CH4-水库区工程地质问题-2015

§4水库区地质问题右江百色水利枢纽鸟瞰图§4.1水库渗漏问题§4.2库岸稳定问题§4.3库周浸没问题§4.4水库淤积问题§4.5水库诱发地震§4.1水库渗漏问题§4.1.1水库渗漏的形式暂时性渗漏:水库蓄水过程中，用来饱和库盆包气带岩土体的空隙所需的水量。永久性渗漏:库水通过某些渗漏通道向库外的渗漏。1）永久性渗漏的途径通过分水岭向邻谷渗漏通过河弯向河谷下游渗漏通过库盆底部向远处低洼排泄区渗漏2)水库渗漏条件分析渗漏途径及通道岩溶区，河谷地段岩溶发育的深度和强度隔水层的分布、厚度、完整性、埋藏深度地表分水岭、河间地块和地形垭口处有无地下分水岭，其高程与水库正常高水位的关系（1）地形地貌条件地形地貌具下列情形，有可能产生水库渗漏：①水库下游有较大的河湾；②水库的两侧或一侧有低于水库的河谷或洼地；③水库下游河谷纵剖面上存在纵向裂点，如断层破碎带等。深切沟谷的影响：若水库附近沟谷切割很深、很密，低于库水位，有利于库水渗漏分水岭的影响：分水岭单薄，容易产生水库渗漏。当分水岭很宽、邻谷高于库水位时，则不会产生库水向邻谷的渗漏河湾的影响：若在急弯转的河湾地段筑坝，应特别注意库水向下游河道的渗漏古河道的影响：若古河道通向库外时，库水就会沿着古河床堆积物的渗漏通道漏失（2）岩性条件库区地层的岩土性质和地质结构，决定了渗透介质的透水性能。渗透性强烈的岩土体和构造破碎带，构成水库的渗漏通道。就岩土性质来说，对水库渗漏有重大意义的是碳酸盐岩和未胶结的砂卵(砾)石层。碳酸盐岩的岩溶洞穴和暗河与库外相通，能形成集中通流带或管道流带，这是最严重的渗漏通道。岩溶裂隙也经常是渗漏的重要途径如果岩溶化程度较弱，有利于建库在岩溶化强烈的地区建库，应充分利用相对隔水层的隔水作用砂卵（砾）石层往往是冲积形成的，当其厚度大且透水性强烈时，能组成强渗漏通道古河道（3）地质结构条件不同的构造部位，裂隙发育程度不同，渗透性不同宽大而胶结较差的断层破碎带切过分水岭通向邻谷时，有可能形成集中渗漏通道，使库水向邻谷渗漏若河谷地段有强岩溶化地层与隔水层分布时，不同的构造条件对水库渗漏的作用不同（4）水文地质条件在预测水库是否会发生渗漏时，查清库周有否地下分水岭以及分水岭的高程与库水位的关系最为重要非岩溶地区的河间地块一般都存在地下分水岭，而且与地表分水岭的位置经常是一致的；岩溶地区的地下分水岭则与地表分水岭经常不一致，甚至根本就不存在地下分水岭根据有无地下分水岭以及地下分水岭的高程与水库正常高水位之间的关系，可大致判断库水向邻谷渗漏的可能性河谷地下水动力条件分类：(1)补给型河谷两侧均存在地下水分水岭，两侧地下水补给河水；(2)补排型河谷一侧存在地下水分水岭，地下水补给河水，另一侧无地下水分水岭，河水补给地下水；(3)排泄型河谷两侧均无地下水分水岭，河水补给两侧的地下水；(4)悬托型河谷为悬托河，河水补给地下水。对于第一种类型，水库蓄水后可能渗漏，也可能不发生渗漏；对于后三种类型，水库蓄水后肯定会发生渗漏。地下分水岭高于水库正常高水位，不会发生渗漏地下分水岭低于水库正常高水位，有可能发生渗漏蓄水前即向邻谷渗漏，蓄水后渗漏将很严重蓄水前邻谷补给河流，但邻谷水位低于水库正常高水位，蓄水后仍有可能发生渗漏蓄水前邻谷补给河流，若邻谷水位高于水库正常高水位，蓄水后不会发生渗漏3）水库渗漏量计算（1）单层岩土体①两岸无坡积层②两岸有坡积层（2）双层岩土体§4.2库岸稳定问题水库建成蓄水对库岸的效应：原来处于干燥状态下的岩土体，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，内聚力、内摩擦角下降；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压力。因此，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。水库岸坡破坏形式有塌岸、滑坡和崩塌。水库塌岸多发生于平原或盆地水库，由松散土层组成的库岸，其发展过程虽大部完成于水库蓄水初期，但仍是逐年发展的。库岸滑坡多为瞬间破坏，尤其是大型速滑型滑坡危害更大。研究评价水库岸坡稳定，特别是近坝库岸稳定问题对水电建设至关重要。§4.2.1塌（坍）岸水库蓄水后，库岸岩土体在波浪和水位变化等作用下发生坍塌，岸线逐渐后移的现象。1）波浪与岸流水库蓄水后，水库成为“人工湖泊”，水面开阔，水流流速减缓，这时，库水对岸坡的作用类似于湖水对湖岸的作用，主要表现为波浪与岸流。引起波浪的最主要因素是风，风作用于水面引起的压力差和风与水面的摩擦力迫使水面波动，使水质点在顺风方向上作单向轨道运动。当水质点运动到轨迹线最高点时，该处水面突起形成波峰当水质点运动到轨迹线最低点时，该处水面凹陷形成波谷水质点的运动近似为圆形。波浪的规模（波长、波高）与一定方向的风速、风的作用时间和风在水面的吹程有关，按照安得烈雅诺夫的研究，波浪高度hw和波浪长度Lw可以根据风吹程D和风速来确定。2）塌岸的形成水库蓄水初期，水下岸坡往往较陡，波浪对岸坡冲刷、磨蚀、淘蚀作用强烈，岸壁岩土体受到风浪的冲击与淘刷而塌落，塌落物堆积下来形成浅滩，岸坡不断塌岸后退，不断变缓，边岸不断扩展，浅滩也逐渐增长，波浪对岸坡作用越来越微弱，塌岸速度减缓，当塌岸发展到一定程度，水下岸坡已经很平缓，波浪所具有的能量，经过浅滩的摩擦消耗殆尽，波浪再无力冲击岸壁与塌落物时，塌岸作用即告终止。水库塌岸的速度主要取决于岩土体的抗侵蚀能力和库水波浪的作用强度。一般在水库蓄水的最初几年内最强烈，随着时间的延续和水下浅滩的逐步形成而慢慢减弱。黄河三门峡水库的所有黄土库岸，在蓄水一年内的塌岸宽度达50~200m，其中，90%以上的塌岸宽度是在水位上升期间完成的，塌岸线长200余km，占全库岸线长的41.5%，塌岸量9000万m3。官厅水库自1955年蓄水,至1959年之间塌岸最为严重,为水库塌岸的快速发展阶段。根据观测资料,1955年至1959年,水库塌岸宽度271～1207ｍ，平均塌岸速率为45～20ｍ/ａ。土质库岸水库蓄水初期，岸坡上部土体由于水库浸没、土体软化、崩解等作用，慢慢开始塌落；由于岸流的侵蚀和波浪的淘蚀作用，在正常蓄水位高程附近发育波蚀龛，塌落物在水下斜坡初步形成浅滩的雏形。水库放水发电，水位消落到低水位时，水下浅滩在平缓斜坡处形成。水库蓄水再次达到高水位时，库水继续侵蚀岸坡，岸壁后退；水位第二次消落时，浅滩继续扩大。随着水库高、低水位的不断反复，岸坡不断改造，塌岸不断发展，直到水下浅滩及斜坡形成稳定坡角为止，边岸稳定，浅滩扩大终止。岩质岸坡3）影响塌岸的因素地形地貌、岩性、地质结构和水文条件库岸愈是高陡，则塌岸愈严重；弯曲的库岸较平直岸易发生塌岸；凸形坡较凹形坡塌岸更严重些。岩土的类型和工程地质性质不同，塌岸的宽度和速度是不相同的，由坚硬岩石组成的库岸地段，不易发生塌岸，松软土组成的库岸除卵砾石外，塌岸较严重。尤以黄土类土和砂土库岸更为严重。影响塌岸的水文因素有库水的波浪作用、库水位变动、流冰作用等，其中尤以波浪作用和库水位变动为主。库岸受波浪作用的上限较正常高水位为高，而下限较死水位更低一些。水库水位迅速消落时，塌岸最易发生。海蚀崖波切台鹰角亭4）水库塌岸预测目的：定量地估计水库建成蓄水后塌岸的范围，某一库岸地段塌岸宽度和速度，某一期限内和最终的塌岸宽度，以及形成最终塌岸宽度所需的年限，以便给防治措施提供依据方法：计算法、作图法、工程地质类比法、试验法时限：短期预测（2-3年）、长期预测（1）塌岸预测类比法类比已知条件相似的水库岸坡的剖面，绘制待预测岸坡的塌岸剖面。（2）塌岸预测统计法主要是依据已建成水库的观测资料，用数理统计的方法建立岸坡再造的规模、速度与各种自然因素的统计关系，借以预测水库的岸坡再造过程。（3）塌岸预测动力法塌岸量与波能和岩土抗冲刷强度之间的“关系方程”：Q=E·kp·tb 式中，Q为库岸单宽内被冲刷的岩土体体积（m3/m）E为波浪作用于单宽库岸的动能（t·m）kp为岩土体的抗冲刷系数（m3/t）t为水库运营年限b为经验常数，取决于滨岸浅滩中堆积部分的宽度，变化于0.45—0.95该法有一定的物理依据，但“关系方程”的建立同时也需要一定量的观测样本。在海洋工程科学领域，借助于造波机已经通过室内试验，以及某些海岸工程的实地观测，建立了相应的动力法预测方程供地域性海岸工程加固设计使用。①卡秋金预测方法S：最终塌岸范围；N：与土的类型有关的系数，粘土为1，亚粘土为0.8，黄土为0.6，砂土为0.5；A：保证率10－20％的最高水位与最低水位之差；B：设计最高水位与最低水位之差；hP：波浪影响深度，1~2倍的波高；hB：波浪爬升高度，大致为0.1~0.8倍波高，细粒土小，粗粒土大；Hs：保证率10－20％的最高水位以上的岸壁高；：浅滩被冲刷后水下稳定坡角，其值与波高及土的性质有关：水上岸坡的稳定坡角，与土的性质及眉峰高度有关：原岸坡的坡角适于均质土岸的中小型水库及由黄土、砂土、砂质粘土及粘土等组成的库岸对于大型水库，适用于其中、上游地带（4）塌岸预测经验法卡秋金预测方法图解三峡库区预测水库中、下游水深较大，水面宽广，波高增加，库岸的破坏以波浪作用为主塌岸后的剖面外形结构分为浅滩外缘陡坡、堆积浅滩、冲蚀浅滩、波浪爬升带斜坡及水上岸坡五个带各带所遭受的地质作用不同，前两个带为堆积作用，后三个带为冲蚀作用。各带的稳定坡角不同塌岸后稳定剖面形状和位置，利用堆积系数Ka确定，大小随岩土类型而变②佐洛塔廖夫作图法绘制预测地点的地形、地质剖面标出水库正常高水位线与水库最低水位线由正常高水位向上标出波浪爬升高度线，爬升高度之值取为一个波高由最低水位向下，标出波浪影响深度线，影响深度之值取为（1/3-1/4）波长在波浪影响深度线上选取a点，该点位于堆积浅滩带与浅滩外缘陡坡带之转折点处，该点的选取使堆积系数Ka之值与实际相符由a点向下，绘出浅滩堆积物的岩性外缘陡坡线使之与原斜坡线相交。由a点向上绘出堆积浅滩的坡面线，与原斜坡线相交于b点。由b点作冲蚀浅滩的坡面线，与正常高水位线相交手C点；其稳定坡度视b、C间岸坡岩性而定由C点作波浪爬升带的坡面线，与波浪爬升高度水位线相交手d点绘制水上岸坡坡面线de检验堆积系数与经验数据是否相符，如不符，则向左或向右移动a点并按上述步骤重新作图，直至适合为止佐洛塔廖夫作图法适用于大型水库的中、下游地段③类比法（5）黄土地区的塌岸预测黄土地区水库塌岸在蓄水初期(水位上升期)特别强烈，而库水位又在变动无常之际，尚未进入正常运用，且库岸黄土因初次湿化而造成大量坍塌。当库岸由均质黄士组成，且岸前水下坡度较陡，塌岸的起始点可从原河道最高洪水位起计算，上限水位则采用蓄水初期所能达到的最高水位。§4.2.2滑坡—涌浪问题库岸滑坡在大部分水库蓄水后都会发生，唯其规模不同而已，它往往是库坡蠕变的发展结果。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附坡。近坝的水上高速滑坡危害尤其严重。库岸滑坡引起涌浪——间接危害湖南柘（zhe）溪水库，在1959年蓄水。初期，在大坝上游1.5km的塘岩光发生大滑坡，165万m3土石以25m/s的速度滑入库中，激起高达21m的涌浪，致使库水漫过尚未完工的坝顶泄向下游，损失巨大。涌浪预测1）滑坡滑动速度计算较大规模滑坡的滑动，都是在经过一定时间的局部缓慢的变形后发生的，这个局部变形阶段可称为初期阶段。滑动破坏的规律和类型不同，其初期阶段持续时间的长短以及局部变形的严重程度也不同。初期阶段之后为滑动阶段。据牛顿第二定律，滑体在滑动过程中的加速度a设滑动体的滑动距离为S，则其滑动速度当滑动体的稳定性系数η略小于1.0时，滑动体即开始位移。一旦位移一个很小的距离后，滑动面上的内聚力Cj将骤然降低乃至几乎完全丧失，而摩擦角φj也会有所降低，又会导致η减小。由于η的骤然减小，滑动体必然要发生显著的加速运动。2）涌浪估计假定：滑体滑落于半无限水体中，且下滑高程大于水深（1）计算滑动体的相对滑速：（2）设滑动体的平均厚度为Hs(m)，计算值。（3）根据和，查图确定波浪特性。(4)根据值查图，求出滑体落水点(x＝0)处的最大波高hmax与滑体平均厚度Hs的比值，从而求得hmax。(5)求出相对距离利用和查图求出。预测距滑体落水点距离x处某点的最大波高。§4.2.3崩塌岩体崩塌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。§4.3库周浸没问题1）定义：水库蓄水后，引起地下水水位增高，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、甚至高出地表，造成沼泽化、盐碱化、地基失稳、矿坑涌水等危害的现象称为浸没。2）形成条件：受水库渗漏影响的邻谷、洼地；平原水库坝下游、围堤外侧，标高接近或低于河床的地段岩土体具有一定的渗透性地下水埋深较小，地下水、地表水排泄不畅3）浸没评价方法（1）评价方法前者大于后者，即应判定为浸没区；否则，为非浸没区。浸没临界地下水位埋深潜水回水位埋深？比比它们的大小！（2）浸没临界地下水位埋深的确定Hcr＝Hk十△HHk——地下水位以上，土壤毛管水上升带的高度；△H——安全超高值。对农业区，该值即根系层的厚度；城镇、居民区，该值取决于建筑物荷载，基础型式和砌筑深度。（3）潜水回水位埋深的预测任取断面m，壅水前后通过m的地下水单宽流量为q1、q2（4）评价步骤浸没评价宜分初判和复判两个阶段进行。初判应在调查水库区的地质与水文地质条件的基础上，排除不会发生浸设的地区，对可能浸没地区，可进行稳定态潜水回水预测计算，初步圈定浸没范围。经初判圈定的浸没地区应进行复判，并应对其危害做出评价。初判：根据下列标志之一可判定为不易浸没区有隔水层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。排泄良好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。根据下列标志之一，可判定为易浸没区地势条件平原型水库的周边和坝下游，顺河坝或固堤的外侧，地面高程低于库水位地区。土层条件盆地型水库边缘与山前洪积扇、洪积裙相连的地区。地下水补排条件潜水位埋藏较浅，地表水或潜水排泄不畅，补给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。下列条件之一可作为次生盐渍化、沼泽地的判别标志在气温较高地区，当潜水位被抬高至地表，排水条件又不畅时，可判为沼泽、湿地浸没区；气温较低地区，可判为沼泽地浸没区。在干旱、半干旱地区，当潜水位被壅高至土壤盐渍化临界深度时，可判为次生盐渍化浸没区。复判：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，预测依测不同库水位时的侵没范围复核水库设计正常蓄水位条件下的浸没范围，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浸没预测计算时，水库上游地区库水位采用库尾水位壅高值；壅水前的地下水位，采用农作物生长期的多年平均水位§4.4水库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，淤积物逐渐向观前推移。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。我国黄河干流上的三门峡水库，若不采取措施，将于15年后失效，35年后全部淤满。山陕高原上有一些小水库，建成一年后库容全部被泥砂淤满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四年，其中56座已淤库容的50%，26座已淤库容的80%水库淤积的固体来源1）流入库区河流所挟带的泥沙2）水库汇水区内泥石流的发生3）库岸变形破坏以及库周斜坡的坡流冲刷物质工程地质研究的任务根据对工程地质条件的了解，分析主要固体径流来源地段的岩土体成因类型及物质成分，水流的冲刷切割强度，斜坡特点、稳定程度及破坏形式，泥石流的分布及活动情况，以及固体物质被水流搬运的情况等，提出防治对策。§4.5水库诱发地震