工程地质课件 第十四章 水库的工程地质研究-new

第十四章水库的工程地质研究

工程地质与水文地质

水库分两大类：地面水库、地下水库。地面水库的兴建历史已非常悠久。全球总蓄水量达5000km3以上，我国修建的有86400余座。但是，我国的地下水库为数甚少，有待开发。水库的规划设计，主要包括：流域规划、梯级开发、综合利用、坝库址选择、枢纽布置、渠系配套等，这些都涉及到工程地质与水文地质研究。

本章介绍：水库的渗漏、淹没及浸没、淤积、边坡再造、水库诱发地震、地下水库等。第一节水库渗漏

在一定的地质条件下，水库蓄水过程中及蓄水后，会发生库水渗漏。工程设计要求使水库的渗漏量小于该河流段平水期流量的1%～3%。在未采取有效工程措施的情况下，大面积或集中性的大量渗漏，必然会影响水库的运行及经济效果。如国外的土耳其五月水库、西班牙蒙特亚鸠水库、美国海尔斯——巴尔水库等，我国的十三陵水库、天开水库等。究其原因，是在建库前进行的工程地质研究不充分，没有查清可能的渗漏通道和渗漏量。因此，水库的勘探设计工作要象坝址的设计一样对待。一、水库渗漏方式1、暂时性渗漏在蓄水过程中，因浸润、饱和库盆内岩层而导致库水量的减少，称为暂时性渗漏。当库水位下降时，这部分水还会流入水库，除了正常的消耗外，不会漏向库外。只延缓水库蓄满的时间，不会影响总库容量。这种渗漏量的大小取决于被饱和岩（土）体的总体积及其孔隙率和天然含水量。2、永久性渗漏库水通过渗漏通道向库外邻谷或洼地的渗漏。它直接导致库水量的损失，其大小关系着水库能否正常运行，滞洪作用。工程地质的任务就是要查清可能的渗漏通道，并估算渗漏量。二、水库渗漏通道的地质条件分析㈠岩性条件

通道主要有两类：第四纪松散沉积物，特别是河流冲积—洪积层，常以古河道形式埋藏着，并沟通库内外；基岩中存在有贯通库内外的溶洞层、未胶结或胶结不良的断裂破碎带、古风化壳、多气孔构造的火山岩等，往往成为渗漏的重要通道。天开水库，存在古河道及喀斯特渗漏。未采取防渗措施，很短时间使库水全部漏失。图13-1天开水库渗漏示意图二、水库渗漏通道的地质条件分析㈡地形地貌条件水库与相邻河谷间分水岭的宽窄和邻谷下切深度对水库渗漏形象很大。当地形分水岭很单薄，而邻谷又低于库水位很多时，就具备了水库渗漏的地形条件。

图13-1天开水库渗漏示意图二、水库渗漏通道的地质条件分析㈢水库渗漏的地质构造分析渗漏除了与岩性有关外，还取决于地质构造情况。⑴背斜构造的河谷地带，存在透水地层。图13-2背斜构造与水库渗漏二、水库渗漏通道的地质条件分析1、水库渗漏的地质构造分析⑵向斜构造的河谷地带，存在透水地层。图13-3向斜构造与水库渗漏二、水库渗漏通道的地质条件分析1、水库渗漏的地质构造分析⑶断层，可能引起渗漏或起阻水作用。图13-4断层与水库渗漏二、水库渗漏通道的地质条件分析㈣地下水位分析渗漏还取决于河谷间的地下水位、水库正常高水位和邻谷水位三者之间的关系，可能出现四种情况。⑴蓄水前，河间无地下水分水岭，水库河段河水向邻谷渗漏。⑵蓄水前，河间有地下水分水岭，其高程远低于水库正常高水位。图13-5河间地块地下水位与水库渗漏二、水库渗漏通道的地质条件分析㈣水库渗漏的地下水位分析⑶河间地下水分水岭略低于水库正常高水位。⑷河间地下水分水岭高于水库正常高水位。总之，要想查清库区是否存在产生永久性渗漏的地下通道，应将地层、岩性、地貌、构造与水文地质条件联系起来，综合分析。图13-5河间地块地下水位与水库渗漏第二节库岸稳定

定义：水库蓄水后，水库周边岸坡在水位升降及风浪冲蚀作用下，发生坍塌破坏，并逐渐再造形成新的稳定岸坡，即水库塌岸或水库边岸再造。

严重的再造过程会带来较大的危害：蚕食周边农田、威胁建筑物安全、破坏各种交通设施、形成水库淤积、可能诱发大规模的岩崩及滑坡-堵塞水库航道、危及大坝安全等。如官厅水库、三门峡水库等。一、水库边岸的再造过程再造过程主要分以下几个步骤：⑴

水库岸壁的初期破坏：蓄水初期，岩土受浸泡饱和以及波浪的冲蚀，开始形成岸壁塌落。⑵浪蚀龛及浅滩的形成：在库岸较高地带，水位附近岩土受波浪淘蚀，逐渐形成佛龛状地形。波蚀物质堆积在波蚀龛下，形成浅滩。图13-9水库边岸再造示意图一、水库边岸的再造过程再造过程主要分以下几个步骤：⑶岸壁后退、浅滩增加：随着库水位的升降变化，浪蚀龛不断加深、上部岩土受重力作用而塌落，岸壁后移，浅滩扩大。⑷稳定岸坡的形成：由于浅滩的形成和扩大，近岸水变浅，击岸路程加长，削弱了冲蚀能量，进而限制了浅滩的继续发展，直至冲蚀和堆积作用基本停止，岸坡臻于稳定。图13-9水库边岸再造示意图二、水库塌岸因素的分析再造过程受多种因素影响，岩性及地貌地质和水文气象条件起着决定性的作用。1、库岸岩性及构造条件

岸边地形坡度、岩土性质及地质构造是影响塌岸的基本因素。坚硬岩石和部分半坚硬岩石，若其中存在软弱夹层或结构面；半坚硬岩石中存在抗冲蚀性差的粘土岩、页岩等；第四纪松散（软）土层，特别是黄土类土分布区。2、库岸形态地貌形态对塌岸也有一定影响，如陡峭的高坡库岸易形成塌岸带；冲沟发育、库岸弯曲的地带一般比地形完整、库岸平直地带所产生的塌岸活动强烈。平原比山区受影响小。二、水库塌岸因素的分析3、水文气象条件库面波浪、库岸环流、库水位的变化、大气降雨以及浮冰作用等，对塌岸均有一定影响，其中以风浪冲蚀作用最为显著。风浪的大小取决于风向、风速及吹程的长短。3、其他因素水文地质条件、植被情况、自然地质现象等都与塌岸带的形成和发展有关。观测发现，由于岩土充水饱和后抗剪强度降低和地下水动水压力的作用，最易产生塌岸。总之，要综合分析水库塌岸及其发展，找出矛盾的主要方面。三、库岸坍滑的类型及稳定性评价水库岸坡分为土质岸坡和岩质岸坡两大类，其破坏形式差别大。P245表14-1。1、土质岸坡2、岩质岸坡四、水库塌岸带的预测水库塌岸带宽度和破坏范围的预测，直接关系到移民数量、新居民点的建设和库岸防护工程的兴建。对于黄土或黄土质库岸塌岸预测已有一些成功的实例，可供参考，如河北官厅水库、河南三门峡水库等。对于基岩库岸，应根据遥感资料及地面地质测绘工作进行确定。第三节水库浸没

水库蓄水后，除了地表水体形成淹没及移民损失外，还使库盆周围岩土受浸润、饱和，地下水位逐渐抬升，导致土壤沼泽化、盐碱化；矿坑充水；建筑物地基条件恶化等，这类问题统称为水库浸没问题。图13-6水库浸没示意图

一、水库浸没的地质条件分析

水库浸没的影响因素是多样的，主要是库岸的地形地貌、岩土性质、地质构造、水文地质条件，其次与水文气象、水库的运行管理以及人为活动有关。

在山区，水库库岸地形坡度大，岩石透水性小，地下水埋藏深，不易形成浸没危害。在山间盆地，特别是平原地区，地势低洼，土层毛细性强，地下水埋藏浅，水库周边易形成浸没。一、水库浸没的地质条件分析

在下列条件下，水库边岸不会形成浸没问题。⑴库岸边坡在正常高水位以上有泉水，即原地下水位已高于浸没水位。⑵存在隔水层，且高于正常高水位。⑶蓄水前，建筑物或植物根系至地下水位的距离大于水库回水高度。图13-7水库边岸不会产生浸没的地质条件三、水库浸没带的预测

在地质勘察基础上，要预测浸没带范围，并研究防止浸没的方案和措施。这涉及到地下水回水计算。地下水回水前和后的流量分别为图13-8水库浸没带的预测计算图在同一单宽剖面两流量相等，则若回水后地下水位（z1+h1）高于该点处土层的临界地下水位，则将产生浸没。不同部门的浸没标准是不同的。第四节水库淤积

一、研究水库淤积的重要性

什么是水库淤积问题？淤积问题不仅影响水库的正常效益，而且直接关系水库的使用寿命。资料分析显示，水库的平均寿命只有137年（美国）和53年（日本）。我国北方黄土分布地区的水库淤积问题很严重。黄河含沙量在全球名列前茅，年总输泥沙量达14.8亿吨，河水最大含沙量为286kg/m3。因此，在黄河流域兴建水库时，解决淤积问题就显得特别重要。二、水库淤积问题的工程地质勘察任务其主要任务就是，查明固体径流（淤积物质）的来源——调查库区上游，包括干流和支流范围内可能引起固体径流的各种地貌地质条件及自然地质现象，以及第四纪松散沉积物的分布位置、范围和数量，确定侵蚀模数，为分析水库淤积量提供依据。水声探测技术：以测量某水库。泥砂等淤积物为例。某水库淤积横断面图二、水库淤积问题的工程地质勘察任务三、防治水库淤积的措施整治水库淤积的措施主要在三个方面：⑴水土保持：在上游易于形成水土流失的地区，修梯田、大坝淤地、大面积的植树造林、种草；⑵水利枢纽的建设中：增设清淤排砂工程（如在坝身留底孔或布置大孔口排砂隧洞等）；⑶水库调度管理：要作到科学地运行管理，如部分工程采用的“两蓄一泄”，以及缓洪排砂、异重流排砂、泄空冲砂等。第五节水库诱发地震

水库诱发地震，并不同程度地造成了损失和危害，引起了世界各国的极大关注。据统计，96座（我国14）。如印度柯伊纳水库（6.4级）、赞比亚-津巴布韦的卡里巴水库（6.1级）、我国广东新丰江水库（1963年，6.1级）。为此，世界大坝委员会及我国水利水电部门都作出明确要求，在规划、设计时，要进行水库诱发地震的调查和研究，并进行可行性论证。一、水库诱发地震的特点水库诱发地震的特点：⑴震源浅，影响范围较小，但震中烈度却不一定小；⑵震中一般在库区范围以内，即始终与水的作用有关；⑶形成机理，是以岩石的弹脆性破裂为主，少见有粘滑性破坏。⑷水库何时诱发地震，与库区地质体的背景及水库水位升降密切相关。滞后时间短，滞后时间长等。二、水库诱发地震的类型我国的水库诱发地震主要有以下三种类型：⑴应力型：发生在新构造活动断裂地区，在原构造应力基础上，后在库水附加应力和地下水作用下，诱发地震。特点是震级高、震源深、主震滞后时间长。如新丰江、佛子岭等水库。⑵重力型：主要由喀斯特溶洞塌陷、滑坡或山崩的重力为源而产生的。特点是震级低、震源浅、震中呈点分布或原地重复出现。如乌溪江、黄石、乌江渡等。⑶重力应力型：发生在断陷盆地和巨大的重力梯级带上的喀斯特发育地带，是在重力场和区域地应力的双重作用下，以及库水的作用下形成的。特点是震级比应力型低，震中呈点线结合分布，震源由浅变深，再逐渐变浅。如丹江口、前进水库等。三、水库诱发地震的成因水库诱发地震的本质可以简单表示为“储能地质体+水的作用”。水库蓄水后，由于地球局部增加了库水的体积重，以及水的下渗，不仅使地质体产生了重力场和应力场的变化，而且产生了各种各样的地球物理及化学变化，使地质体变成了地下储能体，当其内部应力达到或超过岩体破坏极限时，地下岩体开始破裂，进而引发地震。

水的作用是多样的：形成水压力、软化或泥化岩石、溶蚀岩石、改变地温、使地质体膨胀或收缩、汽化或水化等。

四、水库诱发地震的预测水库诱发地震的预测工作，不仅具有理论意义，而且有使用价值。由于未能及时对水库诱发地震作出预测，一些工程被停止或推迟。如美国的奥本大坝、丹江口水库二期工程等。国内外已积累了不少经验，主要是查清库区的地质背景和水文地质条件。据现有资料显示，多数诱发地震发生在有发震条件的地带，发震前会有一些前兆现象（微震活动、泉水突变、波速比异常等）。在上述工程地质勘察及前兆现象观测基础上，需要对最大地震的震级、烈度、发生时间等作出预测。震级要依据水库库容、水柱高度、储水速度和高水位持续时间等因素，发生时间与水库水位的升降有关，烈度预测要保守一些。第六节地下水库

一、概述地下水库的定义。P207

天然的地下蓄水构造，可由河流冲积层、山前冲积洪积层、断裂和褶皱构造、可溶岩地区的喀斯特等组成。一座理想的地下水库，应具备能蓄存水和补给、径流、排泄通畅的水文地质条件。地下水库的工作原理。图13-10地下水库工作原理示意图一、概述与地面水库相比，地下水库的具有以下特点：⑴不占农田，没有淹没损失，不存在移民和边岸再造问题。⑵蒸发损失极少，对农田可进行旱、涝、碱综合治理。⑶库水经含水层过滤、净化，水质良好，水温稳定。⑷有利于战备，抗地震能力强，水库及枢纽工程安全可靠。⑸工程简单，施工较易，使用方便，投资少（1/10～4/10），收益快。一、概述因此，近年来国内外愈来愈重视地下水库的兴建和利用。国外发展较快。我国近年在北方干旱和半干旱地区兴建或筹建大中型地下水库，在南方喀斯特地区，在暗河上筑坝，形成地下水库。地下水库也存在缺点和尚需解决的问题，如：⑴平原地区不能进行自流灌溉，需要打井提水，增加了能耗。⑵所需的地下蓄水构造和水文地质条件，仍有一定局限。⑶可能引起大面积土壤盐碱化和沼泽化。⑷以洪水