［摘要］通过对黄河中游某水电站除险加固工程区域地质构造、水文地质条件、钻孔压水试验、多年地下水观测、地下水渗流场等因素的研究，确定了工程区岩溶承压水影响是其主要工程地质问题，确定了工程区各岩层岩体的渗透系数、分层地下水位，并对影响施工的承压水提出了相应的处理措施。

［关键词］水电站除险加固 地下水 岩溶承压水 施工围堰

1工程概述

黄河中游某水电站位于山西省保德县与陕西省府谷县交界处的黄河北干流上，是一座低水头大流量河床式径流电站。原枢纽由左岸混凝土重力坝、厂房段、泄洪闸段、岛上混凝土重力坝和右岸土坝组成，最大坝高42 m，正常高水位834.0 m，四台机组装机容量128 MW，为三等中型水电枢纽工程。工程于1970年4月开工兴建，1978年7月四台机组全部并网发电，目前电站仍在运行。水电站经过近30年运行后，经有关部门鉴定为泄洪能力偏低，列入除险加固工程范围。除险加固主要内容包括新建两孔泄洪闸和四个排沙底孔（沿岛上重力坝和土坝结合部右岸土坝方向布置），同时对土坝进行加高。坝顶高程均为838.00 m。

2区域地质构造及水文地质

水电站处于吕梁背斜西翼与鄂尔多斯断块东缘交接地带，该区域广泛分布着下古生代沉积的厚度近700米的碳酸岩层。发育主要构造为：横山断裂，由岢岚经五寨至神池，走向北东，为一扭压性断裂，它构成五寨神池盆地底部透水含水层；西岸挠曲，走向北北东或近南北，倾向南西或西，倾角45°～50°，挠曲以东倾角较缓，约为10°～15°；河曲背斜，走向北西，两翼倾角约为4°～5°，为一低序次平缓短轴背斜。

受此区域地质构造的影响，在神池、五寨等地形成一系列断陷盆地及岩溶洼地，为降水入渗创造了有利条件。区域内近700 m厚的灰岩地层，节理裂隙及断裂发育，渗透性强，易形成岩溶地下水，是本区的主要含水层。从水电站钻孔自流涌水资料看，水头降低21～22 m，涌水量达5 184 m3/d；据有关资料，水头降低13～15 m时，涌水量达2 400～3 900 m3/d；苛岚3号孔，水头降低10 m时，涌水量达3 900 m3/d，可见该层灰岩含水量大，地下径流丰富。由于黄河东岸灰岩出露最高高程为2 000 m，即使在盆地底部，灰岩出露高程也在1 112～1 495 m之间，故岩溶地下水排泄方向是由东向西，排泄于黄河河谷，且坡降较缓。

3工程区水文地质特征

3.1含水层特性

工程区主要地层岩性为奥陶系中统第十一层（O¹¹2）、十二层（O¹²2）、十三层（O¹³2）、十四层（O¹⁴2）和第四系全新统冲积物（alO4）。与工程区含水层有关岩层如下:

（1）奥陶系中统第十一层（O¹¹2）：灰色灰岩及灰白色白云质灰岩，厚度5.5～7.0 m，岩性坚硬，分布在河床底部，被第十二层（O¹²2）层覆盖，仅在土坝上游100 m以远的河床覆盖层下直接与砂砾石层接触，形成“透水天窗”。该层含水量丰富，为工程区主要承压含水层。

（2）奥陶系中统第十二层（O¹²2）：灰色角砾状灰岩及灰黄色泥质灰岩互层，整层厚度13.6～17.0 m，岩性较软，夹有多层软弱夹层。该层分布于河床底部，上覆河床砂砾石层和第十三层（O¹³2）。该层为工程区相对隔水层。

（3）奥陶系中统第十三层（O¹³2）：棕灰色厚层灰岩，厚度19～21.0 m，岩性坚硬，距该层顶部3～5 m，发育一层0.3～0.6 m的软弱夹层，在工程区连续分布。该层受河流切割，主要分布于水寨岛部位及两岸第十四层（O¹⁴2）层岩体之下。该层在水寨岛部位为孤立岩层，为自由层间水，在两岸坝肩为岩溶承压水。

（4）河床冲积层（alQ4）：该层分布于黄河河床覆盖层中，河床覆盖层在坝上游厚近35 m，在坝下游厚5～20 m，为工程区主要潜水含水层。

水电站工程区上游围堰地质剖面示意图见下图

3.2地下水特征

根据地下水埋藏条件及赋水介质类型，工程区地下水可划分为第四系松散岩类孔隙潜水和奥陶系中统的灰岩裂隙～岩溶承压水两类。黄河为两岸地表水及地下水的主要排泄区。

第四系松散岩类孔隙潜水分布于上、下游黄河河床覆盖层中，河床覆盖层在坝上游厚近35 m，在坝下游厚5～20 m。受大气降雨、岸边及下部奥陶系中统灰岩承压水补给，上游水位与库区水位相同，下游水位在高程815～820 m之间。

奥陶系灰岩裂隙水～岩溶承压水补给主要是黄河东岸五寨、苛岚一带的远区补给，排泄于黄河河谷。结合前期勘察资料，根据岩溶地下水的赋存、补给、排泄条件不同，把工程区灰岩裂隙水主要含水层为O¹³2层及O¹¹2层。上部O¹³2层在水寨岛部位为孤立岩层，为自由层间水，在两岸坝肩为岩溶承压水；下部O¹¹2层岩溶水为承压水，补给区远。

建坝前河床中上部O¹²2层、O¹³2层承压水位基本相同，在817～818 m之间，高出当时黄河水位2 m左右，覆盖层水位平均为816.37 m，三个含水层水位近似，含水层间水力联系密切。水电站蓄水后，电站厂房、泄洪闸下O¹²2、O¹³2层承压水位在有排水设置的情况下，一般随上游水位升降而升降，在高程815.0～819.0 m之间；水寨岛部位地下水位在816.0～820.0 m之间。

下部O¹¹2层灰岩、白云质灰岩岩性坚硬，裂隙发育，为强透水岩体，含水量丰富，埋藏较深，仅在土坝坝轴线上游河床有局部出露。在拟建泄洪闸建筑物区，位于F1断层与铁匠铺—林英会地堑之间，O¹¹2层上部有厚13.6～17.0 m的O¹²2层相对隔水层，对O¹¹2层含水层来说封闭条件好，排泄条件差，地下水的排泄通道以O¹²2层的导水裂隙为主。O¹²2层含水承压明显，在电站修建前水头达824～825 m，高出O¹²2层承压水头约7 m，高出河水位近10 m。据观测资料，黄河水位平均上升1 m，O¹²2层承压水位上升0.57～0.64 m。电站蓄水后，O¹¹2层承压水位相应地抬高，一般升高到837～840 m，高出库水3～6 m。

3.3岩体的渗透性

据钻孔压水和涌水试验资料，O¹³2层灰岩的透水率在9.6～114.2 Lu，为弱～强透水层；O¹²2层泥灰岩、泥质角砾状灰岩的岩体单位吸水率在0.25～0.79 Lu，为微透水；O¹³2层与O¹²2层相交部位透水率在6.9～78.2 Lu，为弱～中等透水层。

4对工程施工的影响

4.1对基坑开挖的影响

工程区位于地下水集中排泄河谷段，水文地质条件复杂，岩体裂隙水～岩溶承压水丰富，必然对新建建筑物的基坑开挖产生较大的影响。根据佛尔赫格依麦尔提出的公式，此处承压水头高出建筑物基础开挖面20多米，且涌水量很大时，按非完整自流井估算，基坑总涌水量约为2.19 m3/s，因此，施工开挖时极易造成基坑边坡的坍陷，应引起足够重视。

4.2对施工围堰的影响

受地形地质条件的限制，上游施工围堰布置可供选择的范围十分有限，其左端与原闸室段右导墙连接，右端与土坝连接。上游围堰顶高836 m，围堰顶宽度为10 m，建基面高程为830.82～833.40 m。根据地形情况，上游围堰采用不同的结构型式分左右两段修建。左段围堰从原泄洪闸上游导墙端头至右段壤土围堰之间，处于水寨岛前沿，轴线长约为47 m，距主河道很近，采用混凝土围堰；右段围堰从原土坝上游坝坡面起接至水寨岛前沿，轴线长为382 m，此段坝前已淤积成滩，基岩覆盖层较深，采用的是土石围堰。上游施工围堰地基自上而下为18～20 m厚的淤积层、约20 m厚的砂砾石层，且淤泥层由粘土、壤土和砂壤土组成，处于饱和状态。

当土坝下游基坑挖至814.5 m高程，基坑边坡为1∶3～1∶4时，施工土石围堰下游排水沟底出现了明显的管涌现象，出露孔洞和塌坑有7～8处，可见最大洞径为0.30～0.40 m，且坝脚处明显坍塌，并呈进一步扩大的趋势，土石围堰发生了大量的变形，堰顶部位下游侧陆续出现了大小不等的裂缝，最长裂缝延伸长度约为60 m，最大宽度为20 cm，错台高度为20 cm，土石围堰顶部水平及垂直位移明显。这给工程施工带来了极大的不利影响，并使工期拖延。通过补充地质勘探和物探资料分析，临时围堰出现裂缝、坍塌等变形破坏是由渗透、边坡稳定、不均匀沉降等多种工程地质问题造成的，其中渗透对临时围堰安全影响最大。针对上述情况，在工程施工中采取了一系列“拦”、“排”、“压”、“改”等工程措施，遏制了险情并防止险情再次发生。所谓“拦”，就是针对上游围堰（高喷墙）防渗相对薄弱部位，增加高压喷射灌浆，加强其防渗性能；“排”就是在采取了“拦”的措施后，根据围堰渗漏水的来源及通道，布置完整的排水系统，将渗出水导出；“压”就是根据上游围堰边坡和开挖边坡已经出现裂缝、塌陷等现象，为避免由此引起整体滑动，在适当部位填筑透水和不透水盖重，以提高边坡的整体稳定性；“改”就是对已经开挖的边坡坡形进行适当调整，在下部适当部位填筑透水和不透水料，放缓边坡，在必要部位堆筑透水沙袋等。上述采取的工程措施是相互关联的，比如“压”的同时也起到“排”的作用，“改”中的边坡调整同时具有“排”和“压”的效果。

5结论

黄河中游某水电站除险加固工程区水文地质条件复杂，存在高水头灰岩裂隙水～岩溶承压水，给新建建筑物的施工带来了不利影响，施工时应引起高度重视，并需采取适当排水措施，才能保证施工和工程安全。