濟(jì)石工程輸水隧洞。

根據(jù)壩區(qū)下部巖體厚度、完整程度、透水性及地下水類型分析(2)劉登貴、馮志榮，陜西引紅濟(jì)石調(diào)水工程地質(zhì)勘察，陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院，2006年。(見圖3)，庫水不可能沿強(qiáng)透水層向引紅濟(jì)石輸水隧洞內(nèi)排泄。

圖3 隧洞施工降水漏斗示意圖
Fig.3 Schematic diagram of tunnel construction dewatering funnel

結(jié)合圖4可以看出：石溝水庫庫壩區(qū)為片麻狀黑云母花崗巖，在下游溝口底部及兩側(cè)附近為中元古界秦嶺群大理巖，兩種巖性接觸帶附近斷裂構(gòu)造發(fā)育。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用，庫壩區(qū)片麻狀黑云母花崗巖內(nèi)近似沿片麻理方向形成裂隙性通道(傾角14°～28°)，一般伸向盆地，比降不太大。其中壩址區(qū)強(qiáng)透水層底板高程約1 598 m，盆地上部堆積強(qiáng)透水漂(碎)石類地層溝口處底板高程約1 568.6 m，二者相差約30 m，比降約5%，與該段河床比降接近。

因此，無論從該強(qiáng)透水層的發(fā)育高程、地層巖性及其性質(zhì)分析，其內(nèi)水流排泄于太白盆地上部堆積的強(qiáng)透水漂(碎)石地層內(nèi)的可能性最大。

(2) 強(qiáng)透水巖層對水庫滲漏安全影響分析。由前文可知，壩區(qū)深埋強(qiáng)透水層滲漏形式是垂向裂隙誘導(dǎo)，緩傾角裂隙為運(yùn)移通道。根據(jù)庫壩區(qū)構(gòu)造發(fā)育特征，工程區(qū)內(nèi)可能形成垂向誘導(dǎo)的有走向NE、NW的兩組裂隙，均為高傾角，且一般規(guī)模較大。在河床附近該兩組高傾角裂隙一般結(jié)合相對較好(如照片4)，河床以上隨著高程的增加和自重應(yīng)力等的影響，裂隙面存在拉張現(xiàn)象，但越向山體內(nèi)部巖體完整程度越好。也就是說，這種不利現(xiàn)象僅產(chǎn)生在庫壩區(qū)兩岸淺表部巖體內(nèi)，其透水性隨著高程的降低(或深度加深)明顯變差。庫壩區(qū)鉆孔壓水試驗資料亦反映出該特點(diǎn)(見表1)。

圖4 庫壩區(qū)滲漏特征分析簡圖
Fig.4 Diagram of leakage characteristics analysis in reservoir dam
1.第四系風(fēng)、坡積物；2.中更新統(tǒng)冰磧物；3.下更新統(tǒng)冰磧物；4.下更新統(tǒng)湖積物；5.第三系粘土巖；6.中亞群大理巖；7.燕山期花崗巖；8.地下水沿緩傾角裂隙運(yùn)移方向。

照片4 高低角裂隙結(jié)合特征
Photo 4 Combination characteristics of high and low angle fractares

由此可以看出：河床以下強(qiáng)透水層上部的相對隔水巖體透水性微弱，隔水效果較好；壩區(qū)近垂直發(fā)育的兩組優(yōu)勢高傾角裂隙越向兩岸及河床深部裂隙面結(jié)合越好，其透水性越差，隔水效果也越好。也就是說，壩基(肩)下強(qiáng)透水層上部巖體不管從厚度或透水性來講，均可作為相對隔水巖層，透水率亦可滿足壩基常規(guī)防滲要求。

表1 鉆孔壓水試驗成果統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of drilling water pressure test results

綜合分析認(rèn)為，壩區(qū)深部強(qiáng)透水巖層透水性極強(qiáng)，但與上部河谷連通性較差，筆者認(rèn)為天然狀態(tài)下(不破壞其上相對隔水巖層)基本不存在滲漏水問題，不會影響水庫蓄水功能的發(fā)揮。但隨著高程的增加，受構(gòu)造及重力作用的影響，庫壩區(qū)高、緩傾角裂隙及其組合的形式、規(guī)模及組合形態(tài)也有所不同，不能斷然排除庫壩區(qū)存在連通性相對較好的大裂隙可能。但即使存在這種裂隙式滲漏通道，其僅可能發(fā)生在庫岸淺表部巖體內(nèi)，中部巖體透水性微弱，能向深部強(qiáng)透水層運(yùn)移的水量很有限，所以，在壩址區(qū)做好對其防滲后，水庫安全足以得到有效保證。

3.2 對建壩條件的影響分析

工程區(qū)為峽谷地形，硬質(zhì)巖區(qū)，壩址區(qū)無斷層發(fā)育。根據(jù)壩基深埋強(qiáng)透水層發(fā)育特征，首先，壩基深部強(qiáng)透水層空間展布連續(xù)性較差，分布范圍有限，屬局部現(xiàn)象，分析多位于壩區(qū)河谷下部。其次，巖體深部強(qiáng)透水層是緩傾角的寬大裂隙所致，而非斷層。另外，兩層地下水之間存在相對不透水層，弱透水巖體厚度達(dá)25～30 m。由于鉆進(jìn)過程中回水突然消失，說明上下兩層地下水聯(lián)系不緊密，裂隙連通性差。地下水運(yùn)移形式主要沿高、緩傾角裂隙相互切割形成的裂隙通道流動。此種現(xiàn)象若要發(fā)生，其前提條件是需有連通性較好的垂向構(gòu)造與其相通，否則不會發(fā)生漏水現(xiàn)象。

由前文可知，壩基深部存在強(qiáng)透水層屬部分充填或無充填裂縫式空腔，埋深約41～46 m，分布厚度約10 m左右。壩基巖性為花崗巖，弱風(fēng)化飽和抗壓強(qiáng)度平均值為135 MPa，屬堅硬巖石，巖體質(zhì)量以Ⅲ級為主，下部為Ⅱ級巖體，壩基巖體變形模量E0為7.0 GPa以上，且壩基無斷層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，抗變形能力較強(qiáng)，不存在壩基變形穩(wěn)定及滲透穩(wěn)定問題。天然狀態(tài)下，亦不會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的壩基滲漏問題。

4 水庫工程防滲處理方案意見

水庫工程防滲以壩區(qū)兩岸及深部的垂向防滲處理為主。壩基防滲宜分層、分區(qū)，且可分期實施[4](見圖5)。

>圖5 壩基(肩)帷幕灌漿施工布置示意圖
Fig.5 Layout of curtain grouting construction for dam foundation(shoulder)

(1) 強(qiáng)—弱風(fēng)化帶防滲帷幕：屬常規(guī)防滲，建議灌漿廊道沿壩軸線向山體內(nèi)深入，帷幕灌漿斜孔應(yīng)向壩前(上游)山體內(nèi)部傾斜，斜孔傾角50°～60°。

(2) 壩基深部強(qiáng)透水巖層防滲帷幕：建議防滲灌漿可以采用單排垂直鉆孔方案。其范圍宜從河谷左側(cè)陡崖岸邊起向右岸100 m的河谷段布置灌漿孔，由于可灌性好，建議灌漿孔距5～10 m。初估深孔約10～15個。根據(jù)工程供水需求亦可暫不進(jìn)行防滲。

5 結(jié)束語

本工程壩基深埋強(qiáng)透水層在諸多水利工程中實屬少見，尤其是在硬質(zhì)花崗巖中，是典型的壩基深埋強(qiáng)透水巖層，研究其形成原因及其發(fā)育特征，有助于分析其對水利工程的影響及處理意見，進(jìn)而對水工設(shè)計及工程施工起到指導(dǎo)性作用。本文通過壩基深埋強(qiáng)透水巖層的特征及其對水庫、壩基的影響分析，提出了水庫工程的防滲處理原則“分層處理，分期實施”，即下部壩基強(qiáng)透水巖層的防滲可在水庫蓄水后，根據(jù)水庫工程運(yùn)行及滲漏水觀測情況決定是否對其進(jìn)行防滲處理。由于該工程目前尚未建成，本文是根據(jù)勘察工作分析的初步成果，尚需工程運(yùn)行后進(jìn)一步驗證。