工程地質(zhì)課件 第十四章 水庫的工程地質(zhì)研究-new

第十四章水庫的工程地質(zhì)研究

工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

水庫分兩大類：地面水庫、地下水庫。地面水庫的興建歷史已非常悠久。全球總蓄水量達5000km3以上，我國修建的有86400余座。但是，我國的地下水庫為數(shù)甚少，有待開發(fā)。水庫的規(guī)劃設(shè)計，主要包括：流域規(guī)劃、梯級開發(fā)、綜合利用、壩庫址選擇、樞紐布置、渠系配套等，這些都涉及到工程地質(zhì)與水文地質(zhì)研究。

本章介紹：水庫的滲漏、淹沒及浸沒、淤積、邊坡再造、水庫誘發(fā)地震、地下水庫等。第一節(jié)水庫滲漏

在一定的地質(zhì)條件下，水庫蓄水過程中及蓄水后，會發(fā)生庫水滲漏。工程設(shè)計要求使水庫的滲漏量小于該河流段平水期流量的1%～3%。在未采取有效工程措施的情況下，大面積或集中性的大量滲漏，必然會影響水庫的運行及經(jīng)濟效果。如國外的土耳其五月水庫、西班牙蒙特亞鳩水庫、美國海爾斯——巴爾水庫等，我國的十三陵水庫、天開水庫等。究其原因，是在建庫前進行的工程地質(zhì)研究不充分，沒有查清可能的滲漏通道和滲漏量。因此，水庫的勘探設(shè)計工作要象壩址的設(shè)計一樣對待。一、水庫滲漏方式1、暫時性滲漏在蓄水過程中，因浸潤、飽和庫盆內(nèi)巖層而導(dǎo)致庫水量的減少，稱為暫時性滲漏。當庫水位下降時，這部分水還會流入水庫，除了正常的消耗外，不會漏向庫外。只延緩水庫蓄滿的時間，不會影響總庫容量。這種滲漏量的大小取決于被飽和巖（土）體的總體積及其孔隙率和天然含水量。2、永久性滲漏庫水通過滲漏通道向庫外鄰谷或洼地的滲漏。它直接導(dǎo)致庫水量的損失，其大小關(guān)系著水庫能否正常運行，滯洪作用。工程地質(zhì)的任務(wù)就是要查清可能的滲漏通道，并估算滲漏量。二、水庫滲漏通道的地質(zhì)條件分析㈠巖性條件

通道主要有兩類：第四紀松散沉積物，特別是河流沖積—洪積層，常以古河道形式埋藏著，并溝通庫內(nèi)外；基巖中存在有貫通庫內(nèi)外的溶洞層、未膠結(jié)或膠結(jié)不良的斷裂破碎帶、古風化殼、多氣孔構(gòu)造的火山巖等，往往成為滲漏的重要通道。天開水庫，存在古河道及喀斯特滲漏。未采取防滲措施，很短時間使庫水全部漏失。圖13-1天開水庫滲漏示意圖二、水庫滲漏通道的地質(zhì)條件分析㈡地形地貌條件水庫與相鄰河谷間分水嶺的寬窄和鄰谷下切深度對水庫滲漏形象很大。當?shù)匦畏炙畮X很單薄，而鄰谷又低于庫水位很多時，就具備了水庫滲漏的地形條件。

圖13-1天開水庫滲漏示意圖二、水庫滲漏通道的地質(zhì)條件分析㈢水庫滲漏的地質(zhì)構(gòu)造分析滲漏除了與巖性有關(guān)外，還取決于地質(zhì)構(gòu)造情況。⑴背斜構(gòu)造的河谷地帶，存在透水地層。圖13-2背斜構(gòu)造與水庫滲漏二、水庫滲漏通道的地質(zhì)條件分析1、水庫滲漏的地質(zhì)構(gòu)造分析⑵向斜構(gòu)造的河谷地帶，存在透水地層。圖13-3向斜構(gòu)造與水庫滲漏二、水庫滲漏通道的地質(zhì)條件分析1、水庫滲漏的地質(zhì)構(gòu)造分析⑶斷層，可能引起滲漏或起阻水作用。圖13-4斷層與水庫滲漏二、水庫滲漏通道的地質(zhì)條件分析㈣地下水位分析滲漏還取決于河谷間的地下水位、水庫正常高水位和鄰谷水位三者之間的關(guān)系，可能出現(xiàn)四種情況。⑴蓄水前，河間無地下水分水嶺，水庫河段河水向鄰谷滲漏。⑵蓄水前，河間有地下水分水嶺，其高程遠低于水庫正常高水位。圖13-5河間地塊地下水位與水庫滲漏二、水庫滲漏通道的地質(zhì)條件分析㈣水庫滲漏的地下水位分析⑶河間地下水分水嶺略低于水庫正常高水位。⑷河間地下水分水嶺高于水庫正常高水位。總之，要想查清庫區(qū)是否存在產(chǎn)生永久性滲漏的地下通道，應(yīng)將地層、巖性、地貌、構(gòu)造與水文地質(zhì)條件聯(lián)系起來，綜合分析。圖13-5河間地塊地下水位與水庫滲漏第二節(jié)庫岸穩(wěn)定

定義：水庫蓄水后，水庫周邊岸坡在水位升降及風浪沖蝕作用下，發(fā)生坍塌破壞，并逐漸再造形成新的穩(wěn)定岸坡，即水庫塌岸或水庫邊岸再造。

嚴重的再造過程會帶來較大的危害：蠶食周邊農(nóng)田、威脅建筑物安全、破壞各種交通設(shè)施、形成水庫淤積、可能誘發(fā)大規(guī)模的巖崩及滑坡-堵塞水庫航道、危及大壩安全等。如官廳水庫、三門峽水庫等。一、水庫邊岸的再造過程再造過程主要分以下幾個步驟：⑴

水庫岸壁的初期破壞：蓄水初期，巖土受浸泡飽和以及波浪的沖蝕，開始形成岸壁塌落。⑵浪蝕龕及淺灘的形成：在庫岸較高地帶，水位附近巖土受波浪淘蝕，逐漸形成佛龕狀地形。波蝕物質(zhì)堆積在波蝕龕下，形成淺灘。圖13-9水庫邊岸再造示意圖一、水庫邊岸的再造過程再造過程主要分以下幾個步驟：⑶岸壁后退、淺灘增加：隨著庫水位的升降變化，浪蝕龕不斷加深、上部巖土受重力作用而塌落，岸壁后移，淺灘擴大。⑷穩(wěn)定岸坡的形成：由于淺灘的形成和擴大，近岸水變淺，擊岸路程加長，削弱了沖蝕能量，進而限制了淺灘的繼續(xù)發(fā)展，直至沖蝕和堆積作用基本停止，岸坡臻于穩(wěn)定。圖13-9水庫邊岸再造示意圖二、水庫塌岸因素的分析再造過程受多種因素影響，巖性及地貌地質(zhì)和水文氣象條件起著決定性的作用。1、庫岸巖性及構(gòu)造條件

岸邊地形坡度、巖土性質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造是影響塌岸的基本因素。堅硬巖石和部分半堅硬巖石，若其中存在軟弱夾層或結(jié)構(gòu)面；半堅硬巖石中存在抗沖蝕性差的粘土巖、頁巖等；第四紀松散（軟）土層，特別是黃土類土分布區(qū)。2、庫岸形態(tài)地貌形態(tài)對塌岸也有一定影響，如陡峭的高坡庫岸易形成塌岸帶；沖溝發(fā)育、庫岸彎曲的地帶一般比地形完整、庫岸平直地帶所產(chǎn)生的塌岸活動強烈。平原比山區(qū)受影響小。二、水庫塌岸因素的分析3、水文氣象條件庫面波浪、庫岸環(huán)流、庫水位的變化、大氣降雨以及浮冰作用等，對塌岸均有一定影響，其中以風浪沖蝕作用最為顯著。風浪的大小取決于風向、風速及吹程的長短。3、其他因素水文地質(zhì)條件、植被情況、自然地質(zhì)現(xiàn)象等都與塌岸帶的形成和發(fā)展有關(guān)。觀測發(fā)現(xiàn)，由于巖土充水飽和后抗剪強度降低和地下水動水壓力的作用，最易產(chǎn)生塌岸?？傊C合分析水庫塌岸及其發(fā)展，找出矛盾的主要方面。三、庫岸坍滑的類型及穩(wěn)定性評價水庫岸坡分為土質(zhì)岸坡和巖質(zhì)岸坡兩大類，其破壞形式差別大。P245表14-1。1、土質(zhì)岸坡2、巖質(zhì)岸坡四、水庫塌岸帶的預(yù)測水庫塌岸帶寬度和破壞范圍的預(yù)測，直接關(guān)系到移民數(shù)量、新居民點的建設(shè)和庫岸防護工程的興建。對于黃土或黃土質(zhì)庫岸塌岸預(yù)測已有一些成功的實例，可供參考，如河北官廳水庫、河南三門峽水庫等。對于基巖庫岸，應(yīng)根據(jù)遙感資料及地面地質(zhì)測繪工作進行確定。第三節(jié)水庫浸沒

水庫蓄水后，除了地表水體形成淹沒及移民損失外，還使庫盆周圍巖土受浸潤、飽和，地下水位逐漸抬升，導(dǎo)致土壤沼澤化、鹽堿化；礦坑充水；建筑物地基條件惡化等，這類問題統(tǒng)稱為水庫浸沒問題。圖13-6水庫浸沒示意圖

一、水庫浸沒的地質(zhì)條件分析

水庫浸沒的影響因素是多樣的，主要是庫岸的地形地貌、巖土性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件，其次與水文氣象、水庫的運行管理以及人為活動有關(guān)。

在山區(qū)，水庫庫岸地形坡度大，巖石透水性小，地下水埋藏深，不易形成浸沒危害。在山間盆地，特別是平原地區(qū)，地勢低洼，土層毛細性強，地下水埋藏淺，水庫周邊易形成浸沒。一、水庫浸沒的地質(zhì)條件分析

在下列條件下，水庫邊岸不會形成浸沒問題。⑴庫岸邊坡在正常高水位以上有泉水，即原地下水位已高于浸沒水位。⑵存在隔水層，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離大于水庫回水高度。圖13-7水庫邊岸不會產(chǎn)生浸沒的地質(zhì)條件三、水庫浸沒帶的預(yù)測

在地質(zhì)勘察基礎(chǔ)上，要預(yù)測浸沒帶范圍，并研究防止浸沒的方案和措施。這涉及到地下水回水計算。地下水回水前和后的流量分別為圖13-8水庫浸沒帶的預(yù)測計算圖在同一單寬剖面兩流量相等，則若回水后地下水位（z1+h1）高于該點處土層的臨界地下水位，則將產(chǎn)生浸沒。不同部門的浸沒標準是不同的。第四節(jié)水庫淤積

一、研究水庫淤積的重要性

什么是水庫淤積問題？淤積問題不僅影響水庫的正常效益，而且直接關(guān)系水庫的使用壽命。資料分析顯示，水庫的平均壽命只有137年（美國）和53年（日本）。我國北方黃土分布地區(qū)的水庫淤積問題很嚴重。黃河含沙量在全球名列前茅，年總輸泥沙量達14.8億噸，河水最大含沙量為286kg/m3。因此，在黃河流域興建水庫時，解決淤積問題就顯得特別重要。二、水庫淤積問題的工程地質(zhì)勘察任務(wù)其主要任務(wù)就是，查明固體徑流（淤積物質(zhì)）的來源——調(diào)查庫區(qū)上游，包括干流和支流范圍內(nèi)可能引起固體徑流的各種地貌地質(zhì)條件及自然地質(zhì)現(xiàn)象，以及第四紀松散沉積物的分布位置、范圍和數(shù)量，確定侵蝕模數(shù)，為分析水庫淤積量提供依據(jù)。水聲探測技術(shù)：以測量某水庫。泥砂等淤積物為例。某水庫淤積橫斷面圖二、水庫淤積問題的工程地質(zhì)勘察任務(wù)三、防治水庫淤積的措施整治水庫淤積的措施主要在三個方面：⑴水土保持：在上游易于形成水土流失的地區(qū)，修梯田、大壩淤地、大面積的植樹造林、種草；⑵水利樞紐的建設(shè)中：增設(shè)清淤排砂工程（如在壩身留底孔或布置大孔口排砂隧洞等）；⑶水庫調(diào)度管理：要作到科學地運行管理，如部分工程采用的“兩蓄一泄”，以及緩洪排砂、異重流排砂、泄空沖砂等。第五節(jié)水庫誘發(fā)地震

水庫誘發(fā)地震，并不同程度地造成了損失和危害，引起了世界各國的極大關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，96座（我國14）。如印度柯伊納水庫（6.4級）、贊比亞-津巴布韋的卡里巴水庫（6.1級）、我國廣東新豐江水庫（1963年，6.1級）。為此，世界大壩委員會及我國水利水電部門都作出明確要求，在規(guī)劃、設(shè)計時，要進行水庫誘發(fā)地震的調(diào)查和研究，并進行可行性論證。一、水庫誘發(fā)地震的特點水庫誘發(fā)地震的特點：⑴震源淺，影響范圍較小，但震中烈度卻不一定小；⑵震中一般在庫區(qū)范圍以內(nèi)，即始終與水的作用有關(guān)；⑶形成機理，是以巖石的彈脆性破裂為主，少見有粘滑性破壞。⑷水庫何時誘發(fā)地震，與庫區(qū)地質(zhì)體的背景及水庫水位升降密切相關(guān)。滯后時間短，滯后時間長等。二、水庫誘發(fā)地震的類型我國的水庫誘發(fā)地震主要有以下三種類型：⑴應(yīng)力型：發(fā)生在新構(gòu)造活動斷裂地區(qū)，在原構(gòu)造應(yīng)力基礎(chǔ)上，后在庫水附加應(yīng)力和地下水作用下，誘發(fā)地震。特點是震級高、震源深、主震滯后時間長。如新豐江、佛子嶺等水庫。⑵重力型：主要由喀斯特溶洞塌陷、滑坡或山崩的重力為源而產(chǎn)生的。特點是震級低、震源淺、震中呈點分布或原地重復(fù)出現(xiàn)。如烏溪江、黃石、烏江渡等。⑶重力應(yīng)力型：發(fā)生在斷陷盆地和巨大的重力梯級帶上的喀斯特發(fā)育地帶，是在重力場和區(qū)域地應(yīng)力的雙重作用下，以及庫水的作用下形成的。特點是震級比應(yīng)力型低，震中呈點線結(jié)合分布，震源由淺變深，再逐漸變淺。如丹江口、前進水庫等。三、水庫誘發(fā)地震的成因水庫誘發(fā)地震的本質(zhì)可以簡單表示為“儲能地質(zhì)體+水的作用”。水庫蓄水后，由于地球局部增加了庫水的體積重，以及水的下滲，不僅使地質(zhì)體產(chǎn)生了重力場和應(yīng)力場的變化，而且產(chǎn)生了各種各樣的地球物理及化學變化，使地質(zhì)體變成了地下儲能體，當其內(nèi)部應(yīng)力達到或超過巖體破壞極限時，地下巖體開始破裂，進而引發(fā)地震。

水的作用是多樣的：形成水壓力、軟化或泥化巖石、溶蝕巖石、改變地溫、使地質(zhì)體膨脹或收縮、汽化或水化等。

四、水庫誘發(fā)地震的預(yù)測水庫誘發(fā)地震的預(yù)測工作，不僅具有理論意義，而且有使用價值。由于未能及時對水庫誘發(fā)地震作出預(yù)測，一些工程被停止或推遲。如美國的奧本大壩、丹江口水庫二期工程等。國內(nèi)外已積累了不少經(jīng)驗，主要是查清庫區(qū)的地質(zhì)背景和水文地質(zhì)條件。據(jù)現(xiàn)有資料顯示，多數(shù)誘發(fā)地震發(fā)生在有發(fā)震條件的地帶，發(fā)震前會有一些前兆現(xiàn)象（微震活動、泉水突變、波速比異常等）。在上述工程地質(zhì)勘察及前兆現(xiàn)象觀測基礎(chǔ)上，需要對最大地震的震級、烈度、發(fā)生時間等作出預(yù)測。震級要依據(jù)水庫庫容、水柱高度、儲水速度和高水位持續(xù)時間等因素，發(fā)生時間與水庫水位的升降有關(guān)，烈度預(yù)測要保守一些。第六節(jié)地下水庫

一、概述地下水庫的定義。P207

天然的地下蓄水構(gòu)造，可由河流沖積層、山前沖積洪積層、斷裂和褶皺構(gòu)造、可溶巖地區(qū)的喀斯特等組成。一座理想的地下水庫，應(yīng)具備能蓄存水和補給、徑流、排泄通暢的水文地質(zhì)條件。地下水庫的工作原理。圖13-10地下水庫工作原理示意圖一、概述與地面水庫相比，地下水庫的具有以下特點：⑴不占農(nóng)田，沒有淹沒損失，不存在移民和邊岸再造問題。⑵蒸發(fā)損失極少，對農(nóng)田可進行旱、澇、堿綜合治理。⑶庫水經(jīng)含水層過濾、凈化，水質(zhì)良好，水溫穩(wěn)定。⑷有利于戰(zhàn)備，抗地震能力強，水庫及樞紐工程安全可靠。⑸工程簡單，施工較易，使用方便，投資少（1/10～4/10），收益快。一、概述因此，近年來國內(nèi)外愈來愈重視地下水庫的興建和利用。國外發(fā)展較快。我國近年在北方干旱和半干旱地區(qū)興建或籌建大中型地下水庫，在南方喀斯特地區(qū)，在暗河上筑壩，形成地下水庫。地下水庫也存在缺點和尚需解決的問題，如：⑴平原地區(qū)不能進行自流灌溉，需要打井提水，增加了能耗。⑵所需的地下蓄水構(gòu)造和水文地質(zhì)條件，仍有一定局限。⑶可能引起大面積土壤鹽堿化和沼澤化。⑷以洪水