缅甸某水电站坝址承压水化学特征及对工程影响分析

2017-08-28胡亚召罗珏坪屈泽伟

地下水 2017年4期

关键词：水化学承压水坝址

胡亚召，罗珏坪，屈泽伟

(四川省地质工程勘察院，四川成都 610072)

缅甸某水电站坝址承压水化学特征及对工程影响分析

胡亚召，罗珏坪，屈泽伟

(四川省地质工程勘察院，四川成都 610072)

承压水是在水电开发过程中常见问题，在承压水高渗透压力作用下，坝基可能产生化学溶滤和机械管涌，造成库水渗漏。重点对缅甸某水电站低温、高矿化度的基岩裂隙承压水分布、水文地球化学等特征进行分析，提出坝址承压水对工程建设影响主要是大坝建成后，水库水位抬高，应力增加，最大承压水头高出河水位23 m，在渗透压力不断作用下，导致化学溶滤和机械管涌，造成水库渗漏，发生基地付托，导致坝基不均匀沉降，应采取适当排水方法对承压水进行处理，通过灌浆对承压水进行封堵等处理措施，防止水库大面积渗漏，为水电站顺利建设提供技术支撑。

承压水；水电站；水文地球化学；处理措施

缅甸某水电站位于伊洛瓦底江上游干流恩梅开江与一级支流其培河交汇处，距其培市约15 km。电站装机规模340万 kw，安装5台68万 kw的发电机组，年均发电量约177亿kw·h。该水电站所在区域承压水低温、高矿化度的特殊性在国内外研究中实属少见，尤其是基岩裂隙承压水。本文重点阐述了承压水分布及水文地球化学特征，并提出了对工程建设的影响及处理措施。

1 地质背景

缅甸某水电站位于缅甸北部高山区克钦邦(图1)，该邦北接中国西藏，东接中国云南，西连缅甸实皆省、印度，南接缅甸中部干燥地区，该处属恩梅开江干流中游河段处，恩梅开江多急流险滩，尚不具备航运条件，舟楫通行不畅。

1.国界2.城市、集镇3.拟建坝址4.铁路5.一般公路6.主要公路7.高等级公路8.水系

图1 交通位置图

缅甸某水电站坝址区处在缅北与中国交界的高山、中山构造侵蚀地貌区。

地层主要是迈立开江-恩梅开江-伊洛瓦底江变质岩带，属中上元古界变质地层(Pt2-3)，以古老变质岩为主，其次为局部的后期岩浆岩侵入体，以侵入岩为主，喷出岩次之。

图2 其培韧性剪切带分布图

1.承压钻孔编号2.产状3.地层代号4.断层及编号5.F42断层主断带6.F41断层主断带7.影响带8.碎裂岩9.地质界线10.坝轴线

图3 水电站坝址承压水钻孔分布图

构造上处于冈底斯～念青唐古拉褶皱系伯舒拉岭～高黎贡山褶皱带中的铜壁关褶皱束，主要构造有其培韧性剪切带(图2)，宽约500～800 m，该韧性剪切带向北经坝址区恩梅开江河心偏左岸延伸出区外，控制区内长度约15 km。其培韧性剪切带规模较大，变形强烈。剪切带内部的岩石遭受高温高压环境下的强烈韧性剪切变形，形成了一系列的韧性剪切变形断层岩-初糜棱岩、糜棱岩、糜棱片岩和构造片岩。同时，在其东西两侧的边界附近，可见后期的叠加在早期的韧性剪切带边缘部位的脆性构造岩，反映了韧性剪切带附近区域经历了不同时期和不同性质的多期活动。该韧性剪切带对后期构造发育起了一定控制作用，对坝址河床承压水的发育有较大的影响。

2 承压水分布特征

水电站坝址区共发现7处承压水，分别是ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6及ZK7，这些钻孔主要分布于恩梅开江河床左侧，位于河床断层及影响带上，并沿河床展布(图3)。承压水特征见表1。

表1 坝址河床承压水特征统计表

3 承压水水文地球化学特征分析

3.1 承压水水化学特征

为了研究坝址区承压水水文地球化学特征，调查期间，共采集水样19件，其中承压水5件、雨水1件、钻孔水3件、平硐水3件、溪水3件和江水4件(图4)。

研究区水化学类型复杂，可用Piper图来分析研究区水化学类型的分布。Piper图由一个等边的平行四边形及两个等边的三角形组成，用Piper图解不仅可以进行水化学分类，而且可以直观地揭示阳离子交换等有关地下水化学成分的形成作用[2]。

从研究区Piper三线图(图5)中可以得出以下结论：阳离子三角图中，5个承压水都落在了三角形的下方，非承压水绝大部分水样点落在三角形的下方；阴离子三角图中，5个承压水都落在三角形的左下方，非承压水绝大部分水样点落在三角形的左下方。从中可以看出，水样中Mg2+、Cl-和SO42-相对比较贫乏，而Ca2+、Na+和HCO3-含量较多，是水中离子主要成分。承压水水化学类型以HCO3·Cl-Na·Ca型为主，非承压水以HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Na型为主。大部分水都落在了1区，碱土>碱，即Ca+Mg>Na+K。雨水中含有较多的Na+，这与该区Na+含量普遍偏高有关，水化学类型为HCO3·Cl-Na·Ca型，与承压水相同，同时也说明了承压水来自大气降水补给。

1.雨水2.承压水3.钻孔水4.平硐水5.溪水6.江水7.支沟8.采样编号9.平硐及编号

图4 水样点分布图

1区为碱土>碱；2区为碱>碱土；3区为弱酸>强酸；4区为强酸>弱酸；5区为碳酸盐硬度>50%；6区为非碳酸盐硬度>50%；7区为非碳酸盐碱>50%；8区为碳酸盐碱>50%；9区为无一对阴阳离子>50%

图5 水化学宏量组分Piper三线图

3.2 承压水水文地球化学特征

水文地球化学是研究水与地壳岩石、气体和有机物质互相作用的学科，是研究地下水圈中化学元素及其同位素的分布、分配、集中分散及迁移循环的形式、规律和历史的学科。它不仅研究地下水的化学成分及其形成作用与途径，而且探索地下水在地球壳层中所起的地球化学作用，因为无论是外生循环还是内生循环的地质作用都有水的参与[3]。

3.2.1 承压水与浅层地下水混合比例的确定

承压水由下往上运动至地热系统上部时，往往不同程度地发生与浅层地下水的混合，其水文地球化学特征会发生相应的变化。研究区温度各不相同，浅层地下水矿化度、氯离子含量，一般比承压水低。但是承压水中的氯化物、硼或其它不怎么起反应组分的含量有明显变化，说明承压水可能存在混合水。因此，我们采用氯离子变化判断承压水是否有其它水混合。

承压水与浅层地下水混合比例，可以根据氯离子含量，按下列方程求得[4]：

式中：X为承压水所占份额(%)；Y为浅层地下水所占份额(%)；Clh为承压水氯含量(mg/L)；Clc为浅层地下水氯含量(mg/L)；Clm为混合水氯含量(mg/L)。

承压水与浅层地下水取值：根据长期观测资料，坝址CHK2钻孔承压水动态比较稳定，可以判定该钻孔承压水没有浅层地下水混合，因此承压水氯含量(Clh)选取ZK7钻孔承压水中氯含量。浅层地下水氯含量(Clc)选取坝址一般钻孔ZK8浅层地下水中氯含量。

混合水比例计算：根据上述方程计算承压水与浅层地下水混合比例，计算结果见表2，从表中可以看出，承压水钻孔ZK4和ZK2中浅层地下水比例为负值，说明这些钻孔承压水没有与浅层地下水混合。只有ZK5钻孔承压水中承压水含量占2.08%，浅层地下水含量占97.92%，可见，ZK5钻孔承压水来源主要是浅层地下水。

表2 混合水比例中氯离子含量及计算结果

3.2.2 承压水形成的水文地球化学特征

通过上述分析，承压水断层带矿物组分主要为斜长石、钾长石和石英，断层带两侧主要是变质岩(斑状花岗片麻岩)其矿物组分主要为斜长石和钾长石。可以判定承压水形成过程中由大气降水补给后，顺基岩裂隙径流过程中与岩石发生水-岩作用，从而造就了该区承压水独特的水化学特征。根据分析，承压水水化学形成过程中水-岩作用主要有：溶滤作用；氧化作用；混合作用。

(1)溶滤作用

在水-岩作用的过程中，岩石中一部分物质转入地下水中的过程称为溶滤作用。溶滤作用的强度与岩石矿物的溶解度、水的溶解能力以及地下水交替循环强度有关。变质岩地层中矿物组分主要为斜长石和钾长石，其中斜长石是由钠长石和钙长石两种组分组成的。水在岩石溶滤作用过程中发生下列反应：

Na2Al2Si6O16(钠长石)+2CO2+3H2O→2HCO3-+2Na++H4Al2Si2O9+4SiO2

CaO·2Al2O3·4SiO2(钙长石)+2CO2+5H2O→2HCO3-+Ca2++2H4Al2Si2O9

KAlSi3O8(钾长石)+3CO2+16H2O→H3OAl2[AlSi3O10](OH)2+3K++6H4SiO4+3HCO3-

这三个方程反映了在变质岩地层中水-岩之间作用的过程，方程中可以看到发生反应后，水中K+、Na+、Ca2+、HCO3-及SiO2含量增加，这是导致承压水中K+、Na+、Ca2+、HCO3-及SiO2含量增加的原因。氯在自然界中广泛分布，大部分以Cl-的形式或络离子的形式存在并分散在硅酸盐等造岩矿物中，在风化作用与溶滤作用下，释放出大量的Cl-，进入地下水中并以Cl-或络离子的化合物形式存在与运移。地下水中氯的富集除了与含水层介质成分有关外，主要与地下水的动力条件和地下水中的矿化度密切相关，当地下水径流缓慢时，富集的氯多，随之矿化度增加[5]。因此在地下水运移过程中，径流缓慢，溶滤了较多的Cl-进入水中，这是造成承压水中Cl-含量高的原因。

(2)氧化作用

调查过程中，发现平硐中岩石表面有很多黄褐色物质，经分析是成分主要是FeSO4，特别是离地表一定范围内，当有氧气作用时，就会发生黄铁矿的氧化作用：

FeS2(黄铁矿)+7O2+2H2O=2FeSO4+4H++2SO42-

这种氧化作用使得地下水中pH值降低，而SO42-增加。当地下水运移到岩体深部时，由于氧气的缺乏，氧化作用就会变弱，当处于还原环境时，氧化作用就不会发生。

(3)混合作用

承压水的径流过程较长，因此不同程度的与其他水混合，由于深部有气体冒出，因此，可能带来深部一些挥发性物质进入承压水。另外在承压水上升的过程中也可能与浅表层地下水发生混合作用，使得原来水的化学成分发生变化，从而形成现在承压水水化学成分，这也是坝址区承压水成分复杂的原因。