孙利军， 宋文搏， 徐铁铮

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 咸阳 712000)

1 工程概况

石沟水库工程位于宝鸡市太白县境内，地处秦岭山脉腹地，属秦岭中山区。水库大坝为自密式砼坝，坝高约61 m，正常蓄水位1 703.50 m，总库容190万m3。水库功能以城镇供水为主，工程等别为Ⅳ等工程。

工程区大地构造地处秦岭褶皱系北秦岭加里东褶皱带西端，挟持于油坊沟—皇台深断裂与唐藏—商南深断裂之间。在长期区域南北向压应力作用下，形成了东西向褶皱和逆冲断裂相间分布的总体构造格局，并在此基础上叠加了一系列NE向、NW向逆冲断裂和SN向正断层；后期在南北向引张拉力作用下，断裂构造复活，几乎所有的断裂均表现为张性正断裂活动，主要断裂构造以近东西向和近北东为主，形成了太白地堑式断陷盆地及巨厚的第三系和第四系沉积层，基底地质构造非常复杂。本工程位于太白盆地南缘，形成水库库坝区的岩性均为单一的中生代燕山期花岗岩，且无断层构造发育。坝址区为峡谷地形，基岩裸露，形成岸体花岗岩相对高差达近百米，左岸陡立，右岸略缓，岩体呈片麻状构造。

本工程在进行初步设计阶段地质勘察过程中，浑厚的花岗岩坝基钻孔深部出现水位突然降落、压水试验不起压及孔内大泵量注水无明显水位上升等现象，而且此现象是否带有普遍性即蓄水区是否同样发育，在当时情况下难以合理解释，且该水文地质现象直接影响库坝方案是否成立。因此工程急需研究其空间分布范围、发育特征、形成原因和对水库及坝基的影响程度，分析其是否需要进行专门防渗处理也是迫切的。

2 强透水岩层的分布与发育特征

针对此地质问题，除库坝区布置钻孔勘探外，同时进行全孔段彩色影像分析探查,并结合水文地质测试[1]，其分布、形成及空间发育特征如下。

2.1 分布范围

坝区范围内布置钻孔5个(图1)。其中坝址上游200 m处河床钻孔(ZK4)未发现强透水含水岩层。左岸边钻孔(ZK5)终孔水位有小幅降落(低于河水位约8.0 m左右)，说明探及强透水层边缘。右岸边坡较高，完整基岩厚度大，钻孔(ZK2)未探及强透水岩层分布高程范围，河床及下游(ZK1、ZK3)钻孔均探明存在强透水岩层。以上现象说明强透水层向右岸延伸范围不会太大，但向下游延伸较远，不波及大范围的蓄水库区。

2.2 强透水岩层形成机理分析

上述强透水岩层经过勘察，最大的特征是具有深埋特点，其次并非断层性质。透水的原因是岩体中发育张性缓倾角裂隙，当垂向构造(包括钻孔)与之相通时才可能发生强漏水现象。

图1 勘探点平面布置示意图
Fig.1 Plan layout of exploration points

受此地质现象启发，结合工程区断裂构造发育迹象，此种强透水岩层的发育是受控于区域地质构造影响。由于太白盆地长期受区域南北向压应力作用，盆地南部山脉坚硬的片麻状黑云母花岗岩受应力作用，沿近似片麻理方向形成一组剪性缓倾角构造裂隙，随着长期压应力作用的影响，该缓倾角裂隙部分由最初的闭合状呈现出张裂性质(如图2-a)，甚至局部呈充填较差的空腔式，在透水特性上由差变强。这也是库坝区部分缓倾角剪性裂隙易呈现出张裂性质(照片1)的原因之一，该组裂隙发育规模较大，延伸较远，透水性较强。后期本区又受区域南北向引张拉力的作用，也就是喜马拉雅运动产生的引张分裂作用，加剧断层活动，南部山体进一步抬升，受抬升作用的影响，盆地南侧山脉岩体形成了一系列较为常见的走向NE、NW向两组高倾角剪、张性构造裂隙，裂隙发育长度较大，贯穿性强，是库坝区主要发育的两组高倾角裂隙。同时，在这种垂直运动力作用下，前述部分延伸长度较大的缓倾角裂隙被拉裂张开(图2-b)，形成了少量产状平缓、延伸较远、张开度较大裂隙，这便是库坝区部分缓倾角剪性裂隙呈现出张裂性质的另一原因。这种张开的缓倾角裂隙与前述两组高倾角裂隙相互切割的组合形式便形成了坝基深埋强透水岩层。

图2 裂隙面破坏机理示意图
Fig.2 Schematic diagram of fracture surface failure mechanism

照片1 库坝区高、缓倾角裂隙发育特征
Photo 1 Development characteristics of high andlow angle fissures in reservoir dam area

当然，这种深埋强透水岩层的形成亦可能有其它因素的影响，但主因一定是受水平和垂直方向的构造应力控制的，而且这种构造裂隙距应力中心(断层)越近，张开度越大，反之，影响越小[2]。

2.3 空间发育及特性分析

勘探岩芯及彩色影像显示，库盆以下岩体裂隙较为发育，但裂隙面多结合较好，岩体相对较为完整，局部完整性较差。其中顺河方向河床ZK1、ZK3钻孔深度10 m左右以上岩体裂隙较为发育，高倾角与缓倾角裂隙相互切割，部分段岩芯呈碎块状，孔壁影像显示呈碎裂状结构，岩体属中等—强透水性。随后深度至35～41 m段岩体发育裂隙以高倾角为主，规模相对小，且多呈闭合状，连通性差，岩体为弱透水性。当钻孔深度分别达到41.5 m和46.6 m时，孔内钻进回水突然消失。同时，两钻孔在上述深度附近段压水试验均出现不起压、漏水量大现象(流量达到约21.6 L～53.7 L/min)。后采用大泵量孔内注水，水位无明显上升。另外，结合岩芯编录及孔壁影像资料均发现ZK1钻孔内发育两条张性缓倾角裂隙，规模较大，其中在42.4 m产状为330°∠14°，张开宽度90 mm，无充填；在42.7 m产状为13°∠23°，张开宽度50 mm，无充填(照片2)。ZK3钻孔深度45～52 m段岩体发育多条缓倾角裂隙，同时被几条高倾角裂隙切穿(照片3)，规模不等，宽度较大，多张开，岩体极破碎，部分充填岩硝，充填物为灰白色泥质状、混杂岩硝。从52 m以下段微风化岩体节理、裂隙不发育，裂隙规模普遍小，岩体属弱—微透水性。

为进一步验证该强透水岩层的充填性及渗透性。勘察期间在ZK1及ZK3之间进行联通试验，试验结果表明，两孔之间连通性良好，且从ZK3孔内裂隙充填物颜色(灰白色)及岩性(泥质状岩硝)判断，其并非地表水流带入地下物质。钻孔注水及压水试验综合分析计算，强透水岩层渗透系数K=80 m/d，透水性极强。据水位观测资料，降雨后深部强透水层地下水位变幅小，并存在滞后现象，即当降雨后第2 d水位有所上升，但上升幅度一般在0.2～0.5 m。说明其地下水位的升降基本不受降雨影响。

照片2 孔壁缓倾角裂隙影像
Photo 2 Fracture image of slow inclination of hole wall

照片3 孔壁裂隙组合影像
Photo 3 Composite image of hole wall fracture

综上所述，水库强透水层形成机理分析及勘探试验成果表明，深埋强透水层具有如下地质特征：坝基强透水岩层仅分布于坝址区及以下河谷范围段附近。位于河床下约41～52 m深度范围内，上部相对隔水岩层厚度25～30 m，具深埋性，属宽张性缓倾角裂隙，其产状影响其向深部延伸。分析其形成原因是张性高、缓倾角裂隙相互切割形成的渗漏通道，而非断层，故其发育范围有限，属未充满水流的裂缝式空腔，不具承压性质(1)孙利军、王普军，陕西省太白县石沟水库工程地质勘察，陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，2015年。。强透水层与地表水连通性差。

3 强透水层对水库工程的影响分析

3.1 对成库条件的影响

地下水的运动是在一定的通道内，沿某个方向的运移。地下水运移通道主要受构造及岩性条件控制，而运移方向则主要受地下水力比降影响。通常条件下比降越大，流速越快，流量也越大，当然这也与通道的通畅条件有很大关系。根据太白盆地及其边沿地带的区域水文地质及构造特征，工程区地下水流向与地表水流向基本一致，均向盆地中心排泄[3]。

水库渗漏的形成必有其渗漏通道、渗漏点以及排泄区。渗漏点是产生渗漏的基本条件，渗漏通道决定着渗漏量大小，而排泄区通畅与否又是决定渗漏能否形成的关键。

(1) 渗漏水流集中排泄部位分析。库坝区强透水层的可能排泄部位有两处：一处为太白盆地上部堆积的强透水、粗粒漂(碎)石类地层；另一处为引红济石工程输水隧洞。

根据坝区下部岩体厚度、完整程度、透水性及地下水类型分析(2)刘登贵、冯志荣，陕西引红济石调水工程地质勘察，陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，2006年。(见图3)，库水不可能沿强透水层向引红济石输水隧洞内排泄。

图3 隧洞施工降水漏斗示意图
Fig.3 Schematic diagram of tunnel construction dewatering funnel

结合图4可以看出：石沟水库库坝区为片麻状黑云母花岗岩，在下游沟口底部及两侧附近为中元古界秦岭群大理岩，两种岩性接触带附近断裂构造发育。受区域地质构造应力作用，库坝区片麻状黑云母花岗岩内近似沿片麻理方向形成裂隙性通道(倾角14°～28°)，一般伸向盆地，比降不太大。其中坝址区强透水层底板高程约1 598 m，盆地上部堆积强透水漂(碎)石类地层沟口处底板高程约1 568.6 m，二者相差约30 m，比降约5%，与该段河床比降接近。

因此，无论从该强透水层的发育高程、地层岩性及其性质分析，其内水流排泄于太白盆地上部堆积的强透水漂(碎)石地层内的可能性最大。

(2) 强透水岩层对水库渗漏安全影响分析。由前文可知，坝区深埋强透水层渗漏形式是垂向裂隙诱导，缓倾角裂隙为运移通道。根据库坝区构造发育特征，工程区内可能形成垂向诱导的有走向NE、NW的两组裂隙，均为高倾角，且一般规模较大。在河床附近该两组高倾角裂隙一般结合相对较好(如照片4)，河床以上随着高程的增加和自重应力等的影响，裂隙面存在拉张现象，但越向山体内部岩体完整程度越好。也就是说，这种不利现象仅产生在库坝区两岸浅表部岩体内，其透水性随着高程的降低(或深度加深)明显变差。库坝区钻孔压水试验资料亦反映出该特点(见表1)。

图4 库坝区渗漏特征分析简图
Fig.4 Diagram of leakage characteristics analysis in reservoir dam
1.第四系风、坡积物；2.中更新统冰碛物；3.下更新统冰碛物；4.下更新统湖积物；5.第三系粘土岩；6.中亚群大理岩；7.燕山期花岗岩；8.地下水沿缓倾角裂隙运移方向。

照片4 高低角裂隙结合特征
Photo 4 Combination characteristics of high and low angle fractares

由此可以看出：河床以下强透水层上部的相对隔水岩体透水性微弱，隔水效果较好；坝区近垂直发育的两组优势高倾角裂隙越向两岸及河床深部裂隙面结合越好，其透水性越差，隔水效果也越好。也就是说，坝基(肩)下强透水层上部岩体不管从厚度或透水性来讲，均可作为相对隔水岩层，透水率亦可满足坝基常规防渗要求。

表1 钻孔压水试验成果统计表Table 1 Statistical table of drilling water pressure test results

综合分析认为，坝区深部强透水岩层透水性极强，但与上部河谷连通性较差，笔者认为天然状态下(不破坏其上相对隔水岩层)基本不存在渗漏水问题，不会影响水库蓄水功能的发挥。但随着高程的增加，受构造及重力作用的影响，库坝区高、缓倾角裂隙及其组合的形式、规模及组合形态也有所不同，不能断然排除库坝区存在连通性相对较好的大裂隙可能。但即使存在这种裂隙式渗漏通道，其仅可能发生在库岸浅表部岩体内，中部岩体透水性微弱，能向深部强透水层运移的水量很有限，所以，在坝址区做好对其防渗后，水库安全足以得到有效保证。

3.2 对建坝条件的影响分析

工程区为峡谷地形，硬质岩区，坝址区无断层发育。根据坝基深埋强透水层发育特征，首先，坝基深部强透水层空间展布连续性较差，分布范围有限，属局部现象，分析多位于坝区河谷下部。其次，岩体深部强透水层是缓倾角的宽大裂隙所致，而非断层。另外，两层地下水之间存在相对不透水层，弱透水岩体厚度达25～30 m。由于钻进过程中回水突然消失，说明上下两层地下水联系不紧密，裂隙连通性差。地下水运移形式主要沿高、缓倾角裂隙相互切割形成的裂隙通道流动。此种现象若要发生，其前提条件是需有连通性较好的垂向构造与其相通，否则不会发生漏水现象。

由前文可知，坝基深部存在强透水层属部分充填或无充填裂缝式空腔，埋深约41～46 m，分布厚度约10 m左右。坝基岩性为花岗岩，弱风化饱和抗压强度平均值为135 MPa，属坚硬岩石，岩体质量以Ⅲ级为主，下部为Ⅱ级岩体，坝基岩体变形模量E0为7.0 GPa以上，且坝基无断层等软弱结构面发育，抗变形能力较强，不存在坝基变形稳定及渗透稳定问题。天然状态下，亦不会产生较为严重的坝基渗漏问题。

4 水库工程防渗处理方案意见

水库工程防渗以坝区两岸及深部的垂向防渗处理为主。坝基防渗宜分层、分区，且可分期实施[4](见图5)。

>图5 坝基(肩)帷幕灌浆施工布置示意图
Fig.5 Layout of curtain grouting construction for dam foundation(shoulder)

(1) 强—弱风化带防渗帷幕：属常规防渗，建议灌浆廊道沿坝轴线向山体内深入，帷幕灌浆斜孔应向坝前(上游)山体内部倾斜，斜孔倾角50°～60°。

(2) 坝基深部强透水岩层防渗帷幕：建议防渗灌浆可以采用单排垂直钻孔方案。其范围宜从河谷左侧陡崖岸边起向右岸100 m的河谷段布置灌浆孔，由于可灌性好，建议灌浆孔距5～10 m。初估深孔约10～15个。根据工程供水需求亦可暂不进行防渗。

5 结束语

本工程坝基深埋强透水层在诸多水利工程中实属少见，尤其是在硬质花岗岩中，是典型的坝基深埋强透水岩层，研究其形成原因及其发育特征，有助于分析其对水利工程的影响及处理意见，进而对水工设计及工程施工起到指导性作用。本文通过坝基深埋强透水岩层的特征及其对水库、坝基的影响分析，提出了水库工程的防渗处理原则“分层处理，分期实施”，即下部坝基强透水岩层的防渗可在水库蓄水后，根据水库工程运行及渗漏水观测情况决定是否对其进行防渗处理。由于该工程目前尚未建成，本文是根据勘察工作分析的初步成果，尚需工程运行后进一步验证。