東莊水庫巖溶滲漏與防滲研究進展

李清波，萬偉鋒，王泉偉，周益民，戴其祥，鄒劍峰

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

涇河東莊水利樞紐工程位于涇河下游峽谷禮泉縣東莊鄉、淳化縣車塢鄉河段處，距西安市90 km，是渭河流域最大的控制性防洪骨干工程，也是黃河流域調水調沙體系的重要組成部分，水庫開發任務“以防洪減淤為主，兼顧供水、發電及改善生態環境”。涇河東莊水庫勘測和規劃設計工作自上世紀50年代起至今已有60余年，種種原因致使工程6次停滯或擱淺，立項之路艱辛而漫長。制約和影響東莊水庫立項建設主要有三大技術難題或問題(開發任務、巖溶滲漏、泥沙)，其中，東莊壩址前2.7 km碳酸鹽巖庫段的巖溶滲漏問題是成庫建壩的關鍵技術難點。多年來，國內勘測設計單位、科研院校以及專家學者圍繞東莊水庫的這一問題進行了不懈的探索、研究，但對這一問題的認識仍存在一些爭論和分歧［1－5］。一種觀點認為:東莊水庫碳酸鹽巖庫段無隔水層分布，兩岸無地下水分水嶺，地下水位低于河水位，為懸托河段，與在渭北碳酸鹽巖區已建工程類比，水庫都存在巖溶滲漏問題，故本水庫蓄水后將產生嚴重滲漏;另一種觀點認為:東莊水庫碳酸鹽巖庫段雖然無隔水層分布，但庫壩區巖溶發育程度較弱，巖體透水性總體上不強，巖溶滲漏問題不大。此外，對于工程區所處水文地質單元和區域“380”巖溶水的關系，庫壩區左岸鉆天嶺是否存在地下水分水嶺等問題也因缺乏勘察資料支撐，存在不同認識。

2010年以后新一輪勘測設計工作啟動以來，圍繞巖溶滲漏和重要工程地質問題，勘測設計單位開展了大量的地質勘探和專題研究，對巖溶滲漏問題有了一些新的認識，進一步論證了“東莊壩址具備成庫建壩條件”這一重要結論［6］。

1 東莊水庫2010年以來勘測工作概況

2010年5月開始，東莊水庫新一輪前期工作啟動，可劃分為2010—2012年的項目建議書修編勘察和2012年以后可行性研究勘察兩個階段，由黃河勘測規劃設計有限公司(原黃委會設計院)聯合陜西省水利電力勘測設計研究院共同完成。在前期工作的基礎上，補充開展了地質勘察和相應的專題研究工作，共完成鉆孔14 414 m，平洞4 021 m，以及大量的物探、試驗測試等工作，并聯合國內多家科研單位開展了多項專題研究。其中，聯合中國地質大學(武漢)、長安大學、河南省地質環境監測院開展了地下水化學與同位素滲流場分析研究，聯合西安石油大學開展了區域巖溶發育背景條件研究，聯合中國地質科學院巖溶所開展了大型示蹤試驗和巖溶地下水滲流場分析研究，聯合河海大學開展了水巖相互作用模擬分析，聯合中國地質科學院水環所開展了蓄水對地下水環境影響的預測分析，聯合中國地質大學(北京)和華北水利水電大學開展了碳酸鹽巖庫段滲流計算分析研究工作等。這些工作為東莊壩址具備成庫建壩條件的認識提供了進一步的支撐，為防滲方案優化提供了依據。

2012年8月，《東莊水利樞紐項目建議書》通過了水利部水利水電規劃設計總院審查。2014年5月，涇河東莊水利樞紐工程項目建議書報告通過了中國國際工程咨詢公司組織的專家評估。2014年11月24日，國家發改委正式批復東莊水利樞紐工程項目建議書，標志著東莊水利樞紐工程前期工作取得了歷史性突破和重大進展。

2 對東莊巖溶滲漏問題的主要認識

2.1 東莊水庫工程區巖溶發育背景及特征

2.1.1 工程區不具備發育大規模古老巖溶和古巖溶的地質背景條件

渭北地區從寒武紀—晚奧陶紀長期處于海水以下，沉積了巨厚的碳酸鹽巖地層。工程區及周邊發現的巖溶現象主要在奧陶系碳酸鹽巖地層中發育，東莊水庫庫壩區主要出露奧陶系下統冶里—亮甲山組地層和中統馬家溝群地層。

工程區在地質演化歷史中，整體經歷了加里東和燕山兩次強烈的造山運動，形成兩次大的沉積間斷，奠定了本區巖溶發育的背景。奧陶紀末，加里東運動使本區抬升露出地表，工程區古地形演變為巖溶高地和臺地，長期遭受風化、剝蝕，形成古老巖溶風化殼。晚石炭—晚三疊紀，渭北地區處于水面以下，重新接受沉積，石炭、二疊、三疊地層超覆于古老巖溶風化殼之上，使得古老巖溶得以保存，進入埋藏發育階段。三疊紀之后，燕山期地殼抬升強烈，老龍山斷層逆沖上千米，工程區形成高地，長期遭受風化、剝蝕作用。東莊水庫所處的渭北中西部地區河湖相沉積地層和古老巖溶形跡多被剝蝕，碳酸鹽巖再次裸露，接受風化溶蝕，形成古巖溶，渭北東部的古老巖溶仍處于埋藏發育階段。古近—新近紀，汾渭地塹形成，受斷陷影響，渭北山前一帶重新接受沉積，形成三趾馬紅土層上覆于碳酸鹽巖風化殼面，古巖溶形跡殘存下來，東莊一帶仍處于高地遭受風化、剝蝕，古巖溶形跡多被剝蝕掉，渭北東部一帶雖遭受剝蝕，但古老巖溶仍被埋藏而被保存下來。進入第四紀，喜山運動以強烈升降運動為主，涇河形成并快速下切，在涇河沿岸形成河谷型近代巖溶。

在兩次沉積間斷期，東莊水庫工程區一直處于渭北山區高地，歷史時期發育的古老巖溶、古巖溶大部分在后期被剝蝕掉，庫壩區的巖溶主要為第四紀以來沿河谷岸坡發育的近代巖溶。

2.1.2 工程區巖溶發育以溶隙為主

鉆孔揭露的巖溶形跡以溶隙為主，溶孔次之，偶有小溶洞。巖溶發育程度總體較弱。平硐內揭露的巖溶形跡仍以溶隙為主(表1)，揭露的個別小規模溶洞多被充填，巖溶發育程度隨距岸坡距離的增加而減弱，近岸坡溶隙相對發育。

表1 巖溶發育形態統計表Table 1 Statistical table of karst morphology

庫壩區地表所見63處溶洞均為第四紀以來形成的溶洞，規模較小，一般長數米，最長37 m，多沿斷層、層面及軟弱結構面發育，少數充填土、砂及風化巖屑，洞底傾向河床，口大里小，向內漸變為溶隙。溶洞多孤立存在，70%以上的溶洞發育在700 m高程以上(圖1)。

圖1 碳酸鹽巖庫段地表溶洞發育分布圖Fig.1 Distribution of surficial karst cave in carbonate rock sections of the reservoir

在碳酸鹽巖庫段左右庫坡、壩址區左右壩肩及其延長線上布置的物探剖面顯示，隨著高程的降低，巖體完整性越好，除老龍山斷層帶顯示局部異常外，其它地段巖體完整性總體較好，未發現有明顯的或大規模的巖溶現象。

2.1.3 示蹤試驗成果表明巖溶滲透介質以溶隙型為主

項目建議書階段，于2011年4月—2013年12月開展了大型示蹤試驗，分別在壩址上游的涇河河水、庫壩區3個鉆孔(ZK321、ZK322、ZK323)分別投放了鉬酸銨、熒光素鈉兩種示蹤劑，在周邊地區的井點、泉點中進行接收。

東莊壩址下游約4 km為文涇電站水庫，該水庫壩址下游河邊直線距離約500 m有風箱道泉群出露，示蹤試驗監測期間，在風箱道泉群監測到河水中投放的鉬酸銨，第6天接收到，第86天濃度達到峰值，表明壩址下游的文涇水庫與風箱道泉群之間沿風化卸荷帶存在局部優勢滲流通道，但計算出的滲透流速顯示仍以裂隙流為主，而下游的篩珠洞泉群及巖溶井點一直未接收到示蹤劑Mo6+，說明河水補給巖溶水微弱。

歷時兩年多，工程區周邊其它鉆孔、泉水和周邊的巖溶水井中均未接收到庫壩區鉆孔投放的熒光素鈉示蹤劑，說明巖溶地下水滲流微弱，無巖溶管道流存在。

在可研階段，于2013年7—9月利用新施工的鉆孔再次進行了大型三元示蹤試驗，投放孔均位于涇河左岸，分別為鉆天嶺的YRZK01鉆孔、老龍山斷層影響帶的ZK457鉆孔以及老龍山斷層和張家山斷層交匯處附近的YRZK02鉆孔(圖2)，接收點為工程區及周邊的鉆孔、民井和泉。目前仍在監測中，尚未結束。但從已有的監測數據成果看，除了左岸鉆天嶺YRZK01鉆孔投放的示蹤劑歷經303天后在庫壩區鉆孔接收到外(二者水平距離4 796 m，分析仍為裂隙、溶隙流)，其它泉點、巖溶井點等均未接收到示蹤劑。

兩個階段的示蹤試驗表明:涇河水與巖溶地下水水力聯系較弱，巖溶地下水徑流以溶隙型為主。

2.1.4 巖體透水性特征

庫壩段鉆孔壓水試驗成果統計顯示:在試驗段高程范圍內，巖體的透水率整體上隨高程的降低有減弱的趨勢。左岸在565 m高程以下，透水率均＜3 Lu;右岸765 m高程以下，均＜10 Lu，570 m高程以下，均＜3 Lu。根據壩址區鉆孔資料，隨著與河床距離的增大，巖體透水性有減弱的趨勢，3 Lu線逐步抬升?？傮w上來講，鉆孔壓水試驗和揭露的巖溶發育現象所反應出的巖體透水率特征與壩址區峽谷型巖溶發育特征相一致，巖溶主要沿河谷岸坡發育。

2.2 地下水徑流特征與左岸鉆天嶺地下水分水嶺

渭北巖溶地下水受斷裂構造控制，可劃分為岐山涇陽巖溶地下水系統(Ⅰ)、銅川韓城巖溶地下水系統(Ⅱ)以及山前深埋巖溶地下水系統(Ⅲ)。岐山涇陽巖溶地下水系統以唐王陵向斜1 000～2 500 m厚的含礫頁巖為相對隔水邊界，劃分為篩珠洞泉子系統(Ⅰ1)和周公廟龍巖寺子系統(Ⅰ2)。東莊水庫工程區位于篩珠洞泉域內沙坡斷層以北的I11水文地質單元內(圖2)。

圖2 區域地下水系統劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of regional groundwater system division

圖3 篩珠洞泉域巖溶地下水流場圖Fig.3 The groundwater flow field of Shaizhudong spring area

地下水總體上由西向東、東南方向徑流，并向篩珠洞泉群和山前張家山斷裂帶排泄。根據現有資料分析，推斷右岸距離壩址約18 km的五峰山一帶，存在地下水分水嶺，從而使巖溶地下水在西部五峰山一帶向東徑流(圖3)。

在可研階段，左岸鉆天嶺附近施工了兩個深孔YRZK01和YRZK05(圖3)，孔深分別為602 m和650 m，終孔后進行了提水和水位觀測，水位分別為737 m和723 m。兩鉆孔均作為長期觀測孔，監測地下水位動態變化區間為720～740 m。由此判定左岸存在地下水位分水嶺。

該分水嶺的存在對工程區水文地質條件和工程防滲具有重要意義。在鉆天嶺有地下水分水嶺的情況下，天然狀態下地下水由鉆天嶺向河谷方向徑流，水庫蓄水后將壅高該分水嶺部位地下水位，壅高后可能高于正常蓄水位(789 m)，若壅高后的地下水位仍低于正常蓄水位，將大大降低水力坡度，加之水庫庫水向東滲漏的滲徑較長，滲漏量有限，對防滲將起到一定的積極作用。

涇河兩岸的地下水均向涇河峽谷方向徑流，然后再順河谷向下游徑流，到距離壩址約4.5 km涇河峽谷和沙坡斷層交匯處，部分水流受沙坡斷層下盤平涼組頁巖阻隔，在風箱道以泉的形式補給涇河;另一部分水量通過地下一定深度越過沙坡斷層，向下游排泄。

2.3 工程區所處水文地質單元和區域“380”巖溶水的關系

在篩珠洞泉地下水子系統東端，地下水位為513 m，而口鎮以東調查的巖溶供水井地下水位為372～382 m，呈現出“380”巖溶地下水的特征，地下水位相差100多米，表明兩系統之間巖溶地下水水力聯系較差。本階段開展的水化學測試成果顯示，兩系統的地下水存在明顯差異，同位素研究表明兩系統的地下水補給不同源。根據兩期大型示蹤試驗的成果，口鎮以東的地下水接收點兩年多時間均未接收到庫壩區投放的各種示蹤劑，也表明二者不存在明顯水力聯系。

此外，由于庫壩區左岸鉆天嶺存在天然地下水分水嶺(鉆孔水位720～740 m)，使得蓄水后地下水不會向東部的“380 m”巖溶地下水產生明顯滲漏問題。

2012年以來，新補充的勘察工作和同位素研究成果證實:工程區所處篩珠洞泉子系統和西南部龍巖寺泉子系統之間通過張家山斷層帶存在一定的水力聯系，篩珠洞泉群有來自西南部龍巖寺泉域巖溶地下水的側向補給。

2.4 地下水位與懸托河問題

庫壩區碳酸鹽巖庫段勘察鉆孔揭示的地下水位一般在550～560 m，低于河水位30～50 m不等，即使是河床鉆孔的地下水位，也低于河水位10～30 m不等，因此該庫段為懸托河段。

懸托河成因問題是歷次勘察和研究過程中關注的重點。前期的工作中曾對其成因存在很多不同看法，主要焦點在工程區的低水位是否受東部“380巖溶水”的影響，是否存在沿深部巖溶向東徑流問題，隨著本階段工作的逐步深入，表明這種可能性較小。一是區域巖溶發育背景研究表明，工程區不存在大規模巖溶發育的條件，主要為第四紀以來沿河谷發育的近代巖溶，2015年在壩址河床最新補充的兩個新鉆孔(孔底高程為318 m和300 m)揭露巖心和光學成像顯示，河床高程以下巖溶發育現象弱，仍為溶孔溶隙，壓水試驗表明巖體主要為弱透水，未發現深部存在巖溶強徑流層;二是在壩址以西約18 km的五峰山、以東約7 km的鉆天嶺處均存在高于河水位的地下水分水嶺。因此，懸托河段僅僅出現在近岸坡和河床。其形成成因主要有以下幾方面:

(1)鉆孔巖芯、光學成像、壓水試驗成果顯示，在河床高程以下的勘察深度范圍內，巖體溶蝕輕微、透水性微弱。水化學、同位素測試以及示蹤試驗成果表明，河水與地下水水力聯系弱。

(2)庫壩區為中低山區，地形陡峻，多年平均降水量550 mm，大氣降水多形成地表徑流，對地下水的入滲補給有限。由于河床以下巖體透水性總體上弱，河水對地下水的補給作用也較弱。壩址區地下水總體上順河谷向下游徑流，距離風箱道泉群排泄基準面較近(約3.5 km)，河谷和近岸地段相對遠岸透水較強，排泄相對較通暢。

(3)庫壩區地下水位主要受風箱道泉群排泄基準面控制。風箱道泉群位于壩址區下游河谷中，主要為近東西向的沙坡斷層及其北側頁巖阻水作用使地下水溢出成泉，庫壩區地下水位多為550～560 m，受風箱道泉群排泄基準面控制。

(3)水庫蓄水后，分水嶺處的地下水位會進一步壅高。

(4)水庫蓄水后，即使鉆天嶺的地下水位未壅高超過正常蓄水位789 m，但由于其天然水位和正常蓄水位相差不大(52 m)，向口鎮方向的滲徑較長(約18 km)，水庫向東的滲漏量遠遠小于向壩下游的滲漏量。

因此，水庫主要的滲漏途徑將是壩基和兩岸壩肩繞壩滲漏問題。

3 水庫滲漏途徑與防滲建議

3.1 滲漏途徑分析

右岸遠處五峰山一帶存在高于水庫正常高水位的地下水位，地下水整體自西向東徑流，水庫蓄水后，不會向西產生永久滲漏。

左岸鉆天嶺附近存在地下水分水嶺，鉆天嶺附近鉆孔地下水位720～740 m，低于正常蓄水位，分水嶺的分布范圍尚不明確，因此左岸仍存在向東滲漏的可能，但根據現有資料分析，蓄水后向東滲漏的可能性較小，原因如下:

(1)老龍山斷層及其影響帶巖溶發育程度、透水性是隨著高程的降低和遠離涇河岸坡逐漸減弱的。穿越老龍山斷層的PD01平硐(硐口高程629 m)巖溶發育調查資料顯示，未發現大規模的溶蝕現象;在庫壩區老龍山斷層及其影響帶內的鉆孔壓水試驗資料表明，在585 m高程以下巖體透水率均＜3 Lu;鉆天嶺附近的YRZK01鉆孔壓水試驗顯示，在737 m高程以下，巖體透水率均＜3 Lu;此外，從衛星影像圖也可以看出，沿老龍山斷層一線，地表水系和沖溝呈輻射狀向兩側發育，地表調查未發現沿斷層段發育的溶槽、落水洞、溶溝和沖溝等，表明沿老龍山斷層帶不存在明顯的巖溶強發育帶。另外，YRZK01鉆孔距離老龍山斷層地表出露線的水平距離僅為380 m，若存在強滲透帶低水位，則很難保持鉆天嶺鉆孔737 m的地下水位。

(2)根據動態監測資料，YRZK01和YRZK05鉆孔地下水位為720～740 m，孔口地面高程分別為1 138 m和1 193 m，距離鉆天嶺最高處(1 599 m)約1～2 km，推測鉆天嶺部位存在更高的地下水位，左岸地下水天然條件下由分水嶺向河谷方向徑流。

圖4 滲漏方向及防滲方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of seepage direction and anti-seepage control scheme

3.2 防滲建議

(1)方案一——以控制左岸及老龍山斷層及其影響帶的庫岸防滲方案(圖4)。這種方案主要考慮到老龍山斷層及其影響帶滲漏的不確定性，同時考慮到左岸防滲線鉆孔地下水位普遍較低，壓水試驗存在較多的無壓漏水段，是一種更為穩妥的防滲方案，但同時，這種方案的防滲工程量是較大的。

(2)方案二——以減小壩基滲漏和繞壩滲漏為目的的壩肩外延防滲方案。該方案主要依據是:①左岸存在地下水分水嶺，向東滲漏的可能性較小，A、B兩區的滲漏主要通過C區向下游繞滲。②兩岸相對弱透水巖體的高程由近岸到遠岸隨地形增高而抬升(方案二的物探成果已證明)。

從已有的水文地質條件、巖體透水性特征以及防滲工程量分析，方案二的思路更為合理，應是下一步重點研究和論證的方向。

根據以往的工程經驗及研究表明，水庫淤積泥沙對防滲是有積極作用的，尤其是當淤積層達到一定厚度對水庫防滲效果顯著。而涇河泥沙含量高，可在庫底形成泥沙淤積層，對水庫防滲起到另一重保障作用。因此，水庫在采取一定的防滲處理后，東莊壩址是完全具備成庫建壩條件的。

4 結論

(1)東莊水庫區的巖溶主要為第四紀以來沿河谷發育的近代巖溶，古老巖溶和古巖溶不發育，在地表以下亦不存在發育大規模深部巖溶的背景條件。

(2)工程區巖溶發育形態主要為溶隙，未發現連通的管道系統，庫壩區巖體的透水率整體上隨高程的降低而減弱。

(3)東莊水庫所在篩珠洞泉地下水子系統與涇河水水力聯系較弱，與銅川韓城巖溶地下水系統(380巖溶水)之間不存在明顯水力聯系，與周公廟—龍巖寺泉子系統之間存在水力聯系，接受其補給。

(4)庫壩區左岸鉆天嶺存在地下水分水嶺，天然條件下兩岸地下水向涇河河谷方向徑流，然后順河谷方向徑流至沙坡斷層處，一部分以泉群的形式溢出補給涇河，另一部分向深部繞過沙坡斷層向篩珠洞泉群方向徑流。

(5)懸托河段僅僅出現在近岸坡和河床，形成原因為河床高程以下存在微弱透水巖體，地下水垂向補給速率小于水平方向的徑流和排泄速率，庫壩區地下水位主要受風箱道泉群排泄基準面控制。

(6)水庫蓄水后主要滲漏途徑為壩基及繞壩滲漏，滲漏形式以溶隙型為主，沿老龍山斷層及其影響帶向東滲漏的可能性小，東莊壩址具備成庫建壩條件，防滲方案宜采用壩肩外延防滲方案。

［1］ 李孟來.論涇河東莊水庫灰巖壩址滲漏問題［J］.水利與建筑工程學報，2008，6(1):49 －51.

［2］ 余光夏，王宇.論徑河東莊水庫的巖溶防滲處理措施［J］.西北水電，1994，49(3):42 －48.

［3］ 濮聲榮.論東莊水庫巖溶滲漏問題［J］.資源環境與工程，2013，27(4):416－421.

［4］ 宋文搏，徐鐵錚，濮聲榮，等.再論東莊水庫的巖溶滲漏問題［J］.資源環境與工程，2014，28(4):449 －455.

［5］ 彭進夫.淺析涇河東莊水庫灰巖壩址［J］.四川水力發電，2005，24(3):23－26.

［6］ 萬偉鋒，王泉偉，鄒劍峰，等.東莊水庫巖溶滲漏幾個關鍵問題的探討［J］.人民黃河，2015(2):99 －103.