基于水量均衡法的塞海湖水庫巖溶滲漏評價

彭鵬程, 李擇衛

((湖南省水利水電勘測設計研究總院,湖南 長沙 410007)

基于水量均衡法的塞海湖水庫巖溶滲漏評價

彭鵬程, 李擇衛

((湖南省水利水電勘測設計研究總院,湖南 長沙 410007)

在復雜強巖溶區修建水庫,水庫滲漏及成庫條件的評價是前期勘察的關鍵。塞海湖水庫巖溶十分發育,在對工程區水文、工程地質條件進行認真分析評價的基礎上,進行示蹤試驗,發現巖溶滲漏主要通道,確定水均衡計算區域,建立水均衡計算模型,計算目前條件下水庫滲漏量,并對水庫蓄水后可能滲漏量進行估算,認為水庫庫首滲漏非常嚴重,必須進行大規模防滲處理,才能滿足設計要求。

示蹤試驗;巖溶滲漏;水量均衡

長江流域存在廣闊的碳酸鹽可溶巖分布區,如湖南省碳酸鹽巖分布就達5.7萬余平方千米,占國土面積的27.4%[1]。巖溶區一般又是地表干旱區,根據巖溶規律尋找水源,特別是利用溶蝕洼地修建水庫,是解決巖溶區干旱的重要途徑。在湘中南及湘西地區,利用小型溶蝕洼地修建水庫取得過成功的經驗,但也有水庫建成后無水的慘痛教訓[2]。其中最重要的一條就是巖溶滲漏從很大程度上決定了水庫建設的成敗。塞海湖所在地婁底市是個嚴重缺水的城市,計劃將此處選為城市供水水源地。在項目建議書階段,設計加高30 m,建設一座中型水庫。但該地巖溶發育,其滲漏問題是項目成庫的關鍵。水均衡計算是水庫巖溶滲漏重要的評價方法之一,為查明其巖溶滲漏問題,在詳細地質調查后,在該工程采用了水均衡計算,由于有豐富的地質資料作為支撐,計算成果與實際比較接近,取得了很好的效果,由定性評價向定量評價邁進了一大步。

1 工程區水文地質條件

塞海湖位于湘中漣源市國家地質公園——湄江風景區內,是一處大型巖溶洼地形成的天然湖泊。水面高程327 m時,湖面長約500 m,寬110～180 m,湖面面積7.8×104m2,水深3～5.7 m;設計正常蓄水位346 m,設計庫容2 000萬m3。湖泊的形成經歷了暗河連通—落水洞發育—溶蝕坍塌—溶蝕洼地的復雜過程,溶蝕坍塌物和河流泥沙逐步堆積,湖底堆積物最厚達110 m,堵塞了主流通道,經過漫長的地質歷史,終于形成了今天的地貌景觀[3]。洪水期有水在右側地表溢洪口排出;非洪水期,地表水由溶洞向地下暗河排泄,湖水量基本保持平衡狀態。

湖面呈東西向延伸的勺狀,庫首下游右側有一處高程330～338 m的埡口,為歷史上的古河床位置,現從埡口中部人工開鑿出一條溢洪道,為塞海湖唯一的地表出水口。庫區以低山峰叢洼地谷地等地貌為主,洼地底部溶溝、溶槽、落水洞、溶洞等十分發育。

區內巖性為石炭系上統船山組(C3c)、中統黃龍組(C2h)灰巖、白云質灰巖、白云巖,巖溶極發育,無相對隔水層分布。巖溶形態主要有洼地、暗河、落水洞、巖溶泉、溶溝溶槽、溶隙等,庫區范圍分布溶洞22處、落水洞30處、地下暗河1處、巖溶泉16處。為了進一步查明各泉水點、落水洞、暗河等之間的水力聯系,水庫巖溶滲漏的主要通道委托中國科學院巖溶地質研究所做了4次示蹤試驗,地下水示蹤試驗使用的儀器為瑞士Albillia公司生產的野外熒光度計,采用的示蹤劑為熒光素鈉、羅丹明B兩種。投放點位于庫首的落水洞和鉆孔中,儀器監測點主要安裝在觀音洞泉及湄塘口泉,其余泉水點采取人工取水樣進行檢測。示蹤試驗證實[4],庫首庫水與下游幾個主要泉水點均有水力聯系,向下游滲漏以溶洞、暗河等管道滲漏為主,各巖溶滲漏通道連通性好,水文地質條件復雜。滲漏通道主要有兩條:

圖1 庫首落水洞、湄塘口泉、觀音洞泉位置示意圖Fig.1 Location sketch of sinkhole in the front of the reservoir，spring Meitangkou and spring Guanyindong

(1) 庫首—觀音洞泉之間的地下暗河系統(圖1)。該暗河有兩處入口,一處為左側湖灣湖水先沿斷層向東滲漏,最后流入地下暗河系統在觀音洞泉排泄;另一入口為庫首及溢洪道部位的多個庫首落水洞,水流沿庫首網絡狀巖溶通道滲漏,其中一部分沿構造發育的巖溶通道流向地下暗河,地下暗河至湄塘村黑水氹附近轉向SE方向,流向觀音洞泉。另一部分則流向了湄塘口泉。

(2) 塞海湖—湄塘口泉(W10)方向,以管道滲漏為主、溶隙滲漏為輔。據統計,庫首區以N50°～60°W方向的節理最發育,沿該方向的節理面形成了網絡狀的巖溶通道。自庫首及溢洪道等多處落水洞漏入的水沿庫首網絡狀巖溶通道滲漏,其中一部分水流順東南方向的巖溶通道自湄塘口泉流出(另一部分流向觀音洞泉)。平面地質測繪發現,湄塘口泉是由多個巖溶泉組成的泉群,出水點眾多,單個巖溶泉的流量并不大,但總流量比較大,達0.56 m3/s,其中管道滲漏為主要方式,溶隙滲漏為次要滲漏方式。

以上兩個巖溶滲漏通道已為地下水連通試驗所證實,自左側湖灣投入的示蹤劑只在觀音洞泉可接收到,而自庫首落水洞投入的示蹤劑則在觀音洞泉及湄塘口泉均可接收到。

2 水量均衡分析計算

2.1 模型建立和方案選擇

巖溶水均衡是指在圈定的均衡圈內,地表水、地下水的流入量與流出量隨時間而變化的相互關系。巖溶區的水量平衡計算,最為關鍵的因素是圈定均衡區域,建立均衡方程。一般而言,進水量是比較確定的,由于巖溶區的滲漏通道是非常復雜的,巖體滲透性存在較大的差異性,出水量就比較難以確定。因此,要建立較準確的地質計算模型,必須進行大量的地質調查分析,在基本查明本區域的水文地質條件后,才能選擇測流和計算斷面,這就是建立地質計算模型的意義[5]。

在對研究區進行詳細的地質調查的基礎上,劃分水文地質單元。塞海湖庫區長約4.5 km,考慮到水庫3 km以上庫區地層為砂頁巖組成的相對不透水層,不存在水庫滲漏問題,可以不用考慮,專門將塞海湖及向上游3 km一帶巖溶比較發育的庫區范圍作為進水量計算區,將下游比較大的巖溶泉、暗河出口作為出水量計算區,簡化均衡要素,建立計算模型,確定測流斷面,公式如下[5]:

Q入+Nt-Q出-Zt=±△Q

式中:Q入表示上游進水量;Q出為下游總出水量;Nt和Zt分別代表降雨量和蒸發量。

2.2 測量斷面布置與均衡計算

2011年5月、6月、7月三個時間段進行了多組次現場流量觀測,觀測期間庫水位在326.5～328.0 m之間波動,庫區主要流量觀測斷面布置如圖2。測量儀器采用LS45A型流速儀和LS10型流速儀,測速范圍0.02～3.5 m/s,渡河方法為涉水或測橋,測距方法為測繩,測深方法為桿測。第1次共布置了14個斷面,測流28次;第2次共測22個斷面,測流31次;第3次共測13個斷面,測流28次,其中第1次與第3次是在一段時間庫區無有效降雨時觀測,第2次為庫區連續降雨4—6天后觀測,部分測流成果見表1。

圖2 測流斷面分布示意圖Fig.2 Distribution sketch of cross-section

根據水量均衡原理,若庫區段河流沒有向庫外滲漏,則應有以下關系式成立(關系式中直接以斷面或泉井編號代替各斷面或泉井處的流量,下同):

D18≌D17+W28+W26+W24;

D11應稍>D18;

D12≌D11+W19+W17+D19;

D13≌D12。

若出現左側流量小于右側流量之和的現象,即表明該段河水存在滲漏流失,漏水量大致等于其差值;考慮到均衡區面積較小,湖面面積僅78 000 m2,按當地氣象水文資料蒸發量較小,不足0.01 m3/s,計算未予考慮蒸發量,降雨量、區間徑流主要通過沿河支流及巖溶泉的方式體現出來。

對表中第1次觀測結果進行水量均衡計算后,得到以下成果:5月底,塞海湖庫盆漏水量為D11+D19+W17+W19-D12=2.2-1.72=0.48 m3/s(D19、W17、W19均斷流);溢洪道沿線漏水量為D12-D13=1.87-1.148=0.72 m3/s;觀音洞地下河(W1)流量為1.39 m3/s。

表1 庫區流量觀測成果表

對表中第2次觀測結果進行水量均衡計算后,得到以下成果:在6月中旬較大降水后,塞海湖庫盆漏水量為D11+D19+W17+W19-D12=4.23+0.651+0.026+0.012-4.11=0.81 m3/s(這個數字較實際偏小,D11與D12還有少量區間徑流沒有列入計算);溢洪道沿線漏水量為D12-D13=3.7-2.788=0.91 m3/s;觀音洞地下河(W1)流量為2.67 m3/s。

對表中第3次觀測結果進行水量均衡計算后,得到以下成果:7月中旬降水量不大,塞海湖庫盆漏水量為D11+D19+W17+W19-D12=2.78-2.18=0.60 m3/s;溢洪道沿線漏水量為D12-D13=2.18-1.478=0.70 m3/s;觀音洞地下河(W1)流量為1.72 m3/s。

2.3 水庫滲漏現狀分析

根據測流成果,根據公式進行了綜合水量均衡計算,計算結果見表2。從表1、表2數據分析,對庫區成庫得出以下幾點結論:

(1) 湄塘河D17、D18、D11上、中、下三個斷面流量呈漸增大的趨勢,下一斷面的流量大致接近于上一斷面流量與兩斷面間巖溶大泉匯入的流量之和,因此,湄塘河下斷面(D11)以上河流從河底漏水到鄰谷的可能性不大。湄塘河下斷面(D11)以上河流基本不具備外滲條件。

(2) 溢洪道進口流量明顯小于湄塘河下斷面流量與龍泉峽支流流量之和,其差值基本為塞海湖庫盆目前的漏水量,通過計算可知,第1次、第2次、第3次測流時,庫盆漏水量分別為0.48 m3/s、0.81 m3/s、0.60 m3/s,漏水量比較大,暴雨后增加明顯,原因在于隨著汛期來臨,湖面相應增大,漏水面積相應有所增加。這也表明,當水庫蓄水后,滲漏量會進一步加大。

(3) 溢洪道進口斷面流量明顯大于出口斷面流量,3次測流時,其差值(D12-D13)分別為0.72 m3/s、0.91 m3/s、0.70 m3/s,說明溢洪道沿線有漏水通道,且漏水量較大。

(4) 通過對庫區下游觀音洞及湄塘口泉、溢洪道流出水量匯總統計,發現下游出水量之和明顯大于上游的入庫流量,3次測流差值分別為0.82 m3/s、1.97 m3/s、1.06 m3/s,說明觀音洞泉除了湄塘河作為其補給源頭外,尚有其他的補給來源,其主要來源于正北方向一條暗河的補給。據區域水文地質資料其常年流量在0.60 m3/s,第二次測流時剛經歷了較長時間強降水,從鄰谷匯入觀音洞泉的水量較大。

表2 水量均衡計算表

說明:第1次和第3次測流,W17和W19兩泉水點基本沒有什么流量,第二次測流已累計。

3 水庫漏水量預測

3.1 當前水庫漏水量估算

根據塞海湖滲漏通道的分布情況,以表2中最后一次的流量觀測資料為基礎,當時水位327.4 m,漏水量估算如下:

入庫流量為2.78 m3/s時,湖底漏水量為D11-D12=2.78-2.18=0.60 m3/s;溢洪道沿線漏水量為D12-D13=2.18-1.478=0.62 m3/s;總漏水量為0.60+0.62=1.22 m3/s,占入庫流量的54.4%。

3.2 蓄水后漏水量預測

以上僅為塞海湖水位為327.4 m時的水庫漏水量,此時觀音洞泉的出露高程為195 m,湄塘口泉的出露高程為279 m。若水庫蓄水至346 m高程,由于水頭增加,水庫漏水量亦會相應增加,根據《水利水電巖溶工程地質》提供的公式[5],采用地下水動力學方法進行計算:

Q=W·v

式中:Q為漏水量;W為過水斷面面積;v為地下水流速。

假定地下巖溶管道中的水流流速與水頭成線性關系,蓄水后水庫的滲漏通道仍為現有的滲漏通道,滲漏斷面面積不變,則水庫蓄水后,滲漏量只與水頭成線性關系,預測觀音洞泉漏水量為Q=1.72×(346-195)/(327.4-195)=1.96 m3/s;湄塘口泉漏水量為Q=0.56×(346-195)/(327.4-195)=0.79 m3/s;合計漏水量為1.96+0.79=2.97 m3/s。

上述結果表明,在水庫水位抬高后,如果對下游漏水通道不能進行有效封堵,上游來水基本會通過已有通道全部滲漏,建庫后將無法正常蓄水,所以必須進行防滲處理。

4 結論

塞海湖水庫巖溶十分發育,水文、工程地質條件復雜,地下水示蹤試驗表明存在兩條比較大的巖溶滲漏通道。采用測流方法對其進行了水量均衡計算,庫首存在嚴重滲漏問題,滲漏量較大,必須進行大規模防滲處理,基礎防滲的重點在于庫首部位,只有這樣才能滿足設計要求。

[1] 金德濂.湖南水利水電勘測技術實踐與研究[M].長沙:湖南科技出版社,2004.

[2] 許勝保,羅子立,賀友鋒,等.湘西巖溶地區地下水綜合分析[J].西部探礦工程,2005(7):15-17.

[3] 李擇衛.塞海湖水庫工程成庫條件論證勘察報告[R].長沙:湖南省水利水電勘測設計研究總院,2011.

[4] 姜光輝,汪進良.塞海湖水庫成庫論證巖溶滲漏示蹤試驗研究報告[R].桂林:中國科學院巖溶地質研究所,2011.

[5] 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.

(責任編輯：陳姣霞)

The Evaluation Based on the Water Balance Method ofKarst Reservoir Leakages in Saihai Lake

PENG Pengcheng， LI Zewei

(HunanHydro&PowerDesignInstitute，Changsha，Hunan410007)

In a complex karst area，the leakage and evaluation about construction conditions of reservoir are the key of the preliminary prospecting to build a reservoir.The karst leakages in Saihai Lake reservoir are very developed. Based on the serious analysis and evaluations of the hydrogeological and engineering geological conditions in project area，the authors carried out a series of tracer tests，found the main channel of karst leakages；then，determined the water balance calculation area，established the water balance calculation model，calculated the reservoir leakage under current conditions，and estimated the possible leakage of reservoir after water storage. After all，the authors pointed out that the reservoir leakages were very serious in the front of the reservoir where must take large-scale steps to prevent it happening，and to meet the design requirement.

tracer test； karst leakage； water balance； evaluation

2016-01-26;改回日期:2016-03-22

彭鵬程(1970-),男,高級工程師,工程地質專業,從事工程地質勘察工作。E-mail:241447187@qq.com

TV223.4

A

1671-1211(2016)05-0726-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.013

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1442.012.html 數字出版日期:2016-08-10 14:42