理论教育 大坝环境水文地质研究:坝址区渗流问题分析

大坝环境水文地质研究:坝址区渗流问题分析

时间:2023-11-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:在水电站运行期间,坝址上、下游之间保持的较大水头差使坝前库水不可避免地存在着通过坝基或坝肩向下游渗透的水流分量,所不同的只是单位时间内通过某断面渗流量的大小不同而已。按照发生渗流(或渗漏)的不同部位,可分为以下几类。坝基渗流(或渗漏)。显然,通过坝基的无论是渗流还是渗漏都将会减少坝前库水的有效库容而影响效益的发挥,而更重要的是由此可能诱发诸如夹层的软、泥化等渗透稳定性问题。

大坝环境水文地质研究:坝址区渗流问题分析

从概念而言,渗流(seepage)与渗漏(leakage)之间是有区别的。

在经典的地下水动力学中对渗流是这样定义的,即是符合如下假定的可以代替真实地下水流的一种假想水流:

1)其性质(如密度、黏滞性等)与真实地下水流相同,但它充满了整个含水层的空间,即既充满空隙空间又充满由固相介质占据的空间。

2)其运动时,在任意岩土体积内所受到的阻力等于真实水流所受到的阻力。

3)其通过任意断面的流量及任意一点的压力水头与真实水流相同。由这种假想水流所占据的空间可称为渗流场(薛禹群等,1997)。

这里认为,所谓坝址区渗流可从如下两个方面进行定义:一方面符合上述具有传统意义的定义;另一方面指出现于水工建筑物周围的受人为因素(或工程因素)影响相对明显的地下水运动,其水动力特征可用Darcy定律描述,即其流速与水力梯度的一次方成正比,具有面状流特征。但与区域含水层系统中的地下水运动相比较,坝址渗流所产生的势的影响范围比较小。所谓坝址区渗漏,受人为因素的影响亦相对明显,主要形成于某些比较特殊的部位如较通畅岩溶通道以及具有较强导水性的断层带等部位,因而具有相对集中的管流式的分布特征;具有显著的不均一性,其流速一般远大于渗流流速,如在岩溶管道系统其流速一般在n×100~n×1000m/d之间,而在大于某个临界值(可用雷诺数来判定)之后出现紊流,其水动力特征可用Chenzy定律描述,即其流速与水力梯度的1/2次方成正比。显然,坝址区若出现这样的强径流,不仅将会明显影响到该水利水电工程设计效益的发挥,而更重要的是在一定条件下将会影响到坝基岩体的渗透稳定性乃至大坝的长期安全运行。可见,笼统地把地下水运动称为渗流是不合适的,同样对于渗流和渗漏这两个概念也不能混为一谈。(www.daowen.com)

水电站运行期间,坝址上、下游之间保持的较大水头差(通常达数十米甚至百米以上)使坝前库水不可避免地存在着通过坝基或坝肩向下游渗透的水流分量,所不同的只是单位时间内通过某断面渗流量(或渗漏量)的大小不同而已。按照发生渗流(或渗漏)的不同部位,可分为以下几类。

(1)库区渗流(或渗漏)。传统的观点认为,水库蓄水后,相邻河谷之间若原有的地下水分水岭消失,表明库水可向相邻河谷发生永久性的渗漏;反之,则不会向相邻河谷发生永久性的渗漏。已有的研究表明,蓄水条件下水库与相邻河谷之间即使存在地下水分水岭,也不能保证水库不会发生永久性的渗漏损失,这有赖于水库与相邻河谷之间地质体的渗透性分布特征,及其在空间上尤其在垂向上的变化,即呈连续性变化或非连续性变化。

(2)坝体渗流。对于常态混凝土重力坝而言,此主要出现于不同坝段之间的横缝部位,而对于最近10多年来开始流行的碾压混凝土重力坝而言,此主要出现于具不同高程的施工层面部位,此外,也有可能出现于坝体的次生裂缝部位等。显然若发生坝体渗流,意味着水与坝体之间的相互作用不仅限于坝体表面,而在局部沿上、下游方向具有某种贯穿性的裂缝部位,则表明相应渗流部位发生着水与坝体之间的物理作用(如渗透力的作用)也有可能发生某种化学潜蚀作用,发生何种化学潜蚀作用主要取决于渗流水的水质特征。显然,上述坝体渗漏现象使坝体结构的整体性及稳定性受到影响,同时也影响坝体材料的耐久性。

(3)坝基渗流(或渗漏)。按其发生的范围和强度,也可以分为如下两种:一种是具有面状的,具有影响范围大、但强度不大的主要特点,亦可用渗流称之,其渗流量常具有“收敛”的动态特征,即或是稳定的,或具有随时间而减小的趋势——此主要源于坝前库底天然淤积层的铺盖防渗作用;另一种则具有带状或脉状分布的特征,具有影响范围小,但强度较大的显著特点,而以渗漏称之,其流量变化常具有“发散”的动态特征,即随时间的推移其流量具有增大的趋势。已有的工程实例研究表明,此类地下水流相对集中的现象大多与基础地质体的相对薄弱部位(如裂隙密集带、断层破碎带以及侵入岩脉与围岩间的接触带等)相对应。显然,通过坝基的无论是渗流还是渗漏都将会减少坝前库水的有效库容而影响效益的发挥,而更重要的是由此可能诱发诸如夹层的软、泥化等渗透稳定性问题。而此类坝址环境水文地质问题(有时亦称为工程地质问题)是影响大坝长期安全运行的来自基础的一大隐患。

(4)绕坝渗流(或渗漏)。当岸坡区地质体的渗透性为一定时,发生绕坝渗流的影响范围主要取决于蓄水之前区内地下水位埋深以及坝肩帷幕体的防渗有效性。若岸坡区一定范围处地下水位高程大于水库正常蓄水位高程,相应部位地质体的渗透性变化在垂向上是连续的,且坝肩帷幕体与高于水库正常蓄水位的地下水位之间可形成一“闭路”,那么绕坝渗流不太可能发生。即使发生,其渗流量亦很小。反之,若蓄水之前岸坡区相当范围内地下水位普遍低于水库正常蓄水位,以致使坝肩帷幕体不能同时与之相联的地下水位之间形成一“闭路”,那么发生一定强度的绕坝渗流在所难免。由此诱发的坝肩岸坡岩体的渗透稳定问题以及边坡稳定问题,无疑也是大坝长期安全运行的隐患。

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