溪洛渡水電站蓄水前后灰巖水文地質條件變化分析

徐海洋 崔長武 張紹成

摘要：溪洛渡水電站自蓄水發電以來，在壩址上下游一定范圍內均發生了谷幅變形。國內科研團隊研究認為，蓄水后壩址區水文地質條件的改變是引起谷幅變形的重要因素之一。基于溫度場和滲流場專題研究工作所收集的大量基礎資料，從溫度、水位、水質和同位素4個方面對比研究了溪洛渡水電站蓄水前后灰巖承壓水水文地質變化特征。分析表明：蓄水后壩基下部灰巖承壓水溫度沒有明顯變化，承壓水水位受水庫蓄水影響大幅升高，少量庫水入滲到灰巖承壓水中導致承壓水水質有所改變，灰巖承壓水仍然主要來自于區域盆地周邊灰巖出露區大氣降雨補給，通過深部循環向金沙江排泄。

關 鍵 詞：

灰巖承壓水; 涌水; 水溫; 同位素; 溪洛渡水電站; 金沙江

中圖法分類號： TV697.32

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.011

1 研究背景

溪洛渡水電站是金沙江下游梯級開發的第三級水電站，混凝土雙曲拱壩壩高285.5 m，裝機容量為13 860 MW。自2013年5月水庫下閘蓄水、2014年9月達到正常蓄水位600 m以來，工程已安全運行6 a。但自蓄水發電以來，在壩址區上下游一定范圍內布設的監測網同時監測到谷幅變形[1]，這一現象引起了中國水電行業專業人員的廣泛關注[2-3]。國內科研團隊研究認為：蓄水后，壩址區水文地質條件的改變是引起谷幅變形的重要因素之一[4-6]。

在可研階段，國內許多專家對溪洛渡的水文地質條件做了深入的研究，周志芳等[7]從溫度場、同位素、水化學場等多角度，分析了壩址區地下水局部溫度高和局部承壓等異常現象;梁杏等[8-9]運用地下水流動系統理論，闡明了壩區地下水異常現象的成因與條件。大壩建成蓄水后，由于缺乏壩址區水位、水溫等基礎資料，國內學者對蓄水后壩址區水文地質條件研究較少。

為了探討溪洛渡工程出現的谷幅變形成因機制，成都勘測設計研究院有限公司開展了壩址區溫度場和滲流場專題研究工作。本文基于溫度場和滲流場專題研究工作所收集的大量基礎資料，對壩基下伏灰巖地下水蓄水前后的水文地質條件進行了對比分析，為目前的谷幅變形提供了數據支撐，為后續水利樞紐的安全評價提供了科學的依據。

2 地質概況

溪洛渡水電站壩址位于永盛向斜盆地內，四周被背斜及葉竹坪隆起圍限（見圖1），向斜軸向北東，其中北西翼地層平緩，傾角為10°～15°，南東翼較陡，傾角為20°～35°，盆地北東長35 km，北西寬25 km，面積約750 km2，為一個沒有被區域斷裂切割的、寬緩且相對完整的構造向斜盆地。

根據地下水含水介質類型和滲透性的差異，壩址區巖體水文地質結構可分為阻水結構和透水結構兩大類[10～13]。阻水結構由分布于壩區谷肩頂部的二疊系宣威組（P2x）碎屑沉積巖（阻水地層①）、峨眉山玄武巖P2β14、P2β13和P2β11頂部的紫紅色凝灰巖、P2βn泥頁巖層（阻水地層②）和志留系（S）頁巖層（阻水地層③）組成。其中，宣威組的碎屑沉積巖和志留系頁巖成層穩定，在整個區域內連續分布，分別是頂部孔隙含水層和深部灰巖含水層的相對隔水底板，是壩址區乃至整個永盛盆地的相對阻水層，對地下水運動起著邊界控制作用（見圖2）。

3 蓄水后壩基灰巖地下水特征專題勘察

在溪洛渡水電站蓄水后對壩區溫度場和滲流場進行了專題研究，共布置了17個鉆孔，其中8個灰巖孔，如圖3所示（紅色標識為灰巖鉆孔）。

為了能監測到真正的灰巖地下水水位和水溫，防止上部玄武巖地下水滲入到鉆孔中，影響后期灰巖水溫和水壓的監測，在揭穿P2βn進入灰巖3～5 m后用鋼管對上部玄武巖地下水進行了隔離處理，隔離完成后變徑繼續鉆進。隔離前根據地層做好方案，具體步驟如下：

（1） 先將止水鋼管下至P2βn頂部，鋼管接頭需進行止水處理;

（2） 將水泥漿液通過鉆桿注入孔底，鉆孔內水泥漿液的高度不低于15 m;

（3） 使用鉆桿將水泥液夯實，然后將鋼管下降至孔底，水泥待凝;

（4） 待水泥凝固后，通知地質人員到現場，鉆進取芯，取出水泥芯樣并保留。

在監測孔鉆進過程中共取灰巖水樣3組，進行了近70次的井溫測試和200多次的層間穩定水位測量，在灰巖監測孔中安裝15支滲壓計和12支溫度計，已獲取大量的井溫和滲壓監測數據。

4 蓄水前后灰巖地下水水文地質條件分析

4.1 灰巖地下水補徑排條件演變分析

蓄水前，位于金沙江河谷谷底的灰巖是盆地區域地下水的排泄基準面，盆地區域灰巖的承壓地下水通過谷底出露的灰巖向金沙江排泄（見圖4（a）），江水與灰巖的承壓地下水水力聯系密切。金沙江河谷兩岸沖溝出露的灰巖是局部地下水的主要排泄位置。

蓄水后，庫水位的上漲引起灰巖地下水滲流場的重新調整[14]。由于江水與灰巖的承壓地下水水力聯系密切，隨著庫水位抬升庫水，江水通過金沙江河谷谷底的灰巖補給兩岸盆地區域灰巖的承壓地下水，原來的盆地區域地下水的排泄基準面變成盆地區域灰巖的承壓地下水的補給邊界。當庫水淹沒金沙江河谷兩岸沖溝出露的灰巖時，原來的局部地下水的排泄位置也將演變為補給邊界（見圖4（b））。

隨著庫水位的持續抬升，灰巖承壓含水層中滲流場實時調整，由于這種調整是靠壓力傳遞的，水力響應滯后效應不明顯。灰巖承壓含水層是飽和含水層，庫水的補給主要靠彈性存儲的增加，補給的水量有限。灰巖地層受區域地質構造的控制在兩岸山體高高程的位置出露，接受大氣降水的入滲補給，補給高程在1 500 m以上，而水庫蓄水位為600 m，因此庫水位上漲引起的江水補給承壓水的范圍必然是有限的。

庫水補給承壓水是短時的且補給范圍有限，但是整個承壓含水層的水位卻能在較大范圍內都有所上升，這主要是因為承壓含水層的水力響應過程屬于壓力傳遞，但是具體上升的量以及上升速率則取決于承壓含水層的水文地質參數及其空間展布特征。

4.2 水 溫

溪洛渡水電站所處的永盛向斜盆地內無規模較大的深大斷裂，向斜盆地內相對透水的灰巖在盆地下部埋深1 000余m。因此，盆地中具有良好的熱儲和保溫條件。在盆地周邊灰巖地層上，基巖裸露區大氣降水直接補給地下水。得到大氣降水補給的地下水隨灰巖深部循環加溫，地溫增溫率在3.1～5.4 ℃/100 m之間。根據周志芳和王錦國[15～16]研究表明，研究區恒溫帶溫度和深度分別為19.8 ℃和35 m。河床灰巖埋深小，接近河床灰巖出露段，巖體透水性相對較好，局部地下水循環活躍，對地下水溫度起控制作用;反之，局部地下水流的影響減弱，區域地下水流對地下水溫度的影響起主導作用。

可研階段揭示，灰巖地下水溫度一般為35～42 ℃，專題勘探通過井溫測試資料分析得出蓄水后，灰巖地下水溫度為35～42 ℃（見表1）。4.1節分析指出蓄水后庫水對灰巖水的補給相當有限，少量庫水進入灰巖承壓水并不能改變灰巖地下水溫度。因此，蓄水前后灰巖地下水溫度基本一致。

4.3 水 位

可研階段揭示，壩區河床谷底以下范圍內，灰巖內地下水普遍具有承壓性，承壓水位為372.67～375.88 m（枯水期），高出同期江水位1.5～2.5 m，部分鉆孔水位與江水位相近，約370 m。溫度場和滲流場專題研究已完成的8個灰巖孔在鉆進至灰巖一定深度時均出現不同程度的涌水（見圖5）。灰巖鉆孔涌水及壓力如表2所列。

大壩上游的HZK01和HZK04孔在水庫內，開孔揭穿混凝土進入玄武巖即出現涌水，在進入灰巖一定深度后涌水量變大;大壩下游交通洞內的HZK02、HZK03、HZK05和HZK06在進入灰巖15～20 m后出現涌水，HZK03涌水量最小，其余3個孔大致相同;二道壩與大壩之間的水墊塘HZK07在終孔后出現孔口冒水現象;二道壩下游XZK03（HZK08）在剛剛進入灰巖后即出現涌水，在接近終孔深度涌水量增大。鉆孔涌水在平面的不同部位差異較大，但是流量大小不隨時間變化而變化，基本穩定。

從圖5可以看出，除HZK01孔涌水為黃泥色，且涌水帶出少量礫石，礫石成份較雜，且均為次棱角狀，初步分析該孔涌水來自灰巖承壓含水層內發育較大溶隙。其余鉆孔涌水較清澈，但涌水有少量硫化物氣味，初步分析涌水來自灰巖承壓含水層。

從表2可以明顯看出：蓄水后，灰巖地下水位有明顯抬高。由于P2βn相對隔水層的存在，庫水進入灰巖的量微不足道，但是整個承壓含水層的水位卻在較大范圍內都明顯上升，這主要是因為承壓含水層的水力響應過程屬于壓力傳遞，但是具體上升的量以及上升速率則取決于承壓含水層的水文地質參數及其空間展布特征。根據溫度場和滲流場專題研究現有的監測資料（見圖6～9）可得出以下結論：

（1） 大壩上游的HZK01鉆孔灰巖承壓含水層的水力響應過程無滯后性，和庫水位的變化同步，且變化值和庫水位變化值相當。

（2） 大壩下游和二道壩之間水墊塘的HZK07鉆孔灰巖承壓含水層的水力響應過程受大壩帷幕影響較大，和庫水位的變化響應關系一般。

（3） 二道壩下游的XZK03鉆孔灰巖承壓含水層的水力響應過程受大壩帷幕影響較小，和庫水位的變化同步，但變化值小于庫水位變化值。

（4） 二道壩下游遠離大壩的HZK02鉆孔灰巖承壓含水層的水力響應過程受大壩帷幕影響較小，和庫水位的變化同步，但變化值小于庫水位變化值。

4.4 水 質

可研階段研究得出上部玄武巖水的硝酸根離子含量較高，共取了24組灰巖水樣，當水溫達31 ℃以上時，水中硝酸根離子已未檢出，說明這時玄武巖地下水混入較少，可以認為31 ℃以上的熱水很大部分來源于下部灰巖水系統。可研階段溫度大于31 ℃的灰巖水樣只有W6和W6-1，蓄水后壩基灰巖地下水特征專題勘察過程中共取了3組灰巖水樣。蓄水前后灰巖地下水水化學成果如表3所列。

通過對蓄水前后灰巖地下水水質分析對比可知，蓄水后Cl-、SO42-、HCO3-含量變高，其他離子含量與蓄水前變化不大，其中HZK02水樣中含有少量NO3-，通過分析認為蓄水后庫水水頭變高，少量庫水通過玄武巖裂隙入滲到灰巖承壓水中。

4.5 同位素

根據可研階段資料，利用地下水中δD、δ18O同位素的組成（見表4），可用式（1）求得灰巖地下水的補給源高程[17]。

取溪洛渡溝口大氣降水水樣δ18O為-7.70‰，δD為-55.10‰。據式（1）進行計算。

H=δs-δpk+h（1）

式中：H為補給源高程，m;h為取樣點標高，m;δs為取樣點地下水同位素組分;δp為取樣點附近大氣降水的同位素組分;k為同位素隨高度變化梯度，n‰/m。根據δ18O隨高程的變化回歸直線，可求得δ18O變化梯度值為-0.26‰/100 m。

根據計算得出灰巖地下水主要來自盆地周邊1 500～1 700 m高程降雨補給。

溫度場和滲流場專題研究時對灰巖HZK01、HZK02和HZK05鉆孔進入灰巖一定深度出現的涌水取了3組水樣，利用地下水中δD、δ18O同位素的組成（見表5），可求得蓄水后灰巖地下水的補給源高程。

根據計算得出蓄水后灰巖地下水主要來自盆地周邊1 900～2 200 m高程降雨補給。

蓄水后的灰巖地下水補給高程比蓄水前高400～500 m，通過分析認為：蓄水前所取灰巖水樣的鉆孔沒有對上部玄武巖水隔離，所取灰巖水樣中混有少量玄武巖水。

5 結 論

結合可研階段和專題研究的大量試驗數據，對溪洛渡水電站蓄水前后灰巖地下水水溫、水位和同位素等幾方面問題進行了對比分析，可以得出以下結論。

（1） 蓄水前后壩基下部灰巖承壓水溫度沒有變化。

（2） 蓄水后灰巖承壓水水位大幅升高，且灰巖地下水與庫水響應關系較好;但是不同部位的承壓水位差異較大。

（3） 蓄水后庫水水頭變高，少量庫水入滲到灰巖承壓水中導致灰巖承壓水Cl-、SO42-、HCO3-含量升高。

（4） 灰巖承壓水仍然來自于區域盆地周邊灰巖出露區大氣降雨補給，通過深部循環向金沙江排泄，灰巖地下水水位升高是水庫蓄水后金沙江排泄基準面抬高所致。

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（編輯：劉 媛）

Analysis on changes of limestone hydrogeological conditions before and after

impoundment of Xiluodu Hydropower Station

XU Haiyang，CUI Changwu，ZHANG Shaocheng

（POWERCHINA Chendu Engineering Corpoation Limited，Chengdu 610072，China）

Abstract：

Since the Xiluodu Hydropower Station impounded for power generation，valley deformation occurred in a certain range of upstream and downstream of the dam site.The domestic scientific research team believes that the change of hydrogeological conditions in the dam site area after impoundment is one of the important factors causing valley deformation.Based on a large amount basic data collected from the special research work of temperature field and seepage field，we analyzed the limestone confined water hydrogeological characteristics before and after impoundment of the Xiluodu Hydropower Station from four aspects，including temperature，water level，water quality and isotope.Preliminary analysis showed that there was no obvious change in the water temperature of the limestone confined water after impoundment，but the water level of the confined water greatly increased.A small amount of reservoir water infiltrated into the limestone confined water，thus causing a slight change in the quality of confined water.The limestone confined water is still recharged by atmospheric rainfall in the limestone exposed area around the regional basin，and discharged to the Jinsha River through the deep circulation.

Key words：

limestone confined water;gushing water;water temperature;isotope;Xiluodu Hydropower Station;Jinsha River