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建国以来,我国修建的水库大坝数量居世界第一位,有85200多座,这些水库大坝是我国国民经济建设和防洪体系的重要组成部分,起着防洪、供水、发电、改善生态环境、灌溉等作用。
岩溶地区库水渗漏是水库大坝建设中经常遇到的问题之一,影响库水渗漏的因素有地形地貌、地质构造、地层岩性、水文地质条件、岩溶发育程度和岩层裂隙张开度等。其中,由水文地质条件决定的水动力条件与库区的地质构造和地层岩性决定的渗漏通道构成了库水渗漏的充分必要条件。库水渗漏的水动力条件是指库水与地下分水岭、邻谷以及坝址区下游河床沿岸之间的水动力关系,如果正常蓄水高程超越或接近地下水分水岭高程,那么发生邻谷渗漏的充分条件业已具备。渗漏通道既是库水渗漏到库外所借助的介质,常见的有岩石裂隙、节理、断层破碎带、溶洞系统、古河道、人工隧洞和采矿巷洞等。
有限元方法用于计算已经很普遍,从其在岩溶地区渗流工程中的应用来看,由于岩溶系统和裂隙系统的复杂性,这一方法离直接用于工程并得到满意的结果还有一段距离,其主要的问题是怎么选择计算模型和计算参数。若能够选择合适的计算模型和计算参数,将有限元方法用来计算分析岩溶渗流场和渗漏量还是有实际价值和理论意义的。
GeoStudio系统软件是由加拿大软件公司开发的的一套面向岩土、地质、环境、水力、交通、采矿等工程领域的仿真分析软件,共有八个分析模块。其中以SLOPE/W(专业的边坡稳定性分析模块)SIGMA/W(岩土应力变形分析模块)SEEP/W(地下水渗流分析模块)三个模块最为常用。
论文以麒麟观水库库区的岩溶为研究对象,在对以往工程勘察经验和前人研究成果分析总结的基础上,对麒麟观水库库区岩溶发育规律及筑坝蓄水后岩溶渗漏问题进行了深入细致的研究,计算了库水帷幕灌浆前后的渗漏量,结合工程所在地的实际情况,提出了库区渗漏的处理措施——混凝土铺盖防渗加帷幕灌浆法防渗,并且设计了帷幕灌浆方案。本文主要取得了以下研究成果:
(1)结合该地区工程地质条件,分别论证了麒麟观水库库区渗漏和坝区渗漏的可能性,得出:南河右岸翦家台一带有存在河湾渗漏的可能:在铜鼓包和尖山包之间,库水有沿岩溶裂隙发生坝基渗漏和绕坝渗漏的可能。本文关于麒麟观水库库区岩溶发育规律及其特征的认识,对于其他岩溶地区而言也具有一定的普遍意义。
(2)总结了国内外有关岩溶地区地下水数值模拟的方法,分析比较了各种方法的优缺点,同时给出了各种方法的适用条件。在仔细分析了麒麟观水库库区水文地质条件的基础上,结合地表水测流资料和坝址区碳酸盐的溶蚀特性,分析了库区和坝区岩溶渗漏条件,在此基础上结合有限元原理提出了水库的渗漏概念模型,从而采用平面二维稳定流模型计算库区和坝区的库水渗漏量。水库渗流模拟的关键在于边界条件的处理,基于岩体内部渗透系数与边界条件的非线性关系,在求解库水溢出点时采用逐节点验算排除,使得模拟出的结果在理论上更加精确。
(3)通过数值模拟,可以发现在帷幕灌浆前后库水渗漏量的明显变化,以及渗透路径的改变一在幕体开始工作之后,主要是通过幕体的底部和顶部渗透,因此在进行岩溶地区帷幕灌浆设计时,应充分考虑岩体的特征及坝体的性质,通常幕体顶部高程不应低于坝顶。
(4)库区防渗常用的工程处理措施有:①混凝土铺盖防渗;②混凝土截水墙:③对溶洞进行水泥冲砂灌和水泥灌浆④水泥砂浆砌块石勾缝防渗;⑤柔毡铺盖防渗⑥帷幕灌浆防渗等六种方法。针对麒麟观水库的工程地质特征,采用防渗混凝土铺盖和防渗帷幕灌浆综合法进行库水渗漏治理。
(5)帷幕灌浆技术作为地基和基础防渗加固处理的一种重要手段,已广泛应用于各种水工结构建设之中,业已发展成为一种专业性强的地基处理学科。灌浆理论和灌浆技术实践,两者相辅相成,缺一不可,成功的灌浆技术实施推动了灌浆理论的发展,而灌浆理论的深化则是灌浆技术实践和革新的前提和指导;只有结合实际经验和成果,开拓思维,应用最新的科学技术,才能共同促进灌浆理论和灌浆技术的不断发展。在帷幕施工中,应根据所遇到的实际地层情况,及时修改帷幕设计方案。
岩溶地区的库水渗漏问题一直水利水电工程建设运行中的热点和难点之一,对其进行深入的研究有着一定的现实意义和理论价值。本文的研究成果及所用的方法不但可以用于岩溶地区库水渗漏量计算,还可以水库大坝的设计运行提供参考,也可以用于其他地质特征的水库大坝和基坑降水建设中。