水电地质培训教材四、水库工程地质

各阶段水库区勘察的主要内容规划阶段：了解水库的地质和水文地质条件；了解可能威胁水库成立的滑坡、潜在不稳定岸坡、泥石流、坍岸和浸没等的分布范围；了解可溶岩地区的喀斯特发育情况，含水层和隔水层的分布范围，河谷和分水岭的地下水位，并对水库产生渗漏的可能性进行分析；了解重要矿产和名胜古迹的分布情况。各阶段水库区勘察的主要内容预可研阶段：调查水库区的水文地质条件，可能的渗漏地段，估算可能的渗漏量；调查库岸稳定条件，预测水库坍岸情况；预测水库浸没范围；调查影响水库建设的其他环境地质问题。各阶段水库区勘察的主要内容可研阶段：在预可行性研究阶段勘察工作的基础上，针对水库存在的地质问题，开展水库渗漏、浸没、库岸稳定性等专门性工程地质勘察工作。预可研阶段水库渗漏工程地质勘察目的是初步圈定水库蓄水后可能发生渗漏的地段，估算渗漏量的大小，初步评价渗漏对建库的影响程度及处理的可能性，为坝址选择和回水高程的确定提供资料。方法是测绘和必要的勘探。勘探剖面垂直于地下水分水岭或平行于地下水流向布置，孔深应达到可靠的相对隔水层或喀斯特发育相对下限以下的适当深度。可研阶段水库渗漏地质勘察对存在水库渗漏地段进行专门性勘察，定量地评定渗漏量，为防渗措施的选择和设计提供资料。首先进行比例尺l/万~1/2千的地质测绘，其次，应平行于水库渗漏方向布置勘探剖面线。查明水文地质条件及测得渗透系数后，应根据边界条件选用适当的公式估算渗漏量，以便为防渗措施的设计提供依据。第四章水库工程地质--水库渗漏水库渗漏的类型暂时性渗漏是指水库蓄水初期，库水渗入库水位以下岩土体中未被饱和的孔隙、裂隙和洞穴等，使之饱和而出现的库水渗漏损失。永久性渗漏是指库水沿具透水性的岩（土）体或构造、岩溶渗漏通道等流向库外的邻谷、洼地或坝下游产生渗漏的现象。是水库渗漏问题研究的重点。第四章水库工程地质--水库渗漏永久性渗漏的地质条件1、地形地貌条件：水库与相邻河谷间分水岭的宽窄和邻谷的切割深度对水库渗漏影响很大。2、地层岩性条件：库底和水库周边有透水岩层3、地质构造条件：水库所处的构造环境、连通库内外的构造破碎带4、水文地质条件：地下分水岭的有无、高程及其与水库正常蓄水位的关系第四章水库工程地质--水库渗漏水库渗漏估算原则根据渗漏地段的水文地质结构、渗流特性和边界条件，选择适宜的水文地质计算公式估算渗漏量。存在多个透水层时，可分别估算渗漏量。应根据水文地质测试成果，经统计分析后给定各透水层（组、带）的渗透系数。要注意透水层（组、带）的不均匀性，具有多个透水层或明显渗透分带的透水层，难以单独估算渗漏量的，可取各透水层（组、带）渗透系数的加权平均值，用以估算渗漏量。水库渗漏估算（下部有水平隔水层，潜水透水层均一的渗漏量计算）式中：q——单宽渗漏量（m3/d.m）K——岩土体的渗透系数（m/d）H1——相对隔水层以上的水库水头（m）H2——相对隔水层以上的邻谷水头（m）L——渗漏距离（m）Q——渗漏总量（m3/s）B——渗漏总宽度（m）22121HHLHHKqBqQ水库渗漏估算（不同透水性的水平岩层的渗漏量计算）LHHTTKqcp2121)(T1——下层透水层的厚度（m）；T2——上层透水层的过水部分的平均厚度（m）2212112THTHT212211TTTKTKKcpKcp——两层岩土体的加权平均渗透系数（m/d）水库渗漏估算（承压含水层渗漏量计算）LHHmmKq21212式中：m1——水库附近承压含水层厚度（m）；m2——同一承压含水层在排水区的厚度（m）。其它符号意义同前。第四章水库工程地质--水库渗漏水库渗漏的处理混凝土防渗墙防渗面板水平铺盖灌浆帷幕其它措施——除以上措施外，在岩溶地区还常用围、隔、堵等措施解决水库渗漏问题。在水利水电工程中，究竟选用什么防渗措施，常常要结合工程区具体地质条件综合考虑确定。水库浸没工程地质勘察水库蓄水后使库区周围地下水相应壅高而接近或高于地面，导致农田盐碱化、沼泽化及建筑物地基条件恶化、矿坑涌水等，这种现象称为浸没。调查分析可能产生浸没的地形、地层岩性、水文地质等条件；通过地下水回水计算，预测地下水回水水位，进行浸没评价。不同阶段浸没勘察的任务预可行性研究阶段——预测水库的浸没范围可行性研究阶段应对已经圈定的浸没区进行详细勘察——确定浸没区的范围；查明防护地段的水文地质、工程地质条件，提出处理措施建议。浸没勘探要求浸没区水文地质勘探剖面线应垂直库岸或平行地下水流向布置。勘探点应采用坑、孔，且控制性钻孔不应少于2个，其中一个孔应靠近水库设计正常蓄水位的边线布置，钻孔应进入相对隔水层；探坑应挖到地下水位。第四章水库工程地质--水库浸没水库浸没的地形地质条件地形地貌条件：地面高程低于或略高于水库正常蓄水位的盆地型水库边缘与山前洪积扇直接相接的地段、喀斯特地区暗河出口位于水库水位以下且暗河系统有大片的溶蚀洼地地区、平原型水库的坝下游、顺河坝或围堤或引水渠道的外侧地段均易产生浸没。地面越是宽阔低平，则浸没范围越大。广西因库水位顶托，岩溶地下水排泄不畅产生的内涝较多。第四章水库工程地质--水库浸没水库浸没的地形地质条件岩性条件：库岸带为透水岩层，易产生浸没。水文地质条件：蓄水前地下水埋藏较浅，地下水排泄不畅，蓄水后地下水壅高，地下水补给量大于排泄量的库岸地段、闭封或半封闭的洼地、沼泽的边缘地带，易产生浸没。第四章水库工程地质--水库浸没浸没判别分初判和复判两个阶段。初判--不易产生浸没地区的标志1、库岸或渠道由相对不透水岩土层组成，或调查地区与库水间有相对不透水层阻隔；且该不透水层的顶部高程高于水库设计正常蓄水位。2、调查地区与库岸间有经常水流的溪沟，其水位等于或高于水库设计正常蓄水位。第四章水库工程地质--水库浸没初判--易产生浸没地区的标志1、平原型水库的周边和坝下游，顺河坝或围堤的外侧，地面高程低于库水位地区。2、盆地型水库边缘与山前洪积扇、洪积裙相连的地区。3、潜水位埋藏较浅，地表水或潜水排泄不畅，补给量大于排出量的库岸地区，封闭或半封闭的洼地，或沼泽的边缘地区。第四章水库工程地质--水库浸没复判--在初判的基础上进行。主要是三个方面的内容：1、核实和查明初判圈定的浸没地区的水文地质条件，获得比较详细的水文地质参数及潜水动态观测资料；2、建立潜水渗流数学模型，进行非稳定态潜水回水预测计算，绘出设计正常蓄水位情况下，库区周边的潜水等水位线预测图，预测不同库水位时的浸没范围；3、除复核水库设计正常蓄水位条件下的浸没范围外，还要根据需要计算水库运用规划中的其它代表性运用水位下的浸没情况。潜水回水计算22122Hhhy隔水底板水平、陡直河岸、无渗入均质介质的稳定态潜水回水计算模型与公式如下。对于非稳定态的潜水回水计算，需要采用数值法进行计算。第四章水库工程地质--水库浸没地下水临界埋深的确定方法一是根据浸没地段所在地区的具体水文地质条件、农业科研单位的田间实验观测资料和当地生产实践经验确定。二是计算（根据上述方法确定浸没的临界地下水位埋深有困难时）：HCr＝Hk＋△H式中HCr——浸没的临界地下水位埋深（m）；Hk——地下水位以上，土壤毛管水上升带的高度（m）；△H——安全超高值（m）。对农业区，该值即根系层的厚度；城镇和居民区，该值取决于建筑物荷载，基础型式和砌置深度。第四章水库工程地质--水库浸没水库浸没的判别标准浸没评价根据当地浸没监界值与潜水回水位埋深之间的关系确定，当预测的潜水回水位埋深值小于浸没的临界地下水位埋深时，该地区即应判定为浸没区。水库库岸稳定水库回水使水库沿岸的自然条件发生显著变化，使原本自然稳定的边坡，稳定条件恶化，形成各种破坏现象。重点勘察研究范围是近坝地段第四章水库工程地质--库岸稳定水库岸坡稳定性研究的主要内容地形地貌条件，河谷结构类型，冲沟发育情况；库岸岩土体性质，完整程度，风化状态，岩体应力状况；岩体中各种结构面（层面、断层、节理裂隙、软弱夹层等）与库岸坡向的组合关系；库岸地下水特征及动态变化，泉水分布及特征；库岸稳定现状，变形破坏的发育阶段，变形破坏迹象和位移监测资料；第四章水库工程地质--库岸稳定水库岸坡稳定性研究的主要内容库水位的变化情况，特别是抽水蓄能电站库水位剧烈变化情况；降水、地震、地下矿藏开采以及其它天然和人为活动情况等。在对以上内容分析的基础上，对库岸进行工程地质分段研究和评价，评价库岸、潜在不稳定库岸和现行破坏体的稳定现状；预测它们在水库蓄水过程中和运行期（库水位骤降或频繁升降）的发展趋势；边坡失稳的可能性和变形破坏机制、规模；提出处理措施等。水库滑坡关于滑坡的特征、分类、稳定影响因素和评价方法等将在“边坡工程地质”中介绍关于水库滑坡引起的涌浪问题，重大工程采用模型试验或数值分析方法可以进行估计和评价。滑坡体入水后所造成的水体反应非常复杂，计算边界条件不得不进行充分简化，采用计算方法获得的浪高常具有局限性。水库滑坡部分的重点垂直滑坡体的滑速计算式中m——滑体单宽质量，kg；g——重力加速度，m/s2；L——滑体水上部分滑面长度，m；H——滑坡体水上部分重心至水面高度，m；θ——滑面倾角；f——滑面摩擦系数；c——滑面的粘聚力，Mpa。关于涌浪高度计算建议大家了解gHgmLcfV2sincot1第四章水库工程地质--库岸稳定坍岸预测剖面，应垂直于库岸布置，近岸边的钻孔应打到水库死水位以下5~10m或陡坡脚，其余坑孔深度则根据具体情况确定。第四章水库工程地质--库岸稳定水库塌岸塌岸的过程见下图勘察的目的是预测塌岸的宽度（图e）第四章水库工程地质--库岸稳定水库塌岸预测的常用方法卡丘金法卓洛塔廖夫图解法我国黄土地区水库塌岸长期预测都是半经验的东西总结出来的，南方不一定合适。第四章水库工程地质--水库诱发地震因蓄水而引起库盆及其邻近地区原有地震活动性发生明显变化的现象，简称水库地震。第四章水库工程地质--水库诱发地震水库诱发地震的基本特征发震概率：国内外统计资料表明，出现水库地震的工程占水利水电工程总数的比例不足0.1％，但随着坝高（蓄水深度）和库容的增大，其所占比例明显增高。空间分布：平面上，震中的主体部分集中在库盆和距库岸3～5km以内的地方，特殊情况下（例如区域性大断裂带横穿库区或水库沿喀斯特暗河形成地下支汊），也不至超过10km。垂向上，一般都属于极浅震，震源深度在3～5km以内；第四章水库工程地质--水库诱发地震时间分布：初震：出现在开始蓄水后几天至一、两年。更细致的分析则表明，同一水库的几个震中密集区出现初震的时间是不同的，但大都是在库水位刚刚上涨到该震中区并超过当地天然最高洪水位的时刻，几乎没有滞后。主震：大部分发生在蓄水初期、库水位持续上升至水库开始正常运行的时段中，与初震之间的滞后从不到1个月至2～4年不等，它主要取决于首次蓄至设计水位所需时间。衰减和平息：大部分水库在主震后的衰减过程延续数年至十余年，第四章水库工程地质--水库诱发地震水库诱发地震的类型与发震条件构造型：区域性或地区性断裂通过库坝区；断层有晚更新世以来活动的直接地质证据；断裂带和破碎带有一定的规模和导水能力，与库水沟通并可能渗往深部。喀斯特型：库区有较大面积的碳酸盐岩分布，特别是质纯、层厚、块状的石灰岩；现代喀斯特作用强烈；一定的气候和水文条件（如暴雨中心、陡涨陡落型洪峰等）。卸荷型：第四章水库工程地质--水库诱发地震水库诱发地震的主要研究内容水库诱发地震的研究和前期预测已成为大型工程库坝区的主要工程地质问题之一。大体分为三个阶段：第一阶段：进行库坝区诱震环境分区，定性评价水库诱发地震的可能性和可能诱震的库段。第二阶段：开展专题研究，对诱震可能性较大的地段逐一进行地震地质论证，详细校核当地的诱震条件，进一步判定发震地点，预测合理的发震强度，为水工抗震设计和环境保护工作提供必要的依据。第三阶段：监测