理论教育 大坝渗透薄弱部位形成机理的研究

大坝渗透薄弱部位形成机理的研究

时间:2023-11-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:根据上述对于区内输水系统下平段区域围岩体渗透薄弱部位探测的成果以及渗透稳定性数值分析成果,认为区内局部渗透薄弱部位是存在的。具体反映在:图9.4.1渗水结构面部位两个岩样的化学成分对比曲线1)某些可溶性物质的百分比含量降低了,如CaO含量仅为3.7%,而母岩中该物质含量高于10.0%,至于其他可溶性物质如K2O、Na2O以及MgO等也有程度不同的降低。

大坝渗透薄弱部位形成机理的研究

根据上述对于区内输水系统下平段区域围岩体渗透薄弱部位探测的成果以及渗透稳定性数值分析成果,认为区内局部渗透薄弱部位是存在的。

就上述渗透薄弱部位的形成机理而言,应该说是多场耦合作用下的产物,如介质场、地应力场、水动力场、水化学场以及温度场等。其中,前2个场的基本特征很大程度上决定了岩体渗透潜在薄弱部位的发育与否及其敏感层位,如决定了上述与之相关的“内水外渗”路径的形成;而水动力场和水化学场是其形成过程中的2个相对活跃的物理场。因为,水是不同场之间发生物质和能量交换的最主要的载体

根据现场探查,区内NNE向结构面为具有一定导水性的优势结构面。其中,流量达到2.36~2.53L/s 的渗水点SS 17 即源于该组结构面(NE25°/SE,<77°)。根据区域应力场特征(最大主应力方向呈NW—SE向),该组结构面的力学性质具有压性;而根据场地应力场(最大主应力方向呈近E—W向,最大水平主应力呈近S—N向)特征,该组结构面的力学性质则具有压扭性。因而认为,上述结构面至少具有先压后扭的特性。正是区域应力场的作用,该组结构面具有较好的延伸性;而在场地应力场的作用下,该组结构面的开度有所增大以致含有一定厚度的断层泥等物质。然而,具有上述力学性质的结构面本身其导水性仍较弱,而往往具有一定阻水性。但在位于其两侧的影响带、尤其是在位于其主动侧(或主动盘)的影响带部位,因派生的羽状裂隙发育而改善了该部位的导水性。

另一方面,由于区内主要导水结构面呈NNE向延伸,而与近E—W 向延伸的输水系统近于正交,使该组结构面的主动盘的相当范围位于其迎水面。在其迎水面,可能存在源于输水系统的多股水流,在其运移过程中由于上述结构面的阻水性而在其迎水盘一侧汇聚,并在一定条件下以相对集中的较大水流出现。

已有的研究表明,岩体裂隙(或孔隙)水压力的存在,一方面减小了岩体的有效应力,使其更易达到极限强度;另一方面水压在裂隙尤其是在微裂隙中具有的扩容作用加剧了裂隙的劈裂过程(杨天鸿等,2004)。显然,水压力的作用相当于减小了围压,所以当裂隙水压增大以致接近围压时,相当于单轴加载作用,结果可导致加载岩体的破坏,并多以沿其轴向出现多个劈裂面作为标志。另外,地下水的动水压力作用还能使作为主要渗径的结构面中的充填物发生变形和位移,而使其扩展(黄润秋等,2000)。由于岩体中已经形成的各种结构面(尤其是具有一定导水性的结构面)是地下水活动相对活跃的部位,因而也是传递水压力的主要部位。在长期的高水压力作用下,可导致结构面的“活化”(施龙青等,2004)。

水对岩石力学性质的影响,除了上述的水动力作用,还具有水化学作用。在高压水头作用下,水可以渗入到相对闭合的结构面中,从而使水—岩系列间相互作用的范围趋于更加的广泛和深入。

根据水质分析法检测成果,位于PD15 探洞桩号0+615~0+665 之间4个水样(1~4号,其与库水的水化学指标对比曲线见图9.2.7)的主要水化学特征可归纳为:呈弱碱性为极软水;重碳酸盐碱度小于0.70mmol/L而具有中等溶出型侵蚀作用;水化学类型均为HCO3—Ca·Na型而与同期的库水相同。究其成因,位于上述相对集中的渗漏水地段中的4 个水样点位,有3 个点位(2~4号)处呈“射水”状;有1 个点(1 号)位水量比较大,反映与之相关的渗径比较通畅,水—岩系列间相互作用的时间比较短促,以致排泄区(或排泄点)的水质特征相对接近于补给源。由此从一个侧面表明,区内地下水尤其是动态相对活跃部位的地下水对于岩体渗透稳定性的影响以物理作用为主、而以化学作用为辅。

为进一步揭示水—岩系列间的地球化学作用对于围岩体渗透稳定性的影响,还采集了多个岩样。其中,有2 个样取自位于PD15 探洞桩号0+663 部位的渗水结构面(具有较大渗水量):3 号岩样取自该结构面上盘,经岩芯鉴定为碎裂流纹质融凝灰岩;4号岩样则取自该结构面内夹层。

经岩性鉴定:该结构面夹层(4号)遇水后明显软化,具可塑性;干结状态呈硬块状。颗粒级配中包含了从黏土级到砂级、细砾级颗粒;黏土与粉砂级约占70%;砂粒成分主要是凝灰岩,少量长石。细砾主要是凝灰质岩屑;粗颗粒多呈不规则棱角状,表明其未经过搬运作用。可见,该结构面夹层是由凝灰岩经强烈的构造地质作用形成。而3 号岩样,具有块状构造、碎裂和凝灰结构;主要由粒径小于2mm的火山灰构成;成分有浆屑、玻屑、晶屑和少量岩屑等;岩块内部微裂隙发育。经后期强烈风化蚀变(主要是绿泥石化、绿帘石化和碳酸盐岩化),呈现灰绿色,滴HCl起泡。某些裂面上附有方解石膜。可见,位于该结构面一侧的岩石也遭受了较强的构造地质作用,并因此而加剧了后期的风化蚀变作用。

对上述两个岩样还作了化学成分全分析,其含量对比曲线见图9.4.1。由此可以得出:同位于其一侧的母岩相比较,该结构面夹层的化学成分确实发生了一些变化。具体反映在:

图9.4.1 渗水结构面部位两个岩样的化学成分对比曲线(www.daowen.com)

1)某些可溶性物质的百分比含量降低了,如CaO含量仅为3.7%,而母岩中该物质含量高于10.0%,至于其他可溶性物质如K2O、Na2O以及MgO等也有程度不同的降低。究其原因,在地下水的溶解作用下,该结构面夹层中所含的可溶性物质被水流带走了。

2)某些难溶性物质的百分比含量增大了,如SiO2、Al2O3 等在结构面夹层中两者之和为82.5%,而明显高于母岩(71.3%)。究其原因,由于地下水的化学作用导致可溶性物质的溶失,以致难溶性物质的百分比含量相应增大。从化验分析结果来看,上述结构面中的CaO的溶失现象相对明显一些;之后依次为Na2O、K2O、MgO。

另外,为判定上述渗水结构面夹层在地下水的长期物理化学作用下,是否有泥化现象,对上述3 号、4号岩样还作了XRD测试(图9.4.2~图9.4.3)。有关测试成果反映:

图9.4.2 3 号样(碎裂流纹质融凝灰岩)的XRD测试曲线

图9.4.3 4号样(结构面夹层)的XRD测试曲线

1)该结构面夹层物质中的可溶性物质已明显低于相邻侧母岩,反映该结构面夹层中部分物质在地下水的作用下确实发生了溶失作用。此与对相同样品的化学成分分析结果相一致。

2)虽然该结构面夹层与相邻侧母岩中均含有黏土类矿物,如蒙脱石、伊利石和高岭石等,但取自该结构面夹层试样中所含的黏土矿物具有的衍射峰更为典型,并由相应的衍射峰值判定该结构面夹层试样中所含的黏土矿物数量也多于相邻侧母岩,如伊利石和高岭石等。

可见,在上述具有较大渗水量的结构面至少在局部有发生泥化的迹象。因而,是需要关注的。

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