時間：2011-11-02來源：《黃河規劃設計》
［摘要］通過對黃河中游某水電站除險加固工程區域地質構造、水文地質條件、鉆孔壓水試驗、多年地下水觀測、地下水滲流場等因素的研究，確定了工程區巖溶承壓水影響是其主要工程地質問題，確定了工程區各巖層巖體的滲透系數、分層地下水位，并對影響施工的承壓水提出了相應的處理措施。
［關鍵詞］水電站除險加固 地下水 巖溶承壓水 施工圍堰
1工程概述
黃河中游某水電站位于山西省保德縣與陜西省府谷縣交界處的黃河北干流上，是一座低水頭大流量河床式徑流電站。原樞紐由左岸混凝土重力壩、廠房段、泄洪閘段、島上混凝土重力壩和右岸土壩組成，最大壩高42 m，正常高水位834.0 m，四臺機組裝機容量128 MW，為三等中型水電樞紐工程。工程于1970年4月開工興建，1978年7月四臺機組全部并網發電，目前電站仍在運行。水電站經過近30年運行后，經有關部門鑒定為泄洪能力偏低，列入除險加固工程范圍。除險加固主要內容包括新建兩孔泄洪閘和四個排沙底孔（沿島上重力壩和土壩結合部右岸土壩方向布置），同時對土壩進行加高。壩頂高程均為838.00 m。
2區域地質構造及水文地質
水電站處于呂梁背斜西翼與鄂爾多斯斷塊東緣交接地帶，該區域廣泛分布著下古生代沉積的厚度近700米的碳酸巖層。發育主要構造為：橫山斷裂，由岢嵐經五寨至神池，走向北東，為一扭壓性斷裂，它構成五寨神池盆地底部透水含水層；西岸撓曲，走向北北東或近南北，傾向南西或西，傾角45°～50°，撓曲以東傾角較緩，約為10°～15°；河曲背斜，走向北西，兩翼傾角約為4°～5°，為一低序次平緩短軸背斜。
受此區域地質構造的影響，在神池、五寨等地形成一系列斷陷盆地及巖溶洼地，為降水入滲創造了有利條件。區域內近700 m厚的灰巖地層，節理裂隙及斷裂發育，滲透性強，易形成巖溶地下水，是本區的主要含水層。從水電站鉆孔自流涌水資料看，水頭降低21～22 m，涌水量達5 184 m3/d；據有關資料，水頭降低13～15 m時，涌水量達2 400～3 900 m3/d；苛嵐3號孔，水頭降低10 m時，涌水量達3 900 m3/d，可見該層灰巖含水量大，地下徑流豐富。由于黃河東岸灰巖出露最高高程為2 000 m，即使在盆地底部，灰巖出露高程也在1 112～1 495 m之間，故巖溶地下水排泄方向是由東向西，排泄于黃河河谷，且坡降較緩。
3工程區水文地質特征
3.1含水層特性
工程區主要地層巖性為奧陶系中統第十一層（O112）、十二層（O122）、十三層（O132）、十四層（O142）和第四系全新統沖積物（alO4）。與工程區含水層有關巖層如下:
（1）奧陶系中統第十一層（O112）：灰色灰巖及灰白色白云質灰巖，厚度5.5～7.0 m，巖性堅硬，分布在河床底部，被第十二層（O122）層覆蓋，僅在土壩上游100 m以遠的河床覆蓋層下直接與砂礫石層接觸，形成“透水天窗”。該層含水量豐富，為工程區主要承壓含水層。
（2）奧陶系中統第十二層（O122）：灰色角礫狀灰巖及灰黃色泥質灰巖互層，整層厚度13.6～17.0 m，巖性較軟，夾有多層軟弱夾層。該層分布于河床底部，上覆河床砂礫石層和第十三層（O132）。該層為工程區相對隔水層。
（3）奧陶系中統第十三層（O132）：棕灰色厚層灰巖，厚度19～21.0 m，巖性堅硬，距該層頂部3～5 m，發育一層0.3～0.6 m的軟弱夾層，在工程區連續分布。該層受河流切割，主要分布于水寨島部位及兩岸第十四層（O142）層巖體之下。該層在水寨島部位為孤立巖層，為自由層間水，在兩岸壩肩為巖溶承壓水。
（4）河床沖積層（alQ4）：該層分布于黃河河床覆蓋層中，河床覆蓋層在壩上游厚近35 m，在壩下游厚5～20 m，為工程區主要潛水含水層。
水電站工程區上游圍堰地質剖面示意圖見下圖
3.2地下水特征
根據地下水埋藏條件及賦水介質類型，工程區地下水可劃分為第四系松散巖類孔隙潛水和奧陶系中統的灰巖裂隙～巖溶承壓水兩類。黃河為兩岸地表水及地下水的主要排泄區。
第四系松散巖類孔隙潛水分布于上、下游黃河河床覆蓋層中，河床覆蓋層在壩上游厚近35 m，在壩下游厚5～20 m。受大氣降雨、岸邊及下部奧陶系中統灰巖承壓水補給，上游水位與庫區水位相同，下游水位在高程815～820 m之間。
奧陶系灰巖裂隙水～巖溶承壓水補給主要是黃河東岸五寨、苛嵐一帶的遠區補給，排泄于黃河河谷。結合前期勘察資料，根據巖溶地下水的賦存、補給、排泄條件不同，把工程區灰巖裂隙水主要含水層為O132層及O112層。上部O132層在水寨島部位為孤立巖層，為自由層間水，在兩岸壩肩為巖溶承壓水；下部O112層巖溶水為承壓水，補給區遠。
建壩前河床中上部O122層、O132層承壓水位基本相同，在817～818 m之間，高出當時黃河水位2 m左右，覆蓋層水位平均為816.37 m，三個含水層水位近似，含水層間水力聯系密切。水電站蓄水后，電站廠房、泄洪閘下O122、O132層承壓水位在有排水設置的情況下，一般隨上游水位升降而升降，在高程815.0～819.0 m之間；水寨島部位地下水位在816.0～820.0 m之間。
下部O112層灰巖、白云質灰巖巖性堅硬，裂隙發育，為強透水巖體，含水量豐富，埋藏較深，僅在土壩壩軸線上游河床有局部出露。在擬建泄洪閘建筑物區，位于F1斷層與鐵匠鋪—林英會地塹之間，O112層上部有厚13.6～17.0 m的O122層相對隔水層，對O112層含水層來說封閉條件好，排泄條件差，地下水的排泄通道以O122層的導水裂隙為主。O122層含水承壓明顯，在電站修建前水頭達824～825 m，高出O122層承壓水頭約7 m，高出河水位近10 m。據觀測資料，黃河水位平均上升1 m，O122層承壓水位上升0.57～0.64 m。電站蓄水后，O112層承壓水位相應地抬高，一般升高到837～840 m，高出庫水3～6 m。
3.3巖體的滲透性
據鉆孔壓水和涌水試驗資料，O132層灰巖的透水率在9.6～114.2 Lu，為弱～強透水層；O122層泥灰巖、泥質角礫狀灰巖的巖體單位吸水率在0.25～0.79 Lu，為微透水；O132層與O122層相交部位透水率在6.9～78.2 Lu，為弱～中等透水層。
4對工程施工的影響
4.1對基坑開挖的影響
工程區位于地下水集中排泄河谷段，水文地質條件復雜，巖體裂隙水～巖溶承壓水豐富，必然對新建建筑物的基坑開挖產生較大的影響。根據佛爾赫格依麥爾提出的公式，此處承壓水頭高出建筑物基礎開挖面20多米，且涌水量很大時，按非完整自流井估算，基坑總涌水量約為2.19 m3/s，因此，施工開挖時極易造成基坑邊坡的坍陷，應引起足夠重視。
4.2對施工圍堰的影響
受地形地質條件的限制，上游施工圍堰布置可供選擇的范圍十分有限，其左端與原閘室段右導墻連接，右端與土壩連接。上游圍堰頂高836 m，圍堰頂寬度為10 m，建基面高程為830.82～833.40 m。根據地形情況，上游圍堰采用不同的結構型式分左右兩段修建。左段圍堰從原泄洪閘上游導墻端頭至右段壤土圍堰之間，處于水寨島前沿，軸線長約為47 m，距主河道很近，采用混凝土圍堰；右段圍堰從原土壩上游壩坡面起接至水寨島前沿，軸線長為382 m，此段壩前已淤積成灘，基巖覆蓋層較深，采用的是土石圍堰。上游施工圍堰地基自上而下為18～20 m厚的淤積層、約20 m厚的砂礫石層，且淤泥層由粘土、壤土和砂壤土組成，處于飽和狀態。
當土壩下游基坑挖至814.5 m高程，基坑邊坡為1∶3～1∶4時，施工土石圍堰下游排水溝底出現了明顯的管涌現象，出露孔洞和塌坑有7～8處，可見最大洞徑為0.30～0.40 m，且壩腳處明顯坍塌，并呈進一步擴大的趨勢，土石圍堰發生了大量的變形，堰頂部位下游側陸續出現了大小不等的裂縫，最長裂縫延伸長度約為60 m，最大寬度為20 cm，錯臺高度為20 cm，土石圍堰頂部水平及垂直位移明顯。這給工程施工帶來了極大的不利影響，并使工期拖延。通過補充地質勘探和物探資料分析，臨時圍堰出現裂縫、坍塌等變形破壞是由滲透、邊坡穩定、不均勻沉降等多種工程地質問題造成的，其中滲透對臨時圍堰安全影響最大。針對上述情況，在工程施工中采取了一系列“攔”、“排”、“壓”、“改”等工程措施，遏制了險情并防止險情再次發生。所謂“攔”，就是針對上游圍堰（高噴墻）防滲相對薄弱部位，增加高壓噴射灌漿，加強其防滲性能；“排”就是在采取了“攔”的措施后，根據圍堰滲漏水的來源及通道，布置完整的排水系統，將滲出水導出；“壓”就是根據上游圍堰邊坡和開挖邊坡已經出現裂縫、塌陷等現象，為避免由此引起整體滑動，在適當部位填筑透水和不透水蓋重，以提高邊坡的整體穩定性；“改”就是對已經開挖的邊坡坡形進行適當調整，在下部適當部位填筑透水和不透水料，放緩邊坡，在必要部位堆筑透水沙袋等。上述采取的工程措施是相互關聯的，比如“壓”的同時也起到“排”的作用，“改”中的邊坡調整同時具有“排”和“壓”的效果。
5結論
黃河中游某水電站除險加固工程區水文地質條件復雜，存在高水頭灰巖裂隙水～巖溶承壓水，給新建建筑物的施工帶來了不利影響，施工時應引起高度重視，并需采取適當排水措施，才能保證施工和工程安全。
