宝珠寺水电站廊道析出物中钙质成因分析

何 鹏 陈健康 王 东 朱晓凡

(四川大学 a.水利水电工程学院,b.分析测试中心,成都 610065)

1 概述

宝珠寺水电站自1996年10月下闸蓄水至今的运行过程中,发现在许多坝基排水孔和排水沟内出现异常析出物质,这些析出物尤其集中出现在16#坝段基础廊道和右岸7#、9#、11#排水隧洞中,而且在这些洞段的部分排水管渗水中带有的析出物随运行时间无明显减弱趋势。根据四川大学水电学院所做的析出物采样研究结果,宝珠寺水电站基础廊道析出物总体上可分为有机质析出物、钙质析出物和铁锰质析出物3大类(图1)。

析出物中的钙质,一种可能是直接来自于上游库水,第二种则可能是坝基渗透库水对主要渗透通道——坝基岩体中的裂隙或断层带中的可溶钙质或坝基灌浆帷幕中的钙质产生了化学潜(溶)蚀作用的结果。若是后一种原因,则预示着坝基岩体中的结构面以及灌浆帷幕处于不断发生渗透变形的状态,这对坝基岩体的稳定将极为不利。

图1 主要析出物Fig.1 M ain types of sludges

为此,本课题组于2002～2007年对宝珠寺水电站大坝基础廊道析出物进行了分析与连续观察工作,研究范围及内容为对大坝 7#、9#、11#排水洞及16#坝段基础廊道析出物、库水及典型排水管渗水现场取样,通过室内物理化学试验,分析析出物的矿化成分及其成因,对坝基扬压力、渗流水量监测资料进行历时分析,研究其可能对大坝及坝基产生的影响。

2 坝基渗水通道及其对库水渗漏的控制

2.1 坝基渗水通道

根据水样同位素分析结果,坝基排水廊道中排水孔的排出水主要来自于库水。

坝区的钙质、钙硅质、泥质粉砂岩以及页岩在结构特征上均具有致密隔水的特点,尤其是页岩,更是天然的地下隔水层。由图2可见,岩层走向与坝轴线方向小角度(约 30°)相交,因此,坝址区基本为横向河谷,不利于库水沿岩层接触面或层间软弱夹层发生绕坝及坝基渗漏。加之含水层、隔水层相间分布,若不考虑断裂构造因素,本工程坝区岩基应具有良好的天然隔水性能。

图2所示坝区内主要发育5组断层:分别为NEE 向(F10、F2、 F12、F7)、NE 向(F4)、NNE 向(F21、F6' 、F4')、NW 向(F60、F11)、NWW 向(F5、F42),其共同特征是带内含有块状岩、碎块岩、角砾岩、断层泥;除NWW 向组规模较小外,其余各组规模较大;除NE向组为压扭性外,其余均具有张性特征。

图2 坝区构造示意图Fig.2 The sketch map of geological structures at the dam site

F60属 NW 向组,结构面宽 120～130 cm,贯穿大坝上、下游岩基,走向 NW315°,倾向NE,倾角42°,破碎带由挤压紧密的块状岩、碎裂岩、片状构造岩、糜棱岩组成,钙质胶结较差;F11逆断层为与F60同方向的斜列断层,向上游延伸过坝线,向下游至19#坝段丙块与F60交汇,走向NW302°～ 315°,倾向 NE,倾角 40°～48°,局部倾角 25°,破碎带宽10～30 cm。NE、NEE、NWW 向组断层走向与坝轴线平行或小角度相交,单独存在时均不利于绕坝或坝基渗漏。但由于与NW向组F60等断层相互交切,连通后库水仍可由F60进入F4、F7、F12等断层内。

据施工前勘察,坝区基岩地下水属裂隙性潜水,地下水主要赋存在断层破碎带、断层影响带、层间错动裂隙带及其交汇带内。坝基多数部位灌浆前压水试验测得的单位吸水量 ω值多小于0.01;而在断层部位与局部夹层地段ω值则明显增大。

根据以上对坝区岩层、构造的水文地质条件的分析,以及排水孔排水量和断裂构造间具有显著相关性的特点,表明在建坝蓄水后,尽管各方面条件均有不同程度的变化,但坝基岩体中地下水以裂隙性地下水为主的水文地质特征并未改变。库水的渗漏仍以断层带为主通道,库水的渗漏仍在断层、裂隙、软弱夹层相互切割所构成的水力网中进行。

首先,较大规模的NW向顺河方向断层F60、F11构成了库水横穿坝轴线由坝上游渗漏至下游的纵向主干通道;而NE、NEE、NWW 向组断层(如 F4、F7、F2等)以及 NE 向的软弱夹层,在与F60、F11等纵向渗漏通道交切后,渗漏库水则可由纵向主干通道连通至这些与坝轴线平行或小角度相交的结构面中作横向渗漏运移。因此,NE、NEE、NWW向组断层和NE向软弱夹层构成了库水在坝基下的横向渗漏通道。纵、横两向渗漏通道共同控制了本工程坝基岩体中库水的渗流。

2.2 坝基岩体渗流量控制因素

根据排水孔2000～2006年的观察记录绘制的排水孔排水量与库水位的历时曲线图分析,排水孔排水量与库水位均呈正相关性,即随着库水位的增高,排水量也随之增大。联系到渗流水水源分析结果,这种相关性显然是符合其来源特征的。

但同时也注意到,各孔排水量与库水位的关联程度是不一样的,这种关联性大小的变化具有如下特征:

a.穿过较大断裂构造的排水孔,其关联程度明显高于其他孔(如编号为11DP29的排水孔)。

b.同一排水廊道中,与主干断层邻近的孔的排水量与库水位间的相关性强于远离主干断层的排水孔(如编号为11DP29、11DP30的排水孔)。

c.同一排水廊道中,主干断层上盘的排水孔排水量与库水位的相关性强于下盘的排水孔(如编号为11DP29、11DP30的排水孔相关性强于11DP31排水孔)。

由此可见,排水孔排水量除与库水位相关外,在很大程度上还受到坝基岩体中断裂构造的影响,坝基渗流地下水显示出较强的裂隙型地下水特征。

3 钙质析出物及其成因

3.1 钙质析出物的分布特征

宝珠寺水电站廊道钙质析出物主要出现在右岸排水廊道的排水孔口及洞壁,特别是在9#洞的9DP35孔～9DP62孔洞段,洞室顶拱、侧壁混凝土喷护层上有大量的CaCO3白色晶体生长。

排水廊道中钙质析出物沉淀量的多少与所在位置的渗流水流量、流速有关,而流量、流速在本研究环境中又受控于渗流主通道——岩体中的有利于渗流的断层、软弱结构面、裂隙(缝)的发育情况。

根据现场观察,排水孔出现了与坝区岩基中主要结构面的廊道及其相应洞段,一般有大量的H2S气体释出。如11#洞的排水孔钻遇了坝址区主断层F4、F13,该洞段内即有浓烈的H2S气味。反之,钙质析出物一般大量出现于远离库水渗流主通道,或岩层中本身裂隙(缝)较不发育的洞段,如9#洞9DP35孔～9DP62孔段,则形成了有大量的洞顶、侧壁钙质析出物产出的现象。

3.2 钙质析出物的成因分析

3.2.1 现阶段坝基岩体及防渗帷幕发生分解类腐蚀可能性分析

地下水中含有CO2和HCO-3,与被溶物中的CaCO3形成以下的可逆反应:

在上述可逆反应中,当地下水中CO2的含量超过平衡时所需数量时,混凝土或岩体结构面上的CaCO3就被溶解而受腐蚀。不发生此型腐蚀的评价标准为水中侵蚀性CO2的含量在直接临水或与强透水岩土层接触情况下为＜15 mg/L,在与弱透水土层接触时为＜30 mg/L。

通常,地下水中CO2的来源有2个,其一是一部分空气中的CO2溶解于其中,其二是生物化学反应的结果。但在所讨论的环境下,根据水样所作的水质分析结果表明,各环境状态下(坝前不同水位、坝后、排水孔出口、集水沟等)的水样中均未检出侵蚀性CO2(表1)。由此可见,就本工程来讲,库水、渗流水对渗流途径上的钙质(包括主渗流通道结构面、灌浆帷幕等)基本不存在产生溶蚀作用的条件。因此,钙质析出物的溶蚀成因在此很难成立。

3.2.2 排水廊道钙质析出物的脱硫酸成因

a.水库底层水的脱硫酸反应

在所采集的排水孔水样中,经测试,11#排水洞中的 11-A3、11DP25以及 11DP29样中的SO2-4含量显示较其他库水、排水孔水样偏低(表1);同时,在这3个取样点所在洞段有浓烈的H2S气味。据钱会等的研究[3],地下水中出现硫化氢,说明其处于缺氧的还原环境。在与大气较为隔绝的环境中,当有有机质存在时,由于微生物的作用,SO2-4将还原生成H2S:

上述反应称为脱硫酸作用,其结果是使地下水中SO2-4减少甚至消失,而HCO-3增加,pH值变大。

11#排水洞中析出水样的检测结果表明(表1),上述指标确实发生了类似的变化,说明正是由于脱硫酸作用促使渗流水释放出了H2S气体。

根据已建成的其他水电站有机质析出物的来源分析成果,普遍认为坝基有机质析出物主要是由库周边有机质随水流进入库内,或库水养殖业的饵料及养殖物的排泄物,或施工中遗留的木质物及混凝土中的粉煤灰所提供。库水水体交换很缓慢,使有机质得以在库底富集,由渗流水携带至

排水孔及地表,由于氧化还原环境和水动力环境的改变,形成了有机质的沉积物。在所取43个析出物样中,其中的8个析出物样具有较高的有机质含量(表2)。因此,促成反应(2)发生的条件在此具备。

表1 水样检测结果Table 1 Detected results of water samples

b.脱硫酸产物H2S的释放特征

当库水通过坝基岩体中的各种渗透通道到达排水孔后,由于压力的降低,反应(2)所形成的H2S便会释出。若排水孔穿过了主要的渗水通道,如较大的断层、裂隙发育带等,则由于有较大量的渗流水而相应地释放出更多的H2S气体,11#洞中有浓烈H2S气味的原因就在于此。反之,远离渗流水主要渗流通道,或岩层中本身裂隙(缝)较不发育的洞段,如9#洞9DP35孔～9DP62孔段,地下水的渗流缓慢,渗水量小,则 H2S气体释出量低,在这些洞段就基本嗅不出H2S气体异味。

c.钙质析出物的形成与脱硫酸作用的关系

在反应(2)中,脱硫酸作用产物HCO-3的生成,使得渗流库水中HCO-3的浓度显著增加。

当这部分渗流水以较慢速度渗出岩壁、孔口后,由于压力降低,其中的部分CO2释出,同时还可能导致渗流水中的HCO-3浓度达到甚至超过较低压力状态时的饱和度,于是促成反应(1)向CaCO3固体的形成方向进行,在相应洞段即形成了有大量的洞顶、侧壁钙质析出物产出的现象(9#洞的9DP35孔～9DP62孔洞段)。而在渗流水高流量、高流速洞段,无充分的时间使CaCO3固体析出,因此,大量而集中的钙质析出物不易见到(如11#洞段)。

4 结论

通过对所取43组析出物样、46组水样以及9组岩样室内进行试验分析与研究表明,在本工程的环境条件下,钙质析出物中的钙质不是库水对坝基岩体结构面或灌浆帷幕溶蚀作用的结果,或坝基防渗帷幕溶蚀作用的结果,而是在库底及坝基岩体相对封闭的特殊环境中由于脱硫酸作用促使HCO-3浓度升高而引发的渗流水中所含钙质的析出,因此,这类析出物的形成对坝基的稳定没有影响。相应洞段水样测试结果中SO2-4、Ca2+的显著降低(表1),HCO-3的显著增高,即说明了钙质析出物的脱硫酸成因机制是成立的。

同时,电站投入运行后若干年来的坝基扬压力检测结果表明,大坝河床诸坝段渗压系数α值均小于设计值0.2;就其历时变化而言,均无明显的周期特征,帷幕运行正常,排水减压效果明显。这进一步地表明了坝基以及灌浆帷幕中没有或基本没有发生渗透变形,钙质析出物的排出未损坏防渗帷幕体。

表2 析出物化学成分检测结果Table 2 Detected results of the chemical compositions of the sludges

经过多年的观察,析出物的质、单位时间段的形成量均无变化。据观测资料,坝基扬压力的变化也在正常范围之内,表明坝基帷幕的工作状态正常,也从一个侧面证实了钙质析出物的非溶蚀的成因结论。

[1]水质分析实务手册(第一册,第四册)[S].北京:科学出版社,2000.

[2]SL237-1999,土工试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[3]钱会,席临平,肖莉,等.宝珠寺水电站坝基排水孔异常逸出物成因分析[J].岩土工程学报,2001,23(2):205-208.

[4]郭庆国.宝珠寺水电工程基岩软弱(泥化)夹层D5渗透变形试验研究[J].西北水资源与水工程,1992,3(2):42-51.

[5]王正生.宝珠寺水电站14号～20号及其相邻坝段帷幕灌效果分析[J].四川水力发电,1999,18(2):31-34.

[6]姚文明.大黑汀混凝土坝坝基溢出物成因分析[J].大坝观测与土工试验,1999,23(5):25-27.

[7]李远惠,王世康,马秀莹,等.狮子滩水电站坝基排水孔黄色絮状溢出物成因分析[J].水力发电学报,1993(2):46-54.