第5章水利工程常见的地质问题(5.1水库的工程地质问题研究

②建库河谷是地下水补给区。此最为不利，易产 生大量渗漏。当河谷是该区地下水补给区时，往 往具有下述地形和水文地质特征，应特别注意库 水外漏的问题。 A.盲谷：河谷突然中断处往往是地表水转入地下 的人口位置，系水库蓄水后库水外漏的通道入口。 B.谷底落水洞：若谷底落水洞发育，修建水库， 落水洞是库水外漏的通道入口。 C.谷底溶洞：谷底若有溶洞口是入水口，亦属大 型渗漏通道。 当河谷是地下水补给区时，必须查清外漏通道， 采取有效措施，否则水库漏水是很难避免的。
5.1 水库的 工程地质问题研究
一、水库的要工程地质问题概述
1．水库蓄水会使库内一些城区和居民点、古迹、文 物、工矿企业、铁路、公路和其他一些重要建筑物以 及大片农田、森林等受到“淹没”。 2．水库蓄水会使两岸地下水位抬高，使一些地区发 生“浸没”，甚至地上建筑物也受到危害，有些地区 甚至发生沼泽化、盐渍化，导致农作物无法种植、土 地荒芜、工矿企业排水困难。在低洼地区会引起土地 充水、沼泽化、盐渍化或地下水淹没。 3．水库若存在严重“渗漏”，会影响水利枢纽正常 运行。
2.裂隙岩层坝区的渗漏条件 在裂隙岩层分布区，由于岩层中各种结构 面的透水能力的不同，以及河谷地貌和地 质构造的差异，使建坝所导致的渗漏在不 同地区或地段内有显著的不同。
河谷地貌与地质结构条件对坝区渗漏有显 著影响。
河谷平面形态与坝区渗漏的关系
四、岩层渗透性指标
表征岩层渗透性的指标有三个，即渗透系数(k)、单 位吸水量(w)和透水率(q)。这三个指标是评价坝、 库是否渗漏或估算渗漏量时的重要参数，也是地基 防渗处理设计的水文地质依据。 1．渗透系数(k) 法国水力学家达西曾通过大量的试验，发现地下水 层流的渗透速度(v)与水力坡度(I)成正比，写成公式 为: v=kI 式中：v为渗透速度（m/d）；I为水力坡度；k为渗 透系数。
在生产实践中，多采用抽水试验确定岩体的渗透系数k值:
2.单位吸水量（w）和透水率（ｑ）
单位吸水量是在单位压力下每米试验段、每分钟压 入岩层中的水量，以L/(min· m· 104Pa)表示。它是在 岩层中进行压水试验所测得的岩层渗透性指标。新 的压水试验的成果为岩层透水率（ｑ，Lu），１ Lu（吕荣）单位为：在l MPa的压力下，每米试验 段的平均压人流量，以L／ min计，即：1 Lu等于 在1 MPa的压力下，每米试段压人的流量为1L／ min。试验要求试段长为5m左右，每个试段的试验 时间为10min。1Lu一般相当于单位吸水量w值为 0．01L／(min· m· 104Pa)时的渗透量。
库区渗漏的地质条件分析
1.库区渗漏的类型 （１）暂时性渗漏 水库蓄水初期，由于库水位逐渐抬高，因湿润、饱和 库水位以下岩土层的孔隙、裂隙和空洞，导致库水量 损失。但库水不漏出库外，因此，水量损失是暂时的。 （２）永久性渗漏 指水库蓄水后，库水通过库岸或库盆底部的岩土体中 的孔隙、裂隙、断层及溶隙、溶洞等渗漏通道，向库 外邻谷、低地或远处低洼排水区不断渗水。
（６）岩溶库区渗漏分析 岩溶地区水库漏水问题的分析，关键是： A.查清该区地形、地层、岩性、构造和水文地 质等情况； B.在以上基础上进一步查清岩溶发育程度和岩 溶形态的延伸分布规律。 这里仅结合水库渗漏问题，进一步研究和补充。
岩溶渗漏通道按其规模可分： ①大型的，如溶洞、暗河和落水洞等； ②中型的，如被溶蚀而加大了空隙的断层和大 型溶隙； ③小型的，如溶孔和小型溶隙等。 其中以第①类渗漏规模最大，第③类渗漏规模 最小。三者往往互相串通。因此，从实际意义 而言，查清岩溶渗漏通道主要是指查清①、② 类通道而言。
绕坝渗漏示意图
1.松散岩层的坝区渗漏条件 在松散岩层地区建坝，渗漏主要是通过透水性 强的砂砾石层发生的。砂砾石层有的是现代河床沉 积，有的是位于阶地之上，也有的是古河道沉积。 古河道砂砾石沉积可以是埋藏在河岸一侧，也可以 分布于阶地之上。有时砂砾石层与不透水层成互层 结构，对此，应给予充分注意。一般在河谷狭窄、 谷坡高陡的坝区，砂砾石层仅分布于谷底，因此， 坝区渗漏主要发生在坝基。而在宽谷区当谷坡上分 布有多级阶地时，库水除沿坝基渗漏外，还可能发 生绕坝渗漏。
基岩一般比较坚硬致密，孔隙率小。库水 如果要通过基岩发生渗漏，主要取决于各种 裂隙和溶洞的存在情况，以及沉积岩的层面 充填情况。 在第四纪的松散沉积层中，对水库渗漏有 重大意义的是未经胶结的砂砾(卵)石层，这 些砂砾石、砾石、卵石层空隙大、透水性强， 如果库区存在这些强透水层并沟通库区内外， 就可以成为水库渗漏的通道。
某水库库区渗漏示意图
（３）地质构造
与水库渗漏有密切关系的地质构造，主要有断 层破碎带或断层交汇带、裂隙密集带、背斜及向 斜构造、岩层产状等。 断层的存在，特别是未胶结或胶结不完全的断 层破碎带，都是水库渗漏的主要通道。 背斜构造和向斜构造与水库渗漏的关系，主要 应从两个方面来分析。一是背斜和向斜核部伴生 的节理密集带或层间剪切带可能成为渗漏的通道； 另一方面主要由透水层与隔水层相互配合和产状 情况来决定。
断层与水库渗漏的关系
（４）水文地质条件
库区的水文地质条件是水库能否发生渗漏的重 要条件之一，尤其是库岸有无地下水分水岭，以 及地下水分水岭的高程，对水库的渗漏具有决定 性的意义。而地下水的某些特征，则可以用来直 接判断库区渗漏问题。 根据地下水分水岭脊线的高程与水库正常高水 位的关系，可判断水库是否有向邻谷渗漏的可能。 此时有四种情况： A.建库前的地下水分水岭高于水库正常高水位， 建库后一般不会产生向邻谷渗漏，如图(a)所示。
4．当水库受到冲刷和侵蚀时会引起“库岸再造”， 有些地段形成滑坡、崩塌和冲蚀。有古滑坡存在的条 件下会发生滑坡“复活”。 5 ．水库淤积，库容体积减小．使农业、航运、渔业 条件恶化，自然环境条件受到影响。 6．泥炭层、垃圾场以及工厂污水废料排放到水库使 水库水质变坏，卫生条件变差，导致生活用水、灌溉 用水受到污染，引发一些疾病。 7．有的水库会诱发地震。
永久性渗漏，大多沿下列部位发生： （１）通过库岸分水岭向邻谷或低地渗漏； （２）坝下游河道是弯道，库水通过库岸向下游 河道渗漏；库水通过库底向远处低洼排泄区渗漏。
库区永久渗漏方式
２.据渗漏通道划分的水库渗漏的类型
按渗漏通道的性质，一般可划分为以下几种类型： (1)孔隙渗漏型。库水主要通过第四纪松散土层发生渗漏， 例如黄土、各种粒径的砂层及砾石等。这一类型的渗漏 量主要取决于土层的孔隙率及空隙直径的大小和土层分 布的范围。 (2)裂隙渗漏型。库水主要通过岩、土体内的裂隙进行渗 漏，包括可透水的各种原生裂隙、次生裂隙以及断层破 碎带的裂隙。裂隙型渗漏量的大小取决于断层性质、规 模、充填物及填胶程度及裂隙的张开度和密集程度等。 (3)溶洞渗漏型。喀斯特地区的水库，库水通过各种规模 的溶洞发生渗漏。 除了以上三种基本类型外，尚有孔隙—裂隙渗漏型和裂 隙—溶洞渗漏型等混合型渗漏。
B.河水面附近有明显的溶洞层时，回水后库水将沿 溶洞倒灌。若该溶洞底板的高程比库水位高，则 不会成为库水直接外漏的通道。此时，若溶洞在 库水位高程以内，但最近邻谷(或邻谷的溶洞系统) 间岩体很厚，岩溶不发育，透水性不大，则虽发 生库水倒灌，但可能不会形成渗漏；若溶洞与邻 谷(或邻谷的溶洞系统)间的岩体很薄，透水性很强， 则可能形成大量渗漏。当然，若溶洞与邻谷的溶 洞系统已经在库水位高程以下串通，则必将产生 大量渗漏。
C.岩溶形态是地下水从补给区流向排泄区，沿 岩体内各种结构面溶蚀而成的通道。 因此对穿越分水岭的断层破碎带、节理密集带、 不整合面、褶皱轴面等，应特别注意查清是否 已形成岩溶渗漏通道。 D.多层岩溶地层与非岩溶地层交互地带的渗漏 问题。在查清岩溶地层的透水性以后，可按一 般沉积岩地区隔水层和透水层互层的分析原则， 判断其漏水的可能性。
水库岩溶渗漏基本条件判别
水库岩溶渗漏分级表
①建坝河谷是地下水排泄区 在这种情况下应注意： A.水平循环带和谷底循环带是最易出现岩溶渗漏 的位置。河床两岸地下水接近垂直方向流人河床 的叫横向径流地段，平行河水流向的方向流人河 床的叫纵向径流地段。纵向径流地段容易发育纵 向的岩溶形态，成为库水外渗的通道。易出现的 地段：a．河流纵坡由平缓突变为较陡的地段，在 这个转折点处易发育谷底的纵向岩溶形态；b．河 流的凸岸，特别是河湾间或河曲间地段河岸，易 发育岸边纵向岩溶形态。
坝区渗漏条件分析
大坝建成后，坝上游水位抬高，在上、下游水位 差的作用下，库水可能通过坝基或坝肩岩层中的 孔隙、裂隙、破碎带向下游渗漏。前者称为坝基 渗漏，后者称为绕坝渗漏。 坝区渗漏形式分为均匀渗漏和集中渗漏两种。前 者，如通过砂砾石层和基岩中较为均布的风化裂 隙的渗漏；后者，如通过较大的断裂破碎带和各 种岩溶通道的渗漏。
地下水分水岭与渗漏的关系
对于承压水(或建库后可能出现的承压水)。只要 透水层穿过了分水岭，而其两端分别在库区和邻 谷(或低洼地)出露，且其出露高程均低于水库正 常高水位，则库水就能沿透水层以承压水形式流 向邻谷。 当建坝前库区有承压水露头时，只要泉水口高 程超过水库正常高水位且其内部通道没有与低处 泉水串通，则库水就不会沿该承压含水层漏走。 若泉水口高程低于库水位，库水能否沿承压含水 层漏走，则应根据承压水含水层的补给区和排泄 区的具体情况确定。
（２）岩性条件
强透水层可以导致水库渗漏，隔水层的存在则可 以起到防渗作用。 能够起防渗作用的是微弱透水或基本不透水的岩 层，如粘土类岩中的粘土岩、页岩和粘土质沉积层， 以及完整致密的各种坚硬岩层。如果库盆或水库周 围有隔水层存在，就能够起挡水作用，使库水不致 向库外渗漏。
（２）岩性条件
强透水层可以导致水库渗漏，隔水层的存在则可 以起到防渗作用。 能够起防渗作用的是微弱透水或基本不透水的岩 层，如粘土类岩中的粘土岩、页岩和粘土质沉积层， 以及完整致密的各种坚硬岩层。如果库盆或水库周 围有隔水层存在，就能够起挡水作用，使库水不致 向库外渗漏。
3.水库渗漏条件分析
水库发生渗漏的条件主要有三个： 一是构成库盆的岩体是透水的，如果水库坐落在粘 土岩地区，或库盆被厚层粘土所覆盖，这种水库基 本上是不漏水的； 二是库外存在有比库水位低的排泄区； 三是库水位高于库岸的地下水位，库水才能向库外 渗漏。由此可见，水库渗漏的发生主要与岩性和地 质构造、地形及水文地质条件有关。具备上述三个 条件的水库，就可能发生渗漏。
库坝区渗漏简介
库坝区渗漏是指库水沿岩石孔隙、裂隙、断层、溶洞 等向库盆以外或通过坝基(肩)向下游渗漏水量的现象。 水库的作用是蓄水兴利，在一定的地质条件下，水库 蓄水期间及蓄水后会产生渗漏。对任何一座水库来说， 在未采取有效的工程处理措施的情况下，如果存在严 重的渗漏现象，将会直接影响到该水库的效益。而坝 区的渗漏，在不少情况下往往导致坝基产生渗透变形， 威胁到大坝的安全。 在工程设计中，一般都要求使水库的渗漏量小于该河 流段平水期流量的1％-3％。
（１）地形地貌条件
水库渗漏与不同的地貌单元密切相关。 如果库岸山体单薄，又有邻谷存在且下切较深，库 水外渗的可能性就大。 若水库修建在基岩山区河谷急剧拐弯处，河湾之间 的山脊有的地方可能会很狭窄，这样的地形条件， 就有可能产生水库渗漏。 平原地区河谷一般切割较浅，库区与邻谷常相距很 远，库水若要穿过河间地块向邻谷渗漏，一般是不 容易的。但在河曲发育地段，河间地块比较单薄， 则属可能产生渗漏的地形。
B.建库前的地下水分水岭低于水库水位，则蓄水 后将会向邻谷渗漏，如图(b)所示。 C.建库前地下水就从库区河谷流向邻谷，蓄水后 水头更大，渗漏更严重，如图(c)所示。 D.建库前邻谷河水经地下流向库区河谷,邻谷水位 低于建库后的库水位，建库后库水将向邻谷渗漏如 图(d)所示。 有时，地下水分水岭虽略低于水库正常高水位， 但由于蓄水后库水的顶托作用，地下水分水岭最后 可能略高于库水位，库水不致外漏。在分水岭很宽 厚、岩土体的透水性较小时，库水更不会外漏。