黄河西霞院水库环境工程地质问题预测分析

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第 16 卷第 2 期

贵州水力发电 GUIZHOU WATER POWER

2002 年 6 月

黄河西霞院水库环境工程地质问题预测分析
杨彦平, 张书光, 曲 敏
郑州 450003) ( 黄河水利委员会勘测规划设计研究院, 河南

摘 要: 水库的修建将 改变原来的自然

平衡状态, 产生一 系列环境 工程地 质问题。 本文分 析认为, 西 霞院水 库 蓄水以后, 在近坝库区将发生水库塌岩、浸没和渗漏等问题, 产生水库诱发地震的可能性不大。 关键词: 环境工程地质问题; 塌岸; 渗漏; 淹没; 浸没; 诱发地震; 黄河西霞院水库 中图分类号: TV147 5; X45 1 文献标识码: B 文章编号: 1007 -0133 ( 2002) 02 0028 -03

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引言
黄河西霞院水库为一低水头径流电站水库, 对

营组( T 2er ) ; 下游则为新生界地层, 基岩主要为下 第三系济源群( E1 jy ) 和上第三系洛阳组( N1 1 ) 。基 岩之上均有第四系覆盖。 水库区位于华北地震区许昌 ) 淮南地震带上, 该带地震活动频度较低。国家地震局 1990 年版 51 B 000 000 中国地震烈度区划图6 将该区划分为 6 度 4 区, 区域稳定条件较好。

小浪底工程进行反调节运用, 其最大坝高为 40 m, 正常高水位 134166 m ( 黄海高程) , 总库容为 1162 亿 m3 , 水库长度约 16 km。水库的修建, 将会导致 库区范围内的自然平衡状态发生改变, 诱发地质环 境的异常变化, 产生一系列的环境工程地质问题。 而这些问题的发生、发展将直接或间接影响到该水 电站的正常运行, 以及滨库地带的工农业生产。本 文从水库的地质背景着手, 对水库建成后可能产生 的环境工程地质问题及其影响进行概略分析。

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水库的环境工程地质问题预测分析
水库的环境工程地质问题是由于水库蓄水后,

水体与特定的 地质环境相互作用而引 起的水库塌 岸、水库渗漏、水库诱发地震和浸没等。它不同于 工程建设前即已存在的自然地质灾害, 如地震、滑 坡、泥石流和水土流失等, 属于地质环境研究的范 畴。 211 水库塌岸问题 在西霞院水库库段内, 分布有基岩库岸、黄土 ) 基岩库岸和黄土库岸 3 种类型。其中基岩库岸和 黄土 ) 基岩库岸均分布在库区的中部和尾部, 蓄水 后水位抬高较小, 且与库水接触的多为前第四系地 层, 而基岩的抗冲蚀能力较强, 其塌岸范围和数量 均有限, 可以认为, 该类库岸为不塌岸库段。而在 近坝库区则为黄土库岸, 系黄河 ?级阶地堆积物, 多具 / 二元结构0, 表现为上部是黄土状土, 下部 为卵砾石层, 局部卵砾石埋藏较深, 与库水接触的 只有均质的黄土状土, 在水的浸泡和风浪共同作用 下, 将形成快速而大量的塌岸, 使滨库地带的生态 环境发生改变。
收稿日期: 2002 -21 -01 作者简介: 杨彦平 ( 1962 , 男, 河南省 郑州市 人, 工程 师, 从 事 -) 水利水电工程勘测设计技 术管理工 作; 张书光( 1969 ) , 男, ( 回族) , 河南省开封市人, 工程师, 从事水利水电 工程地质勘察工作。

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水库的自然地理地质背景
选定坝址上距小浪底大坝 16 km, 处于黄河干

流中游最后一个峡谷段向下游 宽浅河段的过 渡地 带, 也是由基岩低山丘陵区向冲洪积平原区的转折 处。库区的中上游地区为基岩低山丘陵区, 地形波 状起伏, 变化较大, 河流为峡谷型; 下游则为黄土 台塬 ) 丘陵区和冲洪积平原区, 地势低平, 河流为 宽浅游荡型。 西霞院库坝区所属大地构造单元为华北地块区 南部的豫皖断块, 为豫西断隆和开封 ) 济源断坳区 的过渡地带, 王良断层和连地 断层为其边界 断裂 ( 裂点) , 也是区域地貌的自然分界。裂点以上库区 内发育有多条断层, 主要为近 EW 向和 NE 向 2 组。 裂点以下则断层少见。 库区及其附近的新构造运动, 主要表现为地壳 振荡式的垂直运动和断裂的继承性差异运动, 二者 伴随进行, 形成了四级阶地的地貌景观, 各级阶地 特征见表 1。 库区以裂点为界, 上游出露的基岩地层为中生 界三叠系刘家沟组( T1 1 ) 、和尚沟组( T 1h ) 以及二马 # 28 #

杨彦平, 等: 黄河西霞院水库环境工程 地质问题预测分析 表 1 西霞院库区河 流阶地特征 阶地 ? 级阶地 ? 级阶地 ? 级阶地 ?级阶地 阶地类型 堆积阶地 基座阶地 基座阶地 基座阶地 基座高程 /m ) 96~ 112 185~ 220 265~ 290 阶面高程 /m 130~ 150 138~ 180 230~ 290 310~ 325 物质组成 砂壤土、粉细砂和卵砾石 黄土状壤土、砂壤土和卵砾石 黄土状壤土、卵砾石 壤土和卵砾石

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分布情况 仅分布在西霞院、蓼坞及白鹤等 地, 为水库库岸 卵砾石具架空现象, 弱至中等胶 结, 为水库库岸 库区内均有分布 仅在小浪底 附近 有分 布( 裂 点以 上)

水库塌岸的预 测, 是一项 非常复杂的系 统工 程, 涉及的因素众多, 各因素的变化又十分复杂, 难以掌握其变化规律性。到目前为止, 各种预测方 法尚处于半经验、半定量的阶段, 仍在研究探索之 中。现用工程类比法、C1#1 佐洛塔廖夫图解法和 E1#1 卡秋金计算公式法 3 种方法进行综合分析预 测。分析中涉及的几个参数的选取为: ( 1) 水 下浅滩 磨蚀 角( A) 的选 取: 根 据三 门 峡、龙羊峡及官厅等水库的地层结构、水库运用特 点, 与西霞院水库进行类比, 其黄土状壤土和砂壤 土的 A选取 6 8 b~ b较为合适。 ( 2) 水上岸坡的稳定坡角( B) : 同理可得 B取 值为 40 60 b~ b。
剖面编号 TA01 TA02 TA03 TA04 TA05 TA06 TA07 TA08 TA09 位置 东寨( 左岸) 坡头东侧( 左岸) 济涧河( 左岸) 坡头提灌站( 左岸) 银匠沟( 左岸) 堡子村东( 右岸) 堡子村( 右岸) 王庄村( 右岸) 柿林村( 右岸)

( 3) 根据当地的气象资料, 利用 B1P1 安德烈 扬诺夫经验公式, 对塌岸剖面上的波浪高度进行计 算。 将上述参数, 利用上述卡秋金公式计算和佐洛 塔廖夫图解法图解, 得出不同剖面上的最终塌岸宽 度( 表 2 ) 。估算其塌岸总量为 12156 @ 106 m3 , 约占 总库容的 7175% 。总体看塌岸问题是较为严重的, 部分良田将被塌掉, 建议采取必要的工程措施进行 防护。然而, 西霞院水库来水的含沙量较大, 水库 淤积作用比较强烈, 淤积对水库塌岸将起到抑制作 用。预测计算时未考虑此因素, 其原因是目前对水 库各部位的泥沙淤积难以做出可靠的估算, 把这一 因素视为安全系数。
地层结构 砂壤土, 质纯、松散 砂壤土, 结构疏松 砂壤土 ) 卵砾石层 壤土、砂壤土 ) 卵砾石层 砂壤土 ) 卵砾石层 壤土、砂壤土 砂壤土 ) 卵砾石层 壤土、砂壤土 壤土 ) 卵石层 最终塌岸宽度 t/ m 35100~ 59116 60194~ 68150 28175 52104~ 76100 28110 53184 56165~ 60100 51137~ 53100 45100~ 46127

表 2 西霞院库区塌岸 宽度预测成果

212 水库渗漏问题 从水库区地形地貌及水文地质条件看, 黄河是 本区的最低侵蚀基准面, 无邻谷低地存在。南有邙 岭构成与伊洛河间的地下水及地表水的分水岭; 北 有郭庄岭, 其地下水位高于水库正常高水位 134166 m。因此, 水库不具备向库外永久性渗漏问题。 但是, 坝前的黄河 ?级阶地其结构为: 上部 7 ~ 25 m 是黄土类壤土、砂壤土, 下部是厚 22~ 30 m 的砂卵石层, 为典型的 / 二元结构0。据勘探资 料表明, 砂卵石层普遍具有架空现象, 其含砂率仅 为 1213% ~ 1718% , 渗 透系数 ( K ) 介 于 100~ 400 m/ d 之间, 局部高达 1 000 m/ d 以上。实地民井调 查表明, 左岸地下水水位( 114~ 115 m ) 还低于现今

黄河水位 4~ 5 m, 即黄河水补 给地下水。而且左 岸的坡头、东寨附近存在有河湾段, 砂卵石层顶板 高程在 124~ 127 m 之间, 直接出露地表或有少许 坡积物覆盖。水库蓄水后, 水位抬高达 14169 m 之 多, 库水将与 ?级阶地下部的砂卵石层直接接触, 造成水力坡降增大, 水库可通过砂卵石层向下游河 道或侧向补给地下水而形成渗漏。由于上覆的黄土 状土和下伏的下第三系砂、泥岩透水性较弱, 可视 为相对隔水层, 因此, 可利用承压水含水层渗漏计 算公式: Q= K @ M @ B @ ( H - h1 ) / L 式中, Q 为水库渗漏总量, m3 / d; K 为含水层渗透 系数, m/ d; H 为库水位, m; h 1 为建库前的河水 # 29 #

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位, m; M 为含水层的平均厚度, m; B 为漏水段 总宽度, m; L 为渗漏途径长度, m。 经计算, 渗漏量为 43 617 m / d, 可见其渗漏问 题是比较严重的。但该预测结果是在未考虑淤积情 况下的可能渗漏量, 淤积后的渗漏量要比计算值小。 213 水库淹没和浸没问题 由于西霞院水库水头抬高有限, 淹没问题只发 生在高程低于 135 m 库区内的黄河漫滩、河心滩和 局部 ? 级阶地, 主要有连地滩、王庄滩、柿林滩、 杏园滩、西滩、堡子滩和 南陈漫滩等 地。面积 约 14117 km2 , 多为耕 地或季节 性耕地, 居民住地 面 积仅占 0125 km2 , 且区内无重要矿产。因此, 水库 的淹没问题不大。 西霞院水库为平原型水库, 大坝下游存在高程 低于库水位的漫滩和 ?级阶地。蓄水后, 地下水水 位的壅高将在所难免, 加上毛细水的上升高度, 有 可能产生浸没问题。经计算, 坝下游的南陈滩、堡 子滩等地, 在 水库蓄水后其地 下水水头将超 出地 面, 产生沼泽 化现象, 为 沼泽地浸没 区, 面积 约 4146 km2 。建议采取布置与坝轴线平行的排水孔或 排水渠等措施进行排水减压处理。 坝下游的 ? 级阶地因其下部的卵砾石层导水性 能较好, 且与大坝相距较远, 为不易浸没区。局部 低洼地段有产生盐渍化浸没的可能。库区内的 ?级 阶地作为库岸与库 水直接接触, 但其地下水 位较 低, 现今黄河水补给地下水, 蓄水后也改变不了这 种地下水的补排关系。虽说地下水位会产生一定的 壅高, 但由于其下部卵砾石层的渗透系数达 100~ 400 m/ d, 故地下水位将不会高于库水位。 ?级阶 地阶面高程均在 140 m 以上, 其地下水埋深将大于 5 m, 所以对建筑物或农作物都不存在浸没问题。 214 水库诱发地震问题 根据现有的水库诱发地震震例资料分析认为, 诱发地震的产生与否是和该水库的地应力状态、应
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变能积累条件、构造活动性以及介质储能条件和水 压力传递条件等有关。 西霞院水库库区属于低应力区。组成库盘的地 层为三叠系、第三系, 为砂泥岩互层, 为软硬相间 的组合结 构, 其应变能 不易积累, 介 质储能条件 差。库区内虽有王良断层、连地断层 2 条规模较大 的断裂, 根据其热释光年龄鉴定结果, 最后一次活 动年代距 今分 别 为 ( 3615 ? 1110 ) 万 年和 ( 2314 ? 710 ) 万年来 判断, 已 失去其活 动性。因此, 水库 不具备诱发地震的构造条件。该水电站为低水头径 流式库电站, 库水位抬高不足 20 m, 形成的水压 力不大。将以上条件与诱发地震震例进行类比分析 可知, 西霞院水库产生诱发地震的可能性很小。

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结语
( 1) 西霞院水库蓄水后在近坝库区将产生一定

的塌岸问题, 预测其塌岸方量达 1 256 万 m3 , 约占 总库 容的 7175% , 对 水库 的正 常运 行影 响不 大。 由于将有近 70 公顷良田被塌掉, 为保护农民的利 益, 建议修建必要的防护工程进行岸坡加固。 ( 2) 水库蓄水后没有产生由南北两岸向库区外 围渗漏的条件, 存在有沿? 级阶地下伏卵砾石层产生 绕坝渗漏的可能, 预测渗漏量为 43 617 m 3/ d, 会造 成一定的库容损失, 但不影响水库的正常运行。水 库运行后, 淤积作用将使这一问题得到缓解。 ( 3) 建库后淹没问题对环境的影响不大, 仅淹 了一些河心滩、漫滩等, 多为季节性耕地。在坝下 游的南陈滩、堡子滩将产生沼泽化浸没问题, 西霞 院村附近 ? 级阶地局部低洼地段有产生盐渍化浸没 的可能。建议采取布置与坝轴线平行的排水孔、渠 等措施, 进行排水减压处理。 ( 4) 从西霞院水库的构造地质条件、介质储能 条件及地应力状态等分析认为, 水库蓄水后, 产生 诱发地震的可能性不大。

5贵州水力发电6 2002 年第 3 期要目预告
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