碳酸鹽巖地區水庫管道型反壓滲漏的試驗方法及滲漏量估算

孫 杰

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安 710001)

中國碳酸鹽巖分布面積約136萬km2，占全國陸地總面積的14%，而華南地區，即長江(中、下游)與珠江流域的碳酸鹽巖面積約為60萬km2，占全國巖溶地區總面積的44%，可以說華南地區的碳酸鹽巖出露面積最大，是中國巖溶最為發育的地區［1］。根據全國水庫數量統計可知，截止2011年12月31日，全國庫容在10萬m3的水庫工程共計98 002座，分布在湖南、江西、廣東、四川、湖北、山東和云南七省的水庫占全國總水庫數量的61.7%，而總庫容量較大的是湖北、云南、廣西、四川、湖南和貴州六省，占全國水庫總庫容的47%［2］。可以看出，華南地區，即碳酸鹽巖地區的水庫不管是在數量還是在庫容總量上，在全國均占有半壁江山。碳酸鹽巖地區建設水庫不可避免的地質問題是巖溶問題，巖溶滲漏從某種程度決定了水庫建設的成敗。因此，能否查明新建水庫的巖溶問題對碳酸鹽巖地區水庫的建設起到關鍵制約作用。本文以四川省西南部鹽源縣境內的龍塘水庫［3］為例，論述龍塘水庫巖溶管道型反壓滲漏的特點，并對其滲漏量進行估算。

1 工程概況

龍塘水庫位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣北部梅雨河一級支流馬壩河下游，壩址位于干海鄉龍塘峽谷段，距鹽源縣城16 km，距西昌市180 km。龍塘水庫正常蓄水位高程2 420 m，總庫容1.49億m3。工程區位于碳酸鹽巖地區，區內巖溶發育，溶蝕溝槽、石芽、落水洞、漏斗、溶洞及溶蝕洼地等巖溶地貌［4］均可見，且發育數條地下暗河。在壩址區地下水類型主要以碳酸鹽巖中的巖溶水為主，巖溶水不但分布廣泛，且含水量豐富、排泄集中。工程區為鹽源盆地巖溶水集中排泄區之一的馬壩龍塘排泄區，排水量受季節影響較大，枯水期排水量較小，豐水期排水量很大。工程區出露的泉水有大龍塘泉，東、西小龍塘泉，牛吃水泉，左、右龍眼泉，泉30，泉31，右橋頭泉，河灣子泉，石河壩泉和核桃樹泉等(圖1)。由于壩址位于巖溶水集中排泄點內，則水庫蓄水后庫水存在通過上游泉眼巖溶管道向下游泉眼反壓滲漏的可能。

圖1 工程區出露的泉水Fig.1 Springs at engineering area

2 試驗方法

2.1 示蹤試驗

為了查明工程區巖溶水的水力聯系，水動力單元的劃分，巖溶管道發育類型及庫水反壓滲漏的可能等情況，本院委托中國地質科學院巖溶地質研究所在工程區上游的白烏河左岸高程2 420 m以上的麥地堰溝口段溶潭中投放鉬酸銨示蹤劑250 kg，在古柏河左岸大河鄉大院子橋以東約2 km處一落水洞內投放熒光素鈉100 kg(見圖2)［5］。接收點主要布置在馬壩河水庫、龍塘峽附近的各巖溶水排泄點(泉點)、鉆孔、右橋頭泉—核桃樹泉之間河段，以及下游的喇嘛橋共設置河流斷面監測點4個，在古柏河大院子橋增加河流斷面檢測點1個，在白烏河下游向家龍塘布置檢測點1個，在馬壩河與古柏河之間增加2個鉆孔檢測點(ZK11、ZK13)。上述接收檢測點總計28個，其中，鉆孔9個，泉13個，河流斷面6處。自2012年12月1日開始投放試劑，各接收點示蹤劑接收情況見表1和表2。

圖2 示蹤試驗工作布置圖Fig.2 Work arrangement of tracer test

鉬酸銨示蹤試驗表明:白烏河投放點以下河段地表水與馬壩河流域各泉點之間沒有水力聯系，說明馬壩河流域出露的泉水來自更遠的西北地區，反映出白烏河與馬壩河流域各巖溶泉水之間沒有直接主導型補—排關系，則說明水庫蓄水后庫水不會通過巖溶管道系統反壓滲漏至該段河谷。

熒光素鈉示蹤試驗表明:古柏河流域大院子以上河段地表水及地下水與馬壩河龍塘峽谷段之間存在密切的水力聯系，即古柏河流域大院子以上河段的地表水和地下水均流向了馬壩河流域，即馬壩河襲奪了古柏河流域上游的地表水和地下水。從熒光素鈉回收率、初現視流速與峰值視流速值和示蹤波形態看，兩者之間地下水應主要通過管道—裂隙混合型介質運移，并具有多個相互連通的路徑:熒光素鈉異常最先于大龍塘泉檢出，隨后分別為左、右龍眼泉，最終在石河壩泉檢出，反映示蹤劑彌散暈有自北向南推移、擴散的規律。含水介質屬于巖溶裂隙—管道混合型，在左、右龍眼以較高濃度出露地表，并穿越馬壩河在對岸的石河壩泉較高位置排出，具有一定的承壓性，而大龍塘、東西小龍塘(水井)地下水管道相對通暢。

表1 各接收點mo異常檢出情況一覽表Table 1 List of each receiver of mo anomaly det ection condition

結合水文地質勘察和水質分析可知，工程區巖溶水屬于兩大水動力單元:大龍塘泉，東、西小龍塘泉，泉30，牛吃水泉，左、右龍眼泉和石河壩泉屬長坪子—大院子水動力單元，而右橋頭泉，泉31，河灣子泉和核桃樹泉屬馬道子—大林鄉水動力單元，且兩大水動力單元之間水力聯系微弱。

3.2 抬水試驗

長坪子—大院子水動力單元的巖溶水在工程區不僅排泄集中，且排泄量較大，巖溶管道相對發育。為了查明水庫蓄水后，庫水是否存在通過泉水進行反壓滲漏，對大龍塘泉進行了三次抬水試驗(見表3)。

表2 各接收點熒光素鈉異常檢出情況一覽表Table 2 List of each receiver fluorescein sod ium anomaly detection condition

表3 大龍塘泉三次抬水試驗Table 3 Three times of carried water test at the Dalongtang spring

表4 抬水后水位Table 4 Water level after carried water test

用計算涌水量曲線方程式參數的最小平方法求抬水后水頭，公式如下，計算結果見表4。

由大龍塘泉三次抬水前流量值與抬水后的水位關系可知(見圖3)，兩者之間近似呈直線關系。

圖3 抬水前大龍塘泉的流量與抬水后水位之間的關系Fig.3 Relationship between flow and water level of the Dalongtang spring after carried water

從圖3可以看出，當大龍塘泉來水量＞3 411.5 L/s時，其承壓水位才能與庫水位平衡，即庫水對大龍塘泉才無反壓倒灌的可能。根據對大龍塘泉多年流量觀測可知，每年僅7—10月份大龍塘泉來水量＞3 411.5 L/s，而其它月份來水量均＜3 411.5 L/s，說明庫水每年有8個月通過大龍塘泉產生滲漏。

3 滲漏量估算

據抬水試驗顯示，當大龍塘水位抬高至2 399.17 m高程時，左、右龍眼流量并無明顯增加，說明反壓滲漏發生在2 399.17 m高程以上，據此可以近似地用達西定律水頭線性方程求得與2 399.17 m高程相對應的水位平衡點A距離(見圖4)［6］。

圖4 水位平衡點示意圖Fig.4 Schematic diagram of the water balance point

采用公式:

式中:h為與大龍塘抬水后高程2 399.17 m相當的平衡水位(m)，h=2 399.17 m;h1為大龍塘暗河進口高程(m)，h1=2 450 m;h2為大龍塘暗河抬水前出口高程(m)，h2=2 389.3 m;L1為大龍塘暗河進口至出口的距離(m)，L1=8 800 m;L為水位平衡點A距大龍塘暗河出口的距離(m)。

圖5 大龍塘泉反壓滲漏示意圖Fig.5 Schematic diagram of back pressure leakage at the Dalongtang spring

經計算，L=1 433.8 m。也就是說水庫蓄水至2 420 m高程后，由大龍塘向左、右龍眼等的反壓倒灌發生在A點以上(圖5)。在此水力坡降下，計算地下水最大實際流速采用A點計算水位抬升至2 420 m時，公式如下:

式中:V1為洪水期大龍塘暗河出口的實測最大流速平均值(m/s)，V1=0.062 m/s;i為大龍塘暗河進口至大龍塘的水力坡降，i=0.007;H1為水庫正常蓄水位高程(m)，H1=2 420 m;H2為左、右龍眼，石河壩泉的泉水位高程(m)，H2=2 376 m;L2為大龍塘至左、右龍眼，石河壩泉的距離(m)，L2=1 600 m;L為大龍塘至水位平衡點A的距離(m)，L=1 433.8 m;V為正常蓄水位時大龍塘向左、右龍眼，石河壩泉的最大流速(m/s)。

經計算，V=0.087 m/s。

另根據示蹤試驗結果和各個泉水的觀測資料反算出各個泉的橫斷面積如下:

Q1為左龍眼泉流量，Q1=20.0 L/s，V1為左龍眼泉同時段流速，V1=466 m/d;

Q2為右龍眼泉流量，Q2=25.0 L/s，V2為右龍眼泉同時段流速，V2=505 m/d;

Q3為石河壩泉流量，Q3=4.05 L/s，V1為石河壩泉同時段流速，V3=408 m/d。

經如下公式［7］計算:

左龍眼泉橫斷面積A1=3.70 m2，右龍眼泉橫斷面積 A1=4.31 m2，石河壩泉橫斷面積 A1=0.86 m2。

故當庫水至正常蓄水位2 420 m高程時，由大龍塘向左、右龍眼，石河壩泉反壓倒灌的滲漏量Q=(A1+A2+A3)× V=(3.70+4.31+0.86)× 0.087=0.77 m3/s=2 428.3 ×104m3/a。

由于左、右龍眼，石河壩泉屬于常年水流，且補給區高于水位正常蓄水位，因此，上述流量中應減去天然情況下，左、右龍眼，石河壩泉的年平均流量。

Q1'為左龍眼泉年平均流量，Q1'=34.5 L/s=109×104m3/a;

Q2'為右龍眼泉年平均流量，Q2'=32.9 L/s=104×104m3/a;

Q3'為石河壩泉年平均流量，Q3'=29.1 L/s=91.8 ×104m3/a;

合計 Q'=Q1'+Q2'+Q3'=(109+104+91.8)×104=304.8 ×104m3/a。

則每一年由大龍塘泉向左、右龍眼泉，石河壩泉反壓倒灌的滲漏量 Q反=(2 428.3－304.8)×104×8/12=1 415.7×104m3/a，其占庫區段河流多年平均流量2.53億m3的5.6%。僅通過大龍塘泉的管道型反壓滲漏，就致使水庫滲漏級別達到中等滲漏。

4 結語

龍塘水庫作為華南碳酸鹽巖地區修建的一座大型水利樞紐工程，其巖溶問題制約了該工程的建設。因此，查明工程區巖溶，尤其巖溶水的發育特征可有針對性地對其進行工程處理，減少水庫管道型巖溶滲漏給工程帶來的危害。在巖溶水地區進行示蹤試驗可有效地查明巖溶水的水力聯系，水動力單元的劃分，巖溶管道發育的類型。對庫區泉眼進行抬水試驗可模擬水庫修建后的滲漏情況，估算出水庫的滲漏量，為工程灌漿處理提供有效的參數。

［1］ 彭土標，袁建新，王惠明.水力發電工程地質手冊［S］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［2］ 孫振剛，張嵐，段中德.中國水庫工程數量及分布［J］.中國水利，2013(7):10－11.

［3］ 張興安，孫利軍，孫杰，等.四川省鹽源縣龍塘水庫項目建議書階段工程地質勘察報告［R］.西安:陜西省水利電力勘測設計研究院，2011.

［4］ 鄒成杰，張汝清，光耀華，等.水利水電巖溶工程地質［M］.北京:水利電力出版社，1994.

［5］ 馬祖陸，梁曉.四川省鹽源縣龍塘水庫巖溶水示蹤試驗報告［R］.桂林:中國地質科學院巖溶地質研究所，2013.

［6］ 王大純，張人權，史毅紅，等.水文地質學基礎［M］.北京:地質出版社，1995.

［7］ SL373—2007水利水電工程地質水文地質勘察規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2008.