水利水电工程渗漏问题

水利水电工程渗漏问题第一页，共九十页，2022年，8月28日§1水利水电工程水文地质研究的意义水利水电工程中经常遇到的主要水文地质问题：（１）渗漏问题，包括坝段（坝下和绕坝）渗漏和水库渗漏；（２）浸没问题，即由于水库蓄水，水位抬高，周围库岸岩石随之受浸润，逐渐饱和，使地下水位上升，形成地下水壅水而引起的种种不良后果；（３）地下水对建筑物和基坑的水动力作用；（４）地下水对坝区建筑物引起的水化学稳定问题。第二页，共九十页，2022年，8月28日第三页，共九十页，2022年，8月28日不仅关系到建筑物未来的稳定性，而且也关系到工程的经济效益和使用年限。第四页，共九十页，2022年，8月28日§2岩溶河谷区的水文地质勘察一、勘察目的与任务岩溶地区蕴藏着丰富的水力资源。岩溶发育又对工程建筑带来不利条件和威胁。查明水库及建筑物区的岩溶水文地质条件，对岩溶渗漏、岩溶性涌水及外水压力、岩溶水变化导致的环境恶化等岩溶水文地质问题进行分析、评价。第五页，共九十页，2022年，8月28日二、勘察内容（一）、查明岩溶水文地质条件1地形地貌条件：可能出现渗漏的低邻谷高程、距离，河弯捷径长度，裂点及远方排泄基准面高程、距离等；2地层岩性：应按碳酸盐纯度(纯、次纯、不纯)及岩层组合形式(连续型、夹层型、互层型)分类，并按岩溶化岩组分类。第六页，共九十页，2022年，8月28日第七页，共九十页，2022年，8月28日3地质构造条件：主要是褶皱、断裂性质及空间展布情况；隔水层、相对隔水层厚度、可靠性、空间分布的连续性，即封闭条件；同层位或不同层位可溶岩沟通库内、外或坝址上、下游，组成统一的岩溶含水系统情况；第八页，共九十页，2022年，8月28日4岩溶发育程度：地下水位线以上及以下的岩溶洞穴类型、规模、充填物及其空间分布规律，延伸性及贯通性；5岩溶水文地质结构，对单斜构造坝址河谷岩溶水文地质结构类型；第九页，共九十页，2022年，8月28日6岩溶水补给条件，包括补给面积、方式，对集中补给者应区分外源水还是内源水；第十页，共九十页，2022年，8月28日7可溶岩透水性介质划分

第十一页，共九十页，2022年，8月28日8岩溶水径流条件与形式，即平面上的水动力场类型：有管道流(汇集型)与扩散流(弥散型)两大类；9岩溶水流动系统(泉、大泉、管道水、暗河、地下河)的边界、水文特征，应按排泄条件划分为基控型还是层控型；第十二页，共九十页，2022年，8月28日10地下水的流向、流速、管道水的比流速，水力比降及流态，据河水与地下水之间的关系，确定河谷岩溶水水动力条件基本类型；第十三页，共九十页，2022年，8月28日第十四页，共九十页，2022年，8月28日11地下水位分布特征及水位、流量、水质的动态变化规律；第十五页，共九十页，2022年，8月28日第十六页，共九十页，2022年，8月28日12渗漏范围:包括宽度、深度的确定渗漏量的估算及评价和处理建议.第十七页，共九十页，2022年，8月28日第十八页，共九十页，2022年，8月28日第十九页，共九十页，2022年，8月28日（二）、确定河谷类型岩溶地区河谷类型基本可划分宽谷和峡谷两大类型。不同的河谷类型其水文地质条件不同，尤其是水动力条件不同，因而也造成岩溶发育特征的不同。第二十页，共九十页，2022年，8月28日第二十一页，共九十页，2022年，8月28日第二十二页，共九十页，2022年，8月28日第二十三页，共九十页，2022年，8月28日第二十四页，共九十页，2022年，8月28日第二十五页，共九十页，2022年，8月28日（三）、河谷深部岩溶研究水利部门习惯上将河水位以下发育的岩溶现象称之为河谷深部岩溶。深部岩溶不受当地河流侵蚀基准面控制,而是受溶蚀基面的控制。河谷深部岩溶的形成与岩溶水运动特征密切相关，尤其在峡谷区，岩溶地下水存在裂隙流和管道流两种类型。第二十六页，共九十页，2022年，8月28日管道水流是一种快速流，流速一般大于１０００米／昼夜。动态属剧变型，主要依靠降水地表水，从落水洞灌入式补给，其排泄口流量动态不稳定系数达５００～１０００以上。裂隙水又分为快速流和慢速流两类。快速流出现在裂隙发育，地下径流速度快的部位，又称为强径流带，地下水位动态明显受到降水影响，年幅度达２０～３０米，此带内的钻孔水位与河水位几乎是同步涨落。慢速流出现的部位称为缓径流带，地下水动态类型属于平稳型，水位变幅甚小，仅１～２米，甚至不受当年气候变化的影响。第二十七页，共九十页，2022年，8月28日河谷深部岩溶成因1、岩溶洞穴管道水流的动力条件是形成河谷深部洞穴的主因，峡谷区内岩溶管道水流的补给区和排泄区间的高差愈大，由溶洼落水洞等灌入式补给条件愈好，洞穴管道内愈易产生高压水流，在气水压力作用下，地下水易沿断裂带或裂隙带向下运动，形成深部洞穴。第二十八页，共九十页，2022年，8月28日河谷深部岩溶成因2、混合溶蚀作用雨季中，富含有机质的地表水流进入地下，与原有水体混合，形成的混合溶蚀，更促进深部洞穴的形成与发育。有的河谷地区，存在含盐量高的温泉，称盐温泉，由于盐温泉与岩溶水的混合而引起的混合溶蚀，盐效应以及水温增高加速溶蚀作用的进行等原因，也是促使河谷深部岩溶形成的原因之一。地下热水中比冷水含有更多的ＣＯ２、ＨＣＯ３-，而且水温愈高含量愈多，这是与埋藏的古有机质分解有关。据此有人推测热水造成的深岩溶其发育深度可达数千米，一些千米以上石油钻井中发现的岩溶现象提供了旁证。第二十九页，共九十页，2022年，8月28日河谷深部岩溶成因3、洪水季节河水位迅速上升，淹没地下河系的出洞口，所引起的水击波作用，也是在地下河谷河口段，洞穴管道水向下部运动的主要原因。第三十页，共九十页，2022年，8月28日河谷深部岩溶成因4、在含有硫化物（如黄铁矿）岩层或矿床区，由于硫化物水解，形成酸性水，加速溶蚀作用的进行。故在硫化物矿床区或含黄铁矿的煤系地层附近常出现深部岩溶。第三十一页，共九十页，2022年，8月28日（四）洞穴碎屑堆积物的调查岩溶洞穴的形成与发育是受多种因素制约的，但溶蚀（包括侵蚀）和堆积是洞穴形成和发育过程中的两个重要方面，洞穴堆积物本身包含了自身形成条件和环境的信息。对它的研究，可以恢复洞穴形成的古环境和古水动力条件，以及了解洞穴的展布特征。第三十二页，共九十页，2022年，8月28日洞穴堆积物中砾石的排列，能反映出堆积物形成环境的重要信息。洞穴砂砾成分的研究也是探索洞穴展布及推测古气候古地理环境的重要手段。第三十三页，共九十页，2022年，8月28日第三十四页，共九十页，2022年，8月28日第三十五页，共九十页，2022年，8月28日第三十六页，共九十页，2022年，8月28日第三十七页，共九十页，2022年，8月28日

1当邻谷河水位(不是悬托河)高于水库正常蓄水位，不存在水库渗漏；

2当河间(河弯)地块有连续、稳定可靠的隔水层或相对隔水层封闭阻隔，不存在水库渗漏；当可溶岩直接沟通库内外，或构造切割使库内外可溶岩组成有水力联系的统一岩溶含水系统时，可能出现渗漏。三、岩溶区水库渗漏判别第三十八页，共九十页，2022年，8月28日

3当河间(河弯)地块为一个岩溶含水系统时，若上、下游或库内、外均有稳定可靠的岩溶水流动系统(岩溶泉)，则表明地块存在地下水分水岭。当地下水分水岭高于正常蓄水位时，则不存在渗漏。当上游或库内不出现岩溶水流动系统，受下游或远方排泄基准面控制，仅库外出现区域性岩溶水流系统，则为河水补给地下水的水动力类型河谷，将出现水库渗漏，多为严重性的渗漏。第三十九页，共九十页，2022年，8月28日

4河间(河弯)地块地下水分水岭虽低于库水位，甚至下游侧有地下水洼槽，但分水岭地带岩溶不发育，特别是无贯通性的岩溶管道存在时，也不会发生水库渗漏。第四十页，共九十页，2022年，8月28日1坝址位于峰林山原或丘峰平原浅切河谷中，易发生绕坝渗漏，随蓄水位的抬升，渗漏范围迅速扩大，而坝基渗漏深度一般较浅；峰丛山地深切峡谷建坝，一般绕坝渗漏范围小，坝基渗漏较深；峰林山原向峰丛峡谷过渡的河段，特别是在河流裂点上、暗河下伏流段建坝，易出现复杂的岩溶渗漏。四、岩溶区坝址渗漏判别第四十一页，共九十页，2022年，8月28日

2坝址位于封闭良好隔水层或相对隔水层的横向谷或斜向谷中，不易出现渗漏；隔水层受断裂切割，或无隔水层以及为可溶岩纵向谷的坝址，易出现岩溶渗漏，其严重程度与河谷水动力条件和岩溶化程度有关；第四十二页，共九十页，2022年，8月28日

3坝址两岸有稳定可靠岩溶泉出露，为补给型水动力条件类型的河谷，渗漏问题较小，范围与深度有限；两岸或一岸无稳定岩溶泉，为排泄型或悬托型水动力条件类型的河谷，渗漏一般较严重；第四十三页，共九十页，2022年，8月28日4坝址位于统一的岩溶含水系统的河谷中，在河床或河岸有纵向岩溶管道发育，并有地下水洼槽者，将出现复杂的、严重的岩溶渗漏；第四十四页，共九十页，2022年，8月28日五、岩溶渗漏评价

第四十五页，共九十页，2022年，8月28日按岩溶渗漏对水工建筑物的影响和防渗处理目的进行渗漏评价。

1)无影响性渗漏：岩溶渗漏对水工建筑物无直接影响，但对水库正常运用有影响；

2)有影响性渗漏：因渗漏出现岩溶塌陷、管涌、扬压力增加而影响坝基、坝肩或边坡的变形、抗滑稳定、地下厂房的围岩稳定、渗水等，需作渗控性质处理的。第四十六页，共九十页，2022年，8月28日岩溶渗漏处理的基本原则

l从防渗处理目的上将无影响性渗漏的防渗处理列为防漏型处理；将有影响的渗漏处理列为渗控型处理。

2防漏型处理的原则为按允许渗漏量控制，采用分期处理，加强观测的原则，按渗漏类别，对严重及极严重渗漏带进行一期防渗处理以后进行观测，若渗漏量在控制范围内则满足要求，否则再实施二期防渗处理。第四十七页，共九十页，2022年，8月28日

3渗控型处理应符合下列原则：

a充分利用相对隔水岩体，两岸应结合地下水位分布高程，使防渗帷幕与大坝一并构成渗控封闭体系。

b坝基及坝肩不产生岩溶冲刷破坏且不允许增大扬压力。第四十八页，共九十页，2022年，8月28日

4防渗处理方案在轮廓布置和结构设计上均应进行多方案比较，推荐技术经济指标相对最优的方案。

5结合安全监测设计针对防渗系统建立原观网，对其工况(水位、水质、下游相关水点流量、水温、河道渗漏量等)进行长期观测并列为工程管理内容，并建立观测及分析整编档案。第四十九页，共九十页，2022年，8月28日§3深厚覆盖层河谷区的水文地质勘察在山区或山麓地带的河谷有时具有深厚的覆盖层沉积，对于水库大坝存在渗漏和渗透变形等水文地质问题。河谷的成因类型不同决定了河谷深厚覆盖层的岩性特征、成因类型及其水文地质问题。第五十页，共九十页，2022年，8月28日河谷地貌发育的基本成因类型可以划分为冰川型和河流型两大类型第五十一页，共九十页，2022年，8月28日第五十二页，共九十页，2022年，8月28日第五十三页，共九十页，2022年，8月28日河流型河流型是仅指河流侵蚀作用塑造的河谷。河流型河谷深厚覆盖层特点：阶地具二元结构；河床砂卵石层。第五十四页，共九十页，2022年，8月28日冰川型河谷与河流型河谷的差别１）河谷形态的不同，即Ｕ形谷和Ｖ形谷，以及冰川谷中常有深槽存在。２）河谷深厚覆盖层的结构不同。冰川谷中谷底有泥砾层存在，并有漂砾。３）河床纵剖面形态的不同，冰川谷纵向剖面高低起伏，平面上多呈葫芦形基岩凹地。第五十五页，共九十页，2022年，8月28日冰川型河谷深厚覆盖层特点冰川型是指由于第四纪冰川作用所塑造的河谷，从当前我国第四纪冰川研究现状看，我国东部山区不少地区曾有第四纪冰川的广泛流行，而且不只一次的出现冰川活动，西部山区则更为普遍。第五十六页，共九十页，2022年，8月28日（１）含泥砂卵（碎）石层（Ⅰ）埋藏于“Ｕ”型河谷的底部，粒径大小不一，成分混杂，分选性很差，有大漂石存在，粒径４～８米，最大可达１５.６米，结构紧密，Ｋ＝６~１０米／昼夜。局部具架空结构，常有涌砂现象，Ｋ值可达２５０米／昼夜。本层具冰碛物之部分特征。（２）漂卵石，含泥沙碎块石、粉细砂（砂壤土）互层（Ⅱ）结构较紧密，渗透系数Ｋ＝４０~７０米／昼夜。部分河段本层具架空结构。此层的结构和物质成分显示了冰缘堆积的基本特征。（３）漂卵石层（Ⅲ），主要分布于现代河床及其两侧的高低漫滩或一级阶地。由漂卵石夹砂、砾质砂、细砂组成，分选性较好浑圆状和半浑圆状，属冲积层。第五十七页，共九十页，2022年，8月28日按照覆盖层的组成层次和其结合关系，深厚覆盖层的构造可分为三种类型：Ⅰ型：河谷内覆盖层主要由第“１－３”大层组成，有时缺失第“２”层（图７－９）。第五十八页，共九十页，2022年，8月28日Ⅱ型：河谷主要堆积物为第“２”大层和第“３”大层，其中第“２”层中的亚层不尽完整。

Ⅲ型：覆盖层主要为第“３”大层组成。按厚度和侵蚀程度的关系又可分为Ⅲ１型和Ⅲ２型，前者堆积厚度与侵蚀幅度相近，后者堆积厚度小于侵蚀幅度，即河床中堆积物很少。第五十九页，共九十页，2022年，8月28日古冰川谷中的深厚覆盖层具有三层或双层结构的特征，底部为冰碛泥砾层，中部为冰缘沉积（有时常常缺失），上部为近代河流沉积层。其水文地质特征也很不相同，一般为下部透水性弱或很弱的，甚至为不透水的地层。上部则为强透水层。对冰川型河谷覆盖层结构特点的认识，将会导致坝址区勘探点布置的原则与正常河流型河谷有明显的不同。第六十页，共九十页，2022年，8月28日值得注意的是，由于冰川内部或底部的冰水河道的存在以及冰川堆积过程的特征会造成冰碛层中冰水砂砾层的存在以及架空结构的存在，给冰碛层的水文地质条件带来复杂化，有待勘探工作的认真注意。第六十一页，共九十页，2022年，8月28日此类结构型的河谷分布较普遍，双层结构十分明显，因此对于一些低水头（３０米）的土坝，可充分利用下部泥砾层的隔水性能起防渗作用，如大兴安岭东麓洮河中下游河谷底部普遍分布一层冰碛泥砾层，其Ｋ值０.０２～１１４米／昼夜，平均仅０.２６米／昼夜。这样防渗问题就简单了，只需采用明挖回填粘土截水墙防渗，防渗效果是良好的，这可以加快施工进度，如下部为透水岩层，泥砾层较薄的条件应进行适当的帷幕灌浆。第六十二页，共九十页，2022年，8月28日冰川型河谷之横剖面，多为Ｕ型，谷底平坦、宽阔。但常有谷底深槽存在，如位于太行山东麓的南礼河谷—冰川谷，其谷底中的震旦系石英岩状砂岩上发育有一条纵向上延伸平直，且呈波状起伏的谷中深槽，槽深２５米以上，深槽中充填以含巨砾（漂卵）的砂卵石。透水性十分良好，并为一承压含水层。此外在永定河谷中的太子墓坝址附近的河谷中其谷侧分布一深槽，其中充填以透水良好的砂卵石层。此类河谷地形，在冰川型河谷中常有所见，一般认为冰川型河谷横剖面是Ｕ型，但由于深槽存在实际上多是不规则的Ｗ型，在工程地质勘测工作中应特别注意（图７－１０）。第六十三页，共九十页，2022年，8月28日第六十四页，共九十页，2022年，8月28日在河谷纵向形态上，冰川型河谷其基底纵剖面是呈波伏起伏，上游为基岩凹地，下游为基岩隆起（图７－１１）与河流形成的河流纵剖面上游高下游低的特征显然不同。此种冰川型河谷是选择水库坝址的优良地段。第六十五页，共九十页，2022年，8月28日第六十六页，共九十页，2022年，8月28日河流型河谷，在山区其结构较为简单，多呈Ｖ型，并为单一的砂卵石层充填，在山麓地带河谷多呈开阔槽形，河流冲积层的结构比较复杂，既有河床相冲积物，又有河漫滩相沉积物，呈多层状，层理清晰，河床相冲积层的渗透性能十分良好，Ｋ值在几十~一百以上米／昼夜，防渗处理措施比较复杂。第六十七页，共九十页，2022年，8月28日一、渗漏问题的水文地质勘察二、浸没区的水文地质勘察§4、水库区的水文地质勘察第六十八页，共九十页，2022年，8月28日１初步水文地质调查在库内到邻谷范围内之间地带作比例尺１∶５００００～１∶１０００００的综合性水文地质和工程地质测绘，查明库内及库岸的岩层透水性，以及透水岩层的顶底板标高，泉水出露高程，水库与邻谷地带岩层的透水性和可能渗漏方向，根据分水岭上的水点，地下水位，透水性的分布，作出河谷区到分水岭地段内各不同时期的地下水位等水位线图。最后根据地质、水文地质和地貌绘制综合工程地质图。在图上，用箭头表明由分水岭向外渗漏的渗透方向，并特别标出可能受到浸没的城市，矿产及农田等。一、渗漏问题的水文地质勘察第六十九页，共九十页，2022年，8月28日２详细水文地质勘测水库渗漏而进行详细勘测：进行比例尺为１∶１００００～１∶２５０００；范围包括水库内可能渗漏地段到邻谷的河间地带的水文地质测绘工作。如果还需要解决区域内某些复杂的地质和水文地质条件问题，有时还要在上述测绘范围外进行个别的路线测绘工作。在平原区河流的河间地带，应在每一断面线上布置３～４个勘探钻孔，其距离尽可能均匀分布，但也要照顾到各大地貌单元上，能有勘探孔的分布，断面线的数量和长短依据渗透路径的情况和水文地质条件的复杂程度而确定，列表如下(表７－３）：第七十页，共九十页，2022年，8月28日第七十一页，共九十页，2022年，8月28日低矮分水岭包括地表为第四纪覆盖层组成，其下伏基岩顶面的高程则低于正常库水位，在山麓地带此类分水岭常常是构成水库渗漏的重要通道。按其成因类型可分为二类，一是由古河道形成的低矮分水岭，二是由冰川溢口构成的低矮分水岭。第七十二页，共九十页，2022年，8月28日第七十三页，共九十页，2022年，8月28日冰川作用溢口型低矮分水岭，如果主要是由冰水作用形成的砂砾石堆积则也是水库渗漏的重要通道，但如表层为砂砾石层，而底部具有冰碛泥砾层的分布，尽管基岩顶板高程大大低于库水水位，但由于有隔水性能良好的泥砾层存在，也并不会引起水库的渗漏。北京十三陵附近大宫门就位于一冰流溢口上，表层由松散沉积物构成，其底部基岩顶板高程低于十三陵水库坝址区河床基岩顶面高程差值达３０余米，当然更是大大低于正常库水位，但由于低洼的基岩顶面上有巨厚不透水的冰碛泥砾层的分布，泥砾层顶面高程又高于正常库水位，因此此类低矮分水岭并不能造成水库的渗漏。第七十四页，共九十页，2022年，8月28日在一些单薄分水岭地带的横向断裂破碎带或节理裂隙密集带也是造成库水渗漏原因之一，据一些水库断层破碎带渗透系数的资料，某些张性断裂破碎带的渗透性能是大的(表７－４）。至于某些柱状裂隙很发育的玄武岩透水性也极强，例如东北某坝址第四纪玄武岩渗透系数达２０－１０００米／昼夜，当然这种情况是比较少见。第七十五页，共九十页，2022年，8月28日第七十六页，共九十页，2022年，8月28日当有下列条件之一者，可判定为不会发生水库渗漏问题：

1)邻谷河水位(不是悬挂式河流)高于水库正常蓄水位。

2)水库周边有连续、稳定、可靠的相对隔水层阻隔，构造封闭条件良好，相对隔水层分布高程高于水库正常蓄水位。

3)水库与邻谷之间存在地下水分水岭且高于水库正常蓄水位；或地下水分水岭虽稍低于正常蓄水位，但河间分水岭宽厚，经估算水库壅水后的地下水分水岭高于水库正常蓄水位。第七十七页，共九十页，2022年，8月28日当有下列条件之一者，可判定为会发生水库渗漏问题：

1)河水补给地下水，河流上下游流量出现反常情况，有明显的河水漏失现象。

2)库水位高于邻谷河水位，河间地块无相对隔水层，或相对隔水层已被严重破坏，不起隔水作用，又无地下水分水岭。

3)库水位高于邻谷河水位，河间地块虽有地下水分水岭，但其高程低于库水位，且正常蓄水位以下发育有通向库外的中等以上透水层。第七十八页，共九十页，2022年，8月28日水库渗漏量估算可采用解析法和数值模拟法等。水库渗漏问题的评价根据水文地质勘察资料作出水库是否存在永久性渗漏或暂时性渗漏的定性评价结论；根据库区渗漏量估算结果，作出库区渗漏严重程度的定量评价结论。规定渗漏量小于河流平水期流量的3％为轻微渗漏，渗漏量在3～10％之间时为中等渗漏，渗漏量大于10％时为严重渗漏。第七十九页，共九十页，2022年，8月28日1浸没地段的地形地貌特征，水库蓄水位上下一定高程范围内存在的地形坡度平缓面积又较大的地带，库外邻近的封闭或半封闭的顺河洼地或地面高程低于河床的库岸地段；2库岸的地层岩性和地质结构，相对隔水层或基岩的埋深；3浸没区水文地质条件，地下水类型，地下水补排关系等。对黄土类土还应注意研究其湿陷性；二、浸没区水文地质勘察第八十页，共九十页，2022年，8月28日4土的毛管水最大上升高度，给水度、渗透系数等，产生浸没的地下水临界深度和植物根系深度5对城镇居民区和大型建筑物了解其基础砌置深度及地下水壅高对地基土承载力的影响，预测浸没引起建筑物的受损程度。6水库蓄水后可能发生的浸没地段、范围及类型。第八十一页，共九十页，2022年，8月28日§5坝址区的水文地质勘察一、坝基及绕坝渗漏问题评价二、坝基及坝肩扬压力问题评价三、坝基基坑涌水问题评价第八十二页，共九十页，2022年，8月28日一、坝基及绕坝渗漏问题评价1应根据地形地貌条件、库水与河谷两岸地下水的补排关系、坝基与坝肩岩土层渗透性及其分布组合特征、地质构造发育及分布特征等，对坝基及绕坝渗漏问题进行综合判定。第八十三页，共九十页，2022年，8月28日

2当坝(闸)址区存在下列情况之一时，可判断为存在坝基或绕坝渗漏问题：