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第 16 卷第 2 期

貴州水力發(fā)電 GUIZHOU WATER POWER

2002 年 6 月

黃河西霞院水庫環(huán)境工程地質(zhì)問題預(yù)測分析
楊彥平, 張書光, 曲 敏
鄭州 450003) ( 黃河水利委員會勘測規(guī)劃設(shè)計研究院, 河南

摘 要: 水庫的修建將 改變原來的自然

平衡狀態(tài), 產(chǎn)生一 系列環(huán)境 工程地 質(zhì)問題。 本文分 析認(rèn)為, 西 霞院水 庫 蓄水以后, 在近壩庫區(qū)將發(fā)生水庫塌巖、浸沒和滲漏等問題, 產(chǎn)生水庫誘發(fā)地震的可能性不大。 關(guān)鍵詞: 環(huán)境工程地質(zhì)問題; 塌岸; 滲漏; 淹沒; 浸沒; 誘發(fā)地震; 黃河西霞院水庫 中圖分類號: TV147 5; X45 1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B 文章編號: 1007 -0133 ( 2002) 02 0028 -03

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引言
黃河西霞院水庫為一低水頭徑流電站水庫, 對

營組( T 2er ) ; 下游則為新生界地層, 基巖主要為下 第三系濟(jì)源群( E1 jy ) 和上第三系洛陽組( N1 1 ) �；� 巖之上均有第四系覆蓋。 水庫區(qū)位于華北地震區(qū)許昌 ) 淮南地震帶上, 該帶地震活動頻度較低。國家地震局 1990 年版 51 B 000 000 中國地震烈度區(qū)劃圖6 將該區(qū)劃分為 6 度 4 區(qū), 區(qū)域穩(wěn)定條件較好。

小浪底工程進(jìn)行反調(diào)節(jié)運用, 其最大壩高為 40 m, 正常高水位 134166 m ( 黃海高程) , 總庫容為 1162 億 m3 , 水庫長度約 16 km。水庫的修建, 將會導(dǎo)致 庫區(qū)范圍內(nèi)的自然平衡狀態(tài)發(fā)生改變, 誘發(fā)地質(zhì)環(huán) 境的異常變化, 產(chǎn)生一系列的環(huán)境工程地質(zhì)問題。 而這些問題的發(fā)生、發(fā)展將直接或間接影響到該水 電站的正常運行, 以及濱庫地帶的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本 文從水庫的地質(zhì)背景著手, 對水庫建成后可能產(chǎn)生 的環(huán)境工程地質(zhì)問題及其影響進(jìn)行概略分析。

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水庫的環(huán)境工程地質(zhì)問題預(yù)測分析
水庫的環(huán)境工程地質(zhì)問題是由于水庫蓄水后,

水體與特定的 地質(zhì)環(huán)境相互作用而引 起的水庫塌 岸、水庫滲漏、水庫誘發(fā)地震和浸沒等。它不同于 工程建設(shè)前即已存在的自然地質(zhì)災(zāi)害, 如地震、滑 坡、泥石流和水土流失等, 屬于地質(zhì)環(huán)境研究的范 疇。 211 水庫塌岸問題 在西霞院水庫庫段內(nèi), 分布有基巖庫岸、黃土 ) 基巖庫岸和黃土庫岸 3 種類型。其中基巖庫岸和 黃土 ) 基巖庫岸均分布在庫區(qū)的中部和尾部, 蓄水 后水位抬高較小, 且與庫水接觸的多為前第四系地 層, 而基巖的抗沖蝕能力較強(qiáng), 其塌岸范圍和數(shù)量 均有限, 可以認(rèn)為, 該類庫岸為不塌岸庫段。而在 近壩庫區(qū)則為黃土庫岸, 系黃河 ?級階地堆積物, 多具 / 二元結(jié)構(gòu)0, 表現(xiàn)為上部是黃土狀土, 下部 為卵礫石層, 局部卵礫石埋藏較深, 與庫水接觸的 只有均質(zhì)的黃土狀土, 在水的浸泡和風(fēng)浪共同作用 下, 將形成快速而大量的塌岸, 使濱庫地帶的生態(tài) 環(huán)境發(fā)生改變。
收稿日期: 2002 -21 -01 作者簡介: 楊彥平 ( 1962 , 男, 河南省 鄭州市 人, 工程 師, 從 事 -) 水利水電工程勘測設(shè)計技 術(shù)管理工 作; 張書光( 1969 ) , 男, ( 回族) , 河南省開封市人, 工程師, 從事水利水電 工程地質(zhì)勘察工作。

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水庫的自然地理地質(zhì)背景
選定壩址上距小浪底大壩 16 km, 處于黃河干

流中游最后一個峽谷段向下游 寬淺河段的過 渡地 帶, 也是由基巖低山丘陵區(qū)向沖洪積平原區(qū)的轉(zhuǎn)折 處。庫區(qū)的中上游地區(qū)為基巖低山丘陵區(qū), 地形波 狀起伏, 變化較大, 河流為峽谷型; 下游則為黃土 臺塬 ) 丘陵區(qū)和沖洪積平原區(qū), 地勢低平, 河流為 寬淺游蕩型。 西霞院庫壩區(qū)所屬大地構(gòu)造單元為華北地塊區(qū) 南部的豫皖斷塊, 為豫西斷隆和開封 ) 濟(jì)源斷坳區(qū) 的過渡地帶, 王良斷層和連地 斷層為其邊界 斷裂 ( 裂點) , 也是區(qū)域地貌的自然分界。裂點以上庫區(qū) 內(nèi)發(fā)育有多條斷層, 主要為近 EW 向和 NE 向 2 組。 裂點以下則斷層少見。 庫區(qū)及其附近的新構(gòu)造運動, 主要表現(xiàn)為地殼 振蕩式的垂直運動和斷裂的繼承性差異運動, 二者 伴隨進(jìn)行, 形成了四級階地的地貌景觀, 各級階地 特征見表 1。 庫區(qū)以裂點為界, 上游出露的基巖地層為中生 界三疊系劉家溝組( T1 1 ) 、和尚溝組( T 1h ) 以及二馬 # 28 #

楊彥平, 等: 黃河西霞院水庫環(huán)境工程 地質(zhì)問題預(yù)測分析 表 1 西霞院庫區(qū)河 流階地特征 階地 ? 級階地 ? 級階地 ? 級階地 ?級階地 階地類型 堆積階地 基座階地 基座階地 基座階地 基座高程 /m ) 96~ 112 185~ 220 265~ 290 階面高程 /m 130~ 150 138~ 180 230~ 290 310~ 325 物質(zhì)組成 砂壤土、粉細(xì)砂和卵礫石 黃土狀壤土、砂壤土和卵礫石 黃土狀壤土、卵礫石 壤土和卵礫石

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分布情況 僅分布在西霞院、蓼塢及白鶴等 地, 為水庫庫岸 卵礫石具架空現(xiàn)象, 弱至中等膠 結(jié), 為水庫庫岸 庫區(qū)內(nèi)均有分布 僅在小浪底 附近 有分 布( 裂 點以 上)

水庫塌岸的預(yù) 測, 是一項 非常復(fù)雜的系 統(tǒng)工 程, 涉及的因素眾多, 各因素的變化又十分復(fù)雜, 難以掌握其變化規(guī)律性。到目前為止, 各種預(yù)測方 法尚處于半經(jīng)驗、半定量的階段, 仍在研究探索之 中�，F(xiàn)用工程類比法、C1#1 佐洛塔廖夫圖解法和 E1#1 卡秋金計算公式法 3 種方法進(jìn)行綜合分析預(yù) 測。分析中涉及的幾個參數(shù)的選取為: ( 1) 水 下淺灘 磨蝕 角( A) 的選 取: 根 據(jù)三 門 峽、龍羊峽及官廳等水庫的地層結(jié)構(gòu)、水庫運用特 點, 與西霞院水庫進(jìn)行類比, 其黃土狀壤土和砂壤 土的 A選取 6 8 b~ b較為合適。 ( 2) 水上岸坡的穩(wěn)定坡角( B) : 同理可得 B取 值為 40 60 b~ b。
剖面編號 TA01 TA02 TA03 TA04 TA05 TA06 TA07 TA08 TA09 位置 東寨( 左岸) 坡頭東側(cè)( 左岸) 濟(jì)澗河( 左岸) 坡頭提灌站( 左岸) 銀匠溝( 左岸) 堡子村東( 右岸) 堡子村( 右岸) 王莊村( 右岸) 柿林村( 右岸)

( 3) 根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料, 利用 B1P1 安德烈 揚諾夫經(jīng)驗公式, 對塌岸剖面上的波浪高度進(jìn)行計 算。 將上述參數(shù), 利用上述卡秋金公式計算和佐洛 塔廖夫圖解法圖解, 得出不同剖面上的最終塌岸寬 度( 表 2 ) 。估算其塌岸總量為 12156 @ 106 m3 , 約占 總庫容的 7175% 。總體看塌岸問題是較為嚴(yán)重的, 部分良田將被塌掉, 建議采取必要的工程措施進(jìn)行 防護(hù)。然而, 西霞院水庫來水的含沙量較大, 水庫 淤積作用比較強(qiáng)烈, 淤積對水庫塌岸將起到抑制作 用。預(yù)測計算時未考慮此因素, 其原因是目前對水 庫各部位的泥沙淤積難以做出可靠的估算, 把這一 因素視為安全系數(shù)。
地層結(jié)構(gòu) 砂壤土, 質(zhì)純、松散 砂壤土, 結(jié)構(gòu)疏松 砂壤土 ) 卵礫石層 壤土、砂壤土 ) 卵礫石層 砂壤土 ) 卵礫石層 壤土、砂壤土 砂壤土 ) 卵礫石層 壤土、砂壤土 壤土 ) 卵石層 最終塌岸寬度 t/ m 35100~ 59116 60194~ 68150 28175 52104~ 76100 28110 53184 56165~ 60100 51137~ 53100 45100~ 46127

表 2 西霞院庫區(qū)塌岸 寬度預(yù)測成果

212 水庫滲漏問題 從水庫區(qū)地形地貌及水文地質(zhì)條件看, 黃河是 本區(qū)的最低侵蝕基準(zhǔn)面, 無鄰谷低地存在。南有邙 嶺構(gòu)成與伊洛河間的地下水及地表水的分水嶺; 北 有郭莊嶺, 其地下水位高于水庫正常高水位 134166 m。因此, 水庫不具備向庫外永久性滲漏問題。 但是, 壩前的黃河 ?級階地其結(jié)構(gòu)為: 上部 7 ~ 25 m 是黃土類壤土、砂壤土, 下部是厚 22~ 30 m 的砂卵石層, 為典型的 / 二元結(jié)構(gòu)0。據(jù)勘探資 料表明, 砂卵石層普遍具有架空現(xiàn)象, 其含砂率僅 為 1213% ~ 1718% , 滲 透系數(shù) ( K ) 介 于 100~ 400 m/ d 之間, 局部高達(dá) 1 000 m/ d 以上。實地民井調(diào) 查表明, 左岸地下水水位( 114~ 115 m ) 還低于現(xiàn)今

黃河水位 4~ 5 m, 即黃河水補 給地下水。而且左 岸的坡頭、東寨附近存在有河灣段, 砂卵石層頂板 高程在 124~ 127 m 之間, 直接出露地表或有少許 坡積物覆蓋。水庫蓄水后, 水位抬高達(dá) 14169 m 之 多, 庫水將與 ?級階地下部的砂卵石層直接接觸, 造成水力坡降增大, 水庫可通過砂卵石層向下游河 道或側(cè)向補給地下水而形成滲漏。由于上覆的黃土 狀土和下伏的下第三系砂、泥巖透水性較弱, 可視 為相對隔水層, 因此, 可利用承壓水含水層滲漏計 算公式: Q= K @ M @ B @ ( H - h1 ) / L 式中, Q 為水庫滲漏總量, m3 / d; K 為含水層滲透 系數(shù), m/ d; H 為庫水位, m; h 1 為建庫前的河水 # 29 #

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位, m; M 為含水層的平均厚度, m; B 為漏水段 總寬度, m; L 為滲漏途徑長度, m。 經(jīng)計算, 滲漏量為 43 617 m / d, 可見其滲漏問 題是比較嚴(yán)重的。但該預(yù)測結(jié)果是在未考慮淤積情 況下的可能滲漏量, 淤積后的滲漏量要比計算值小。 213 水庫淹沒和浸沒問題 由于西霞院水庫水頭抬高有限, 淹沒問題只發(fā) 生在高程低于 135 m 庫區(qū)內(nèi)的黃河漫灘、河心灘和 局部 ? 級階地, 主要有連地灘、王莊灘、柿林灘、 杏園灘、西灘、堡子灘和 南陳漫灘等 地。面積 約 14117 km2 , 多為耕 地或季節(jié) 性耕地, 居民住地 面 積僅占 0125 km2 , 且區(qū)內(nèi)無重要礦產(chǎn)。因此, 水庫 的淹沒問題不大。 西霞院水庫為平原型水庫, 大壩下游存在高程 低于庫水位的漫灘和 ?級階地。蓄水后, 地下水水 位的壅高將在所難免, 加上毛細(xì)水的上升高度, 有 可能產(chǎn)生浸沒問題。經(jīng)計算, 壩下游的南陳灘、堡 子灘等地, 在 水庫蓄水后其地 下水水頭將超 出地 面, 產(chǎn)生沼澤 化現(xiàn)象, 為 沼澤地浸沒 區(qū), 面積 約 4146 km2 。建議采取布置與壩軸線平行的排水孔或 排水渠等措施進(jìn)行排水減壓處理。 壩下游的 ? 級階地因其下部的卵礫石層導(dǎo)水性 能較好, 且與大壩相距較遠(yuǎn), 為不易浸沒區(qū)。局部 低洼地段有產(chǎn)生鹽漬化浸沒的可能。庫區(qū)內(nèi)的 ?級 階地作為庫岸與庫 水直接接觸, 但其地下水 位較 低, 現(xiàn)今黃河水補給地下水, 蓄水后也改變不了這 種地下水的補排關(guān)系。雖說地下水位會產(chǎn)生一定的 壅高, 但由于其下部卵礫石層的滲透系數(shù)達(dá) 100~ 400 m/ d, 故地下水位將不會高于庫水位。 ?級階 地階面高程均在 140 m 以上, 其地下水埋深將大于 5 m, 所以對建筑物或農(nóng)作物都不存在浸沒問題。 214 水庫誘發(fā)地震問題 根據(jù)現(xiàn)有的水庫誘發(fā)地震震例資料分析認(rèn)為, 誘發(fā)地震的產(chǎn)生與否是和該水庫的地應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)
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變能積累條件、構(gòu)造活動性以及介質(zhì)儲能條件和水 壓力傳遞條件等有關(guān)。 西霞院水庫庫區(qū)屬于低應(yīng)力區(qū)。組成庫盤的地 層為三疊系、第三系, 為砂泥巖互層, 為軟硬相間 的組合結(jié) 構(gòu), 其應(yīng)變能 不易積累, 介 質(zhì)儲能條件 差。庫區(qū)內(nèi)雖有王良斷層、連地斷層 2 條規(guī)模較大 的斷裂, 根據(jù)其熱釋光年齡鑒定結(jié)果, 最后一次活 動年代距 今分 別 為 ( 3615 ? 1110 ) 萬 年和 ( 2314 ? 710 ) 萬年來 判斷, 已 失去其活 動性。因此, 水庫 不具備誘發(fā)地震的構(gòu)造條件。該水電站為低水頭徑 流式庫電站, 庫水位抬高不足 20 m, 形成的水壓 力不大。將以上條件與誘發(fā)地震震例進(jìn)行類比分析 可知, 西霞院水庫產(chǎn)生誘發(fā)地震的可能性很小。

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結(jié)語
( 1) 西霞院水庫蓄水后在近壩庫區(qū)將產(chǎn)生一定

的塌岸問題, 預(yù)測其塌岸方量達(dá) 1 256 萬 m3 , 約占 總庫 容的 7175% , 對 水庫 的正 常運 行影 響不 大。 由于將有近 70 公頃良田被塌掉, 為保護(hù)農(nóng)民的利 益, 建議修建必要的防護(hù)工程進(jìn)行岸坡加固。 ( 2) 水庫蓄水后沒有產(chǎn)生由南北兩岸向庫區(qū)外 圍滲漏的條件, 存在有沿? 級階地下伏卵礫石層產(chǎn)生 繞壩滲漏的可能, 預(yù)測滲漏量為 43 617 m 3/ d, 會造 成一定的庫容損失, 但不影響水庫的正常運行。水 庫運行后, 淤積作用將使這一問題得到緩解。 ( 3) 建庫后淹沒問題對環(huán)境的影響不大, 僅淹 了一些河心灘、漫灘等, 多為季節(jié)性耕地。在壩下 游的南陳灘、堡子灘將產(chǎn)生沼澤化浸沒問題, 西霞 院村附近 ? 級階地局部低洼地段有產(chǎn)生鹽漬化浸沒 的可能。建議采取布置與壩軸線平行的排水孔、渠 等措施, 進(jìn)行排水減壓處理。 ( 4) 從西霞院水庫的構(gòu)造地質(zhì)條件、介質(zhì)儲能 條件及地應(yīng)力狀態(tài)等分析認(rèn)為, 水庫蓄水后, 產(chǎn)生 誘發(fā)地震的可能性不大。

5貴州水力發(fā)電6 2002 年第 3 期要目預(yù)告
中國碾壓混凝土壩的發(fā)展成就與前景 ( 下) 關(guān)于跨省區(qū)水電工程稅收分配問題的思考 索風(fēng)營水電站水庫巖溶滲漏分析及防滲處理建議 索風(fēng)營水電站導(dǎo)流設(shè)計方案的選擇 洪家渡面板堆石壩石料碾壓的分析和選擇 洪家渡水電站面板堆石壩的施工特點 段 三峽工程大壩混凝土快速施工新技術(shù)的研究及 實踐成果簡介 , , , , , , , , , , , , , , , 龍志宏 沈崇剛 李如成 吳述 燕 輝 楊正清 偉, 黃 陳能平, 鄧 三峽永久船閘高強(qiáng)度錨桿施工技術(shù)試 驗與研究 中空式注漿錨桿在烏江渡擴(kuò)機(jī)工程中 的設(shè)計與施工 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 張光榮 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)自動化改造工程施 工 , , , , , , , , , , , , , , , 方衛(wèi)華, 王潤英 空間水躍底板脈動壓強(qiáng)試驗研究 , , , , , , , , , , , 盧士強(qiáng), 程勝依, 程永春 提高大型水電站機(jī)組的運行穩(wěn)定性 李啟章 陳 孝英

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