卡洛特水电站河湾地块防渗可靠性地质研究

尹春明　侯钦礼　张必勇　曹道宁

摘要：卡洛特（Karot）水电站位于巴基斯坦吉拉姆（Jhelum）河上，枢纽工程区位于“几”字形河湾地块，分布地层为新近系弱胶结碎屑沉积岩，河湾地块防渗可靠性对渗控工程布置有着重要的影响。开展了河湾地块防渗可靠性专题研究，重点针对河湾地块水文地质条件、岩体渗透特性及防渗可靠性开展了大量的钻孔、声波测井、彩色电视录像及压水试验勘察研究，并进行了地下水渗流场三维数值模拟研究，以查明河湾地块水文地质条件及岩体渗透特性。通过充分论证认为：河湾地块具有良好的防渗可靠性，防渗体系完善，满足规范和蓄水安全要求。相关勘察研究方法和内容可为类似工程提供参考。

关键词：防渗可靠性; 河湾地块; 三维空间分析; 弱胶结碎屑沉积岩; 卡洛特水电站; 吉拉姆河

中图法分类号： TV143

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.011

0引 言

在河湾上建坝是水电工程中经常遇到的，河湾对于枢纽建筑物布置有其独特的优势，可以获得额外的水头差。但由于河湾地块的存在，如在河湾部位筑坝建库，势必存在库水穿越天然河湾地块向下游产生渗漏的可能性。河湾地块防渗是在水电工程中经常遇到的重要地质问题，特别是岩溶发育地区，如官地水电站[1]、沙沱水电站[2]、酉酬水电站[3]、银盘水电站[4]等工程，都存在沿河湾地块产生渗漏的问题。因此，河湾地块的渗漏及防渗研究具有重要的工程意义。

卡洛特水电站工枢纽程所处河湾地块为新近纪红层地区，从一般概念来讲，防渗不是特别突出的地质问题，常规的勘察研究可以满足工程需要。通常，对于单薄的河湾地块，一般都采取了全线防渗布置，而该工程基于前期勘察成果和节省投资考虑，未采取全防。因此，需要对其防渗可靠性问题进行充分的分析论证，确保方案安全可靠。

本次研究从基本地质勘察研究着手，开展了大量的钻孔、声波测井、彩色电视录像及压水试验，全面了解河湾地块水文地质条件及岩体渗透特性。本次研究除采用常规的系统的地质分析方法外，重点引入了三维空间分析的方法，加深了对地质体渗透性的整体认识，并结合三维数值模拟分析，对河湾地块整体防渗可靠性得出了明确的结论，对设计方案的确定起到有力的支撑作用。

1工程概况

巴基斯坦卡洛特（Karot）水电站地处巴基斯坦东北部（见图1），是吉拉姆河（Jhelum）规划的5个梯级电站的第四级。坝址下距曼格拉大坝74 km，西距首都伊斯兰堡直线距离约55 km。

工程为单一发电任务的水电枢纽。水库正常蓄水位461.00 m，相应库容1.52亿m3，电站装机容量720 MW（4臺180 MW）。

枢纽布置格局采取了河床布置沥青混凝土心墙堆石坝，斜穿右岸河湾地块山脊布置溢洪道，在溢洪道引水渠左侧布置电站进水口的引水式地面厂房。大坝上、下游布置全年挡水土石围堰，导流洞布置在电站与大坝之间，采用导流洞导流。

2河湾地块地质概况

卡洛特水电站坝址位于吉拉姆（Jhelum）河中上游河段，坝址区属中低山地貌。坝址区吉拉姆河呈“几”字形，在右岸形成宽约700 m的脊状河湾地块（见图2），中部呈鞍状地形，地表高程约500 m左右，近河湾前部相对较高，地面高程约520 m。河湾地块上、下游侧临河岸坡受岩性控制，形成台阶状陡坎地形。坝址河段吉拉姆河枯水期水面宽30～60 m，水面高程388～391 m，相应水深一般为6～8 m。

河湾地块出露基岩地层主要为新近系中新统纳格利（Nagri）组（N1na）以及多克帕坦（Dhok Pathan）组（N1dh）地层，岩性主要为中砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩等，总体呈不等厚互层状，不同岩性所占大致比例分别为泥岩、粉砂质泥岩23.7%，泥质粉砂岩、粉砂岩32.2%，中粗砂岩38.0%，细砂岩6.1%。岩石胶结成岩较差，较软弱，属较软-软岩。河湾地块沉积岩岩性复杂，总体上岩性及岩相空间变化大。

坝址区在构造上处于左岸Karatot向斜与右岸Narwan背斜之间的宽缓单斜岩层部位，岩层产状平缓且较稳定，岩层倾角7°～10°。坝址区断层、层间剪切带不发育，地表露头主要发育NE～NEE、NW～NNW两组裂隙，平硐揭露主要为NE、NEE、NNE走向3组及少量零散裂隙，一般较短小，中、陡倾角为主，宽度一般小于1 mm，泥质或岩屑充填为主。

区内地下水主要为基岩孔隙裂隙水和第四系松散层孔隙潜水。基岩孔隙裂隙水主要赋存于砂岩中，一般为中等-贫含水，具多层状水文地质结构，通过裂隙通道运移、排泄。各类岩石总体透水性较弱，中砂岩、细砂岩相对于其他岩类透水性稍大。

区内岩体强风化带厚度一般为0～10.7 m，弱风带厚度为0～28.3 m，风化带厚度不大。坝址区陡立岸坡强、弱卸荷带水平深度一般为8～16 m，6～25 m，随着高程的降低，强、弱卸荷带宽度相应减小。

3河湾地块水文地质条件分析

3.1河湾地块水文地质条件勘察

由于河湾地块的存在，在河湾部位筑坝建库，势必存在库水穿越天然河湾地块向下游产生渗漏的可能性。因此，在可行性研究阶段，河湾地块的水文地质条件及岩体渗透特性以及河湾地块的防渗可靠性被作为重点进行了深入的勘察研究，目的是为河湾地块防渗方案的选择提供切实可靠的地质依据[5-6]。在河湾地块，结合建筑物布置了61个地质钻孔，开展了大量钻孔压水试验，加上可研之前勘察成果，共获得了河湾地块74孔1 335段岩体渗透性试验成果，并辅助以钻孔彩色电视录像及钻孔声波测井对岩体完整性进行研究，与钻孔压水试验资料进行对比分析。对河湾地块地下水位开展了长期观测，分析其年际、季节性变化特征。

总体上，河湾地块钻孔覆盖率大且分布较为均匀，钻孔深度基本满足防渗要求，很好地揭示了河湾地块岩体透水性特征。通过对勘察成果的统计分析，基本查明右岸河湾地块水文地质条件，为河湾地块防渗设计提供了地质依据。

施工期（Level 2阶段），为进一步复核河湾地块水文地质条件及河湾地块的整体防渗可靠性，根据大坝右岸帷幕灌浆压水试验揭露岩体透水性特征，右岸建筑物开挖对边界条件的改变等情况，开展了相关的专题研究：补充实施了10个钻孔，开展了88段压水试验，并通过钻孔对施工期各部位地下水埋深及变化情况开展长期观测，采取三维作图的方法，清楚直观地展现三维空间各部位岩体透水性（Lu值）（见图3）。专题研究成果表明：补充钻孔压水试验成果与前期成果高度吻合，进一步证实了施工期河湾地块虽受开挖影响改变了地下水补给条件，地下水埋深存在一定变化，但河湾地块依然存在高于正常蓄水位461.00 m高程的地下水分水岭。

基于前期勘察成果，在分析大坝右岸及溢洪道防渗帷幕灌浆施工所揭示的岩体透水性特征的基础上，对河湾地块水文地质结构进行了地质概化，拟定了渗透性参数，开展了河湾地块渗流场及渗漏量数值模拟分析，为工程决策提供依据。

3.2河湾地块岩体渗透性

河湾地块地下水主要为基岩裂隙水，主要赋存于砂岩中，一般为中等-贫含水，由于存在泥质岩，相对不透水岩层呈夹层或互层分布，形成多层状水文地质结构。

河湾地块属单斜岩层分布区，含水层、隔水层分界面构成层间裂隙水的主要水文地质单元边界，地下水补给、径流、排泄条件主要受岩性边界控制。

通过钻孔提示的地下水位分析，河湾地块存在地下水分水岭，其最低点高于水库正常蓄水位，见图4。

根据右岸河湾地块分布的74个钻孔1 405段有效压水试验数据统计（见表1）分析，区内各类岩石总体透水性较弱，不同岩类微新岩体吕荣值q<10 Lu的试段均占试验总段数的90%（均值）以上，q<5 Lu的试段所占比例为84%（均值）以上，微新岩体一般透水性微弱。

此外，根据钻孔揭露，河湾地块断裂、裂隙不发育，河湾地块岩体完整性一般较好，没有贯通上下游的断层和长大裂隙分布，因此在河湾地块不存在库水向下游渗漏的天然通道，地下水渗流形式为孔隙-裂隙渗流。

4河湾地块防渗可靠性分析

4.1河湾地块防渗可靠性地质分析

该工程位于新近系弱胶结陆源碎屑岩分布地区，砂岩、泥质类岩石呈不等厚互层状，岩层平缓，倾左岸及下游，由于河湾地块单薄，其防渗可靠性对渗控工程布置及投资带来较大的影响。

根据该工程的特点，从河湾地块水文地质条件入手，对可能影响其防渗的各因素进行系统梳理，得到对防渗十分有利的5条结论：

（1） 河湾地块不存在天然渗漏通道。

坝址处于宽缓向斜翼部岩层产状近水平构造部位，在褶皱过程中岩层遭受的构造挤压错动轻微，前期勘察在河湾地块良好的岩石露头中均未揭露到规模较大（延伸长度大于100 m）的断层，层间剪切带不发育，且延续性差，长大裂隙也仅只分布在近岸坡卸荷带内（主要是受卸荷改造的一组构造裂隙）。施工期，河湾地块四周均分布有开挖面，在对开挖进行地质编录时均没有发现有横切河湾地块贯通上下游的断层分布;4条厂房引水洞及3条导流洞对地下深部岩体进行了充分的揭示，隧洞围岩中没有发现断层和连续破碎带的分布。因此，河湾地块不存在库水向下游渗漏的天然渗漏通道。

（2） 河湾地块存在良好的防渗依托层。

整个河湾地块分布的地层为一套砂岩（中至细粒为主）与泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等泥质类岩石呈不等厚互层状的复杂的地质结构，其中泥质类岩占比达56%，最大单一岩性层厚度可达30 m。由于相对透水的砂岩与相对不透水的泥质类岩石的互层状分布，造就了河湾地块总体水文地质结构为独特的多层状水文地质结构。加之无大的结构面切割，不同的孔隙裂隙含水层之间水力联系较弱，基本不存在越流补给的情况，部分含水层具备局部承压性就是很好的证明，其间相对不透水的泥质类岩层形成了良好的隔水层，并可以作为良好的防渗依托层利用。

（3） 河湾地块存在地下水分水岭。

前期勘察揭示河湾地块存在地下水分水岭（见图5），其最低点高于水库正常蓄水位。从地下水位线形态也可以看出，靠河湾上、下游近岸岸坡地带地下水水位线一般较陡，表明地下水水力梯度较大，从侧面也反映出在远离卸荷带一定深度的岩体透水性一般较微弱;在河湾中部由于地表缓倾下游，地下水埋深不大且较平缓，与地形总体一致。由于溢洪道开挖，切断了河湾地块来自山体一侧的地下水补给，同时，溢洪道、导流洞进出口、导流洞、厂房引水洞、地面厂房等开挖也将会影响到地下水补给及排泄条件。考虑施工期受建筑物开挖影响，河湾地块地下水可能发生短期变化，在河湾地块不同部位布置了10个地下水监测孔（兼永久地下水监测孔）。最新监测资料分析表明，虽然溢洪道开挖切断了同一含水层来自山体的地下水补给源，河湾地块两侧建筑物边坡开挖以及边坡排水措施改变了原来地下水排泄条件，对局部地下水会产生一定的影响，但河湾地块地下水分岭依然存在，且高于水库正常蓄水位，其形态及位置可能产生一定的变化及迁移。

（4） 河湾地块岩体呈弱-微透水。

统计表明，河湾地块微新岩体一般透水性微弱。从不同巖类之间差异来看，中砂岩、细砂岩相对于其他岩类透水性稍大，但差异不是很明显，总体上仍属弱-微透水岩体。由于各类岩石总体透水性微弱，因此，岩体渗透性各向异性差异也不大。从大透水率试段的三维空间分布来看（见图3），透水区域主要集中在近岸岸坡岩体卸荷带内和近地表浅部岩体风化带内，深部微新岩体极少分布。从三维观察可以看出，这些试段多孤立分布，在空间上并没有联系。

（5） 沿岩性接触面渗漏可能性较小。

区内各岩层之间均为整合接触，岩层间接触面主要为较平直型、波状起伏型，新鲜完整的互层状结构的岩体接触面多结合较紧密，前期勘探未见连续层间剪切错动痕迹及泥化带分布。因此，地下水直接沿层面产生渗透性加大的可能性较小，但在岩体卸荷及风化带内，由于卸荷及风化影响，岩层间接合力将会降低，特别是泥质类岩石，在风化和地下水作用下，层间的胶结物质及结构将产生变化从而导致沿层面的渗透性加大。

上述分析表明，河湾地块岩体水文地质条件及岩体透水性决定了河湾地块岩体具有良好的防渗可靠性。

4.2河湾地块三维渗流计算

三维渗流计算分析采用FEFLOW软件平台进行数值模拟。FEFLOW软件基于有限元方法，主要针对地下水问题而开发，适用于非均质地质体与复杂边界条件的地下水问题的求解，可以模拟承压水、潜水、变密度流、变饱和流、溶质和热运移等问题，在工程上得到了广泛应用[7]。计算模型范围包括溢洪道中心线与大坝间的河湾地块。根据河湾地块水文地质条件建立了概化模型，形成疏密有致具有132 588个节点、166 923个单元的三维渗流场有限元计算网格。根据地块岩体渗透特性，考虑到岩体透水性总体微弱，不同岩性间透水性无本质差异，未按不同岩性组合进行建模，考虑了可能的施工开挖影响，按岩体透水性进行区分并拟定相应的参数取值。针对不同防渗措施及水位组合考虑了5种计算工况。计算表明：

（1） 正常蓄水位461.00 m且不设置防渗帷幕工况下，河湾地块库水入渗流量约1 395 m3/d，渗流量较大，渗流量的贡献主要来自近岸地带及靠近溢洪道开挖面附近;大坝右坝肩及溢洪道左岸设置防渗帷幕，库水入渗流量约942 m3/d，渗流量明显降低，表明设计方案垂直帷幕防渗效果良好。

（2） 考虑单条导流洞或引水洞的混凝土衬砌洞段渗漏的不利工况，库水入渗流量较隧洞不渗漏情况分别增加约1.8%和1.1%。

（3） 溢洪道左岸防渗帷幕延伸至与大坝右岸防渗帷幕连接，与现有设计方案流场分布及渗流量差别很小，河湾地块中部可不设置防渗帷幕。

5结论及建议

对卡洛特水电站右岸河湾地块水文地质条件勘察研究及防渗可靠性的分析论证表明：河湾地块存在高于水库正常蓄水位的天然地下分水岭，互层状水文地质结构对防渗有利且有良好的防渗依托层，不存在贯穿性的集中渗漏通道，河湾地块岩体透水性微弱，河湾地块具有良好的防渗可靠性。通过分析论证，有以下几点主要体会和建议。

（1） 对于类似近水平分布的层状地层的河湾地块，防渗可靠性的勘察研究在勘察伊始就應放在重要的地位，投入足够的勘察工作量，查明河湾地块的水文地质条件及岩体渗透特性是关键。从河湾水文地质结构及渗漏条件着手，对河湾地块防渗条件进行充分的论证，得出科学的符合实际的结论，以最大限度利用有利地质条件，才能降低工程风险，节省工程投资。

（2） 对于河湾地块防渗可行性的地质分析，除了采用常规的地质分析手段外，也需要采用先进的方法和手段，从定性分析入手，辅以定量分析，增加分析结果的可信度。

（3） 加强施工地质工作，不仅是地质勘察服务于工程建设的重要工序，也是对地质体重新认识的重要环节。根据施工揭示的新情况，重新认识地质体，并进行必要的复核验证，以最大程度保证设计条件的符合性，并为设计方案调整提供依据。

（4） 下一步加强蓄水初期河湾地块地下水渗流监测及分析，进一步评价防渗方案的安全可靠性。

参考文献：

[1]彭仕雄，陈卫东，肖强.官地电站库首左岸河湾地块岩溶渗漏分析[J].岩石力学与工程学报，2015（增2），4030-4037.

[2]王金禾，郭维祥.沙沱水电站库首左岸河湾地块渗漏分析[J].贵州水力发电，2005，19（3）：33-37.

[3]李文军.酉酬水电站河湾地块渗控分析与治理[J].资源环境与工程，2013，27（4）：465-467.

[4]季福全，刘军.乌江银盘水电站右岸河湾地块岩溶渗漏分析[J].人民长江，2007，38（9）：80-82.

[5]水电水利规划设计总院.水力发电工程地质勘察规范：GB50287-2006[S].北京：中国计划出版社，2008.

[6]彭土标.水力发电工程地质手册[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[7]冶雪艳，杜新强，杨悦锁.绥化市红兴水库渗漏分析及渗控方案模拟预测[J].吉林大学学报（地球科学版），2010，40（1）：128-133.

（编辑：刘 媛）